U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
MEDIDOR PARSHALL 1. OBJETIVOS a) GENERALES Observar el funcionamiento hidráulico, obtener la curva de calibración y la relación empírica entre el gasto y la carga para una estructura aforadora Parshall.
b) ESPECÍFICOS Obtener las dimensiones y características del medidor Parshall. Estimar los caudales mediante el aforo volumétrico para distintos tirantes de
agua. Determinar si la carga es sumergida o ahogada.
2. APLICACIÓN PRÁCTICA Es adecuado para la medición del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave.
Aforador Parshall- En linea: http://www.google.com.bo/imgres? q=medidor+parshall&hl=es419&sa=X&biw=1152&bih=642&tbm=isch&prmd=imvns&tbnid =fZLVeEw2OQvc1M:&imgrefurl.
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
Es un elemento primario de caudal con una amplia gama de aplicaciones para medir el caudal en canales abiertos. Puede ser usado para medir el flujo en ríos, canales de irrigación y/o de desagüe, salidas de alcantarillas, aguas residuales, vertidos de fábricas, etc.
Parshall-En linea: http://www.arkon.co.uk/spa/products/ parshall-flumes
Dispositivo de medición de caudal en forma de canal abierto, es aplicado en mediciones continuas de caudal y/o mezcla rápida de coagulantes en Estaciones de Tratamiento de Agua y/o estaciones de tratamiento de efluentes industriales y urbanos. Medidor Parshall-En linea: http://www.lealengenharia.com.br/servico.php ?id=50&lang=es
3. MARCO TEORICO
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II MEDIDOR PARSHALL.-
1
El medidor Parshall, al igual que los vertedores, son
dispositivos ampliamente utilizados en la medición del gasto en canales abiertos. Cada uno de ellos provoca que cambie la corriente, lo cual a su vez cambia el nivel de circulación de la superficie libre del líquido. El dispositivo estudiado es un medidor de flujo crítico, es llamado de esta forma pues la contracción que se produce en la corriente causa que se llegue a la profundidad crítica en la estructura. 2
La forma del medidor Parshall se muestra en la figura 8.1. La descarga depende del ancho
de la sección de la garganta (b) y de la carga a la entrada (en la sección convergente) en el punto de medición de nivel Ha. Un lugar recomendable, para establecer una sección de medición para obtener la curva de variación de los caudales, es aquella que mantiene una relación definitiva nivel - descarga (H - Q). Una sección de este tipo, se le conoce como Sección de Control y en el estado crítico del flujo se llega a establecer. La ecuación siguiente, que representa el esta crítico del flujo en un canal de sección cualquiera, teóricamente es independiente de la rugosidad del canal y de otras circunstancias no controladas; así entonces, una sección de flujo crítico, es una sección de control:
A √ D=
Q √g
(8.1)
A = área mojada de la sección transversal del canal, en m 2. D = profundidad hidráulica, en m. (D = A/T) T = ancho de la superficie libre, en m. Q = gasto, en m3/s. g = Aceleración de la gravedad, en m/s2. ………………………………………………………………………………………………………………………………. 1
MEDIDOR-PARSHALL.En-linea:http://es.scribd.com/doc/60217833/Medidores-de-Caudal-en-
Canales-Abiertos 2
PARSHALL-En linea: http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/canal_parshall.pdf
Analicemos la expresión 8.1 para un canal de sección rectangular, donde D = y c.
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II Q
=1
1
g
2
Ay
1
c
Q
2
=1
1 2
g Ty
3
(8.2)
2
c
De donde: 1
Q= g
2
Ty
3
c 2
(8.3)
1
Si g y T son conocidos:
K=g 2 T Q=Ky
3
c
(8.4)
2
Siendo: yc = tirante crítico, en m. La última expresión, como ya se había dicho antes para el estado crítico, indica que conocidas las características geométricas de la sección y logrando que el flujo pase de subcrítico a supercrítico, hasta conocer una medida de la carga para poder conocer el gasto. A causa de que se tienen la dificultad para medir el tirante crítico, es conveniente medir una profundidad Ha aguas arriba de la sección de control, quedando la expresión: Q= KH
3
a
2
(8.5)
Basados en el principio del flujo crítico, se han creado varios procedimientos para la medida del flujo, en donde el tirante crítico se origina haciendo que el agua pase sobre un dique o bien por una contracción en la sección transversal. Hacerlo mediante un dique, aunque es mas simple, se causa una mayor pérdida de carga y en canales de poca pendiente, no siempre es tolerable un sobre elevación en el tirante aguas arriba. Además, si el agua contiene partículas sólidas, parte de éstas se depositarían aguas arriba del dique, disminuyendo así la canal. Mediante una contracción en la sección transversal, se tienen varios diseños de estructuras aforadoras. En el laboratorio se encuentran instaladas dos de ellas: el medidor Parshall y el de garganta cortada. El medidor Parshall fue diseñado por Ralph L. Parshall en la tercera década del presente siglo e inicialmente llamada Medidor de Venturi Mejorado por estar basado en el medidor
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II de Venturi de V. M. Cone. Fue denominada con su apellido por el Comité Ejecutivo de División de Riego de la American Society of Civil Engineers (ASCE), en 1929. La estructura presenta varias ventajas, tales como: simplicidad, exactitud, eliminación del problema de azolve, no tienen efecto la velocidad de llegada y pérdida de carga pequeña; por lo que ha tenido una buena aceptación como estructura de aforo. 3
Como muchos dispositivos aforadores, el medidor Parshall tienen ciertas desventajas
ejemplo, no puede ser usado directamente combinado con compuerta de carga; es más costoso para construir y requiere una mano de obra más calificada en su construcción que otros dispositivos usados comúnmente, tales como vertedores u orificios sumergidos. La estructura consta de tres partes principales: 1. Entrada.- Formada por dos paredes verticales simétricas y convergentes con una relación 5:1, y de fondo horizontal. 2. Garganta.- Formada por dos paredes verticales paralelas y con fondo inclinado hacia aguas abajo con una pendiente de 2,67:1. 3. Salida.- Formada por dos paredes verticales simétricas y divergentes con una relación 6:1, y de fondo ligeramente inclinado hacia arriba con una pendiente diferente según el tamaño del Parshall.
……………………………………………………………………………………………………………………….… 3 CANAL PARSHALL- En linea: www.ana.gob.pe/media/389716/manual-diseños-1.pdf 4
GARCIA RUIZ, ERNESTO. Manual de prácticas del Laboratorio de Hidráulica. U.A.J.M.S. TarijaBolivia, 1997
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II El ancho de la garganta (b), es la dimensión que generalmente se usa para denominar el tamaño de la estructura; así por ejemplo, decir un Parshall de 0,20 m. significa que la estructura tiene un ancho de garganta de 20 cm. La relación entre sus diferentes dimensiones no es igual para cada tamaño de la estructura; sino que varía, y las dimensiones en función del ancho de la garganta, se dan en la tabla 1. Puede ser construido de madera, chapa metálica u hormigón. La estructura bien puede trabajar a descarga libre o descarga con sumersión. Se ha establecido un parámetro para saber cuál es la condición, llamado grado de sumersión (S), cuyos límites se presentan en la tabla 2.
S=
Hb Ha
(8.6)
S = Grado de sumersión. Hb = Carga medida aguas debajo de la cresta. Ha = Carga medida aguas arriba de la cresta. Los puntos de medición de Ha y Hb se muestran en la Fig. 8.1 y ambas cargas son a partir de la cota de la cresta que es el mismo nivel del piso de la entrada.
Figura 8.1. Dimensiones de la estructura aforadora Parshall
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II Definición de las dimensiones: B
:
Ancho de la garganta.
A
:
Longitud de la pared lateral de la sección convergente.
C
:
Ancho del extremo aguas abajo del canal.
(2/3)A: Distancia desde el extremo de la cresta al punto de medición. B
:
Longitud axial de la sección convergente.
D
:
Ancho del extremo aguas arriba del canal.
E
:
Profundidad del canal.
F
:
Longitud de la garganta.
G
:
Longitud de la sección divergente.
K :
Diferencia en elevación entre el extremo más bajo del canal y la cresta.
N
:
Profundidad de depresión de la cresta por debajo de la garganta.
X
:
Distancia horizontal del punto de medición (H b) desde el punto más bajo de la garganta.
Y
: Distancia vertical del punto de medición (Hb) desde el punto más bajo de la garganta.
El tamaño del canal (b) es determinado por la distancia horizontal entre las paredes verticales paralelas de la garganta y tienen igual longitud que la cresta. La cresta es la línea donde el piso a nivel de la sección de entrada convergente se une con el piso inclinado de garganta.
Tabla 1 Dimensiones del aforador Parshall (en metros) ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II b
2/3
B
C
D
E
F
G
K
N
X
0,02
A 0,24
0,35
0,09
0,61
0,22
0,07
0,20
0,01
0,02
0,00
5
2
6
3
7
9
6
3
9
9
8
0,05
0,27
0,40
0,13
0,21
0,25
0,11
0,25
0,02
0,04
0,01
1
5
6
5
4
4
4
4
2
3
6
0,07
0,30
0,45
0,17
0,25
0,45
0,15
0,30
0,02
0,05
0,02
6
4
7
8
9
7
2
5
5
7
5
0,15
0,41
0,61
0,39
0,39
0,61
0,30
0,61
0,07
0,11
0,05
2
5
0
4
7
0
5
0
6
4
1
0,22
0,58
0,86
0,38
0,57
0,76
0,30
0,45
0,07
0,11
0,05
9
8
4
1
5
2
5
7
6
4
1
0,30
0,91
1,34
0,61
0,84
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
5
4
3
0
5
4
0
4
6
9
1
0,45
0,96
1,41
0,76
1,02
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
7
5
9
2
5
4
0
4
6
9
1
0,61
1,01
1,49
0,91
1,20
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
0
6
5
4
6
4
0
4
6
9
1
0,91
1,11
1,64
1,21
1,57
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
4
8
5
9
2
4
0
4
6
9
1
1,21
1,21
1,79
1,52
1,93
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
9
9
4
4
7
4
0
4
6
9
1
1,52
1,32
1,94
1,82
2,30
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
4
1
3
0
2
4
0
4
6
9
1
1,82
1,42
2,09
2,13
2,66
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
9
2
3
4
7
4
0
4
6
9
1
2,13
1,52
2,24
2,43
3,03
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
4
4
2
8
2
4
0
4
6
9
1
2,43
1,62
2,39
2,74
3,39
0,91
0,61
0,91
0,07
0,22
0,05
8
6
1
3
7
4
0
4
6
9
1
3,65
2,03
4,87
4,47
5,60
1,52
0,91
1,04
0,15
0,34
0,30
8
2
7
0
7
4
4
8
2
3
5
4,57
2,33
7,62
5,58
7,62
1,82
1,21
2,43
0,22
0,45
0,30
2
7
0
8
0
9
9
8
9
7
5
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
Y
Gasto
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II 6,09
2,84
7,62
7,31
9,14
2,13
1,82
3,65
0,30
0,68
0,30
6
5
0
5
4
4
0
8
5
6
5
Tabla 2 Tipo de descarga según el Grado de Sumersión (S) Tamaño del Parshall B < 0,30 m 0,30 b 2,50 m 2,50 b 15,50 m
Descarga libre S < 0,60 S < 0,70 S < 0,80
Descarga con Sumersión 0,60 S 0,95 0,70 S 0,95 0,80 S 0,95
Para un grado de sumersión mayor que 0,95, Parshall observó que la determinación del gasto se vuelve incierta, por lo que se recomienda no trabajar la estructura con un grado de sumersión mayor.
Si la descarga es libre, el gasto será sólo función de H a:
Q=KH
an
(8.7)
Mientras que si trabaja con sumersión, el gasto se reduce
Q=KH n −C a
(8.8)
Expresiones para C fueron obtenidas por el mismo Parshall en función de H a y S. Aunque también puede obtenerse una relación para el gasto del tipo:
Q=K ( H a−H b ) n
(8.9)
Producto de los experimentos de Parshall, se tienen las siguientes relaciones para el caso que el medidor trabaje libre (ver tabla 8.2):
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
Para
b = 0,15 m.
Q = 0,3812 Ha1,58 Para
0,30 ¿
b ¿
2,50 m.
Q = 0,372 b(3,281 Ha )1,57 b Para
2,50 < b ¿
0,026
15,00 m.
Q = (2,293 b + 0,474) Ha 1,6
4. ESQUEMA DE LA PRÁCTICA
GARGANTA esta formada por dos paredes verticales paralelas y con fondo inclinado hacia aguas abajo.
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
MEDIDOR PARSHALL
VALVULA O BOMBA DE ALIMENTACION bombas que
alimentan al medidor y se asegurara que el agua quede a la altura de la cresta del Parshall.
SALIDA O DIVERGENCIA del medidor Parshall por donde salen las aguas y entran al tanque de aforo.
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II TANQUE DE AFORO Donde se realiza el aforo volumétrico para estimar los distintos caudales que se tomaron en el medidor Parshall.
TERMÓMETRO.- Este instrumento se uso para medir la temperatura del agua. FLEXO.- con el cual obtuvimos las distintas alturas en la práctica como ser: las dimensiones del medidor Parshall y del tanque de aforo. CRONOMETRO.- nos sirve para la medición del tiempo que tarda el agua en tomar una cierta altura en el tanque de aforo.
5. HOJA DE LEVANTAMIENTO DE DATOS
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
6. PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA En el laboratorio se encuentra disponible un equipo que ha sido construido con unas medidas especiales, las cuales están acordes con los gastos que pueden ser obtenidos a partir de las bombas instaladas. Para la realización de la práctica se requiere de un tanque de aforo y un cronómetro para la medición de los gastos, así como de dos piezómetros que se encuentran conectados a los puntos de medición del aforador estudiado.
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
Los pasos que se recomienda seguir para la calibración, son los siguientes: 1. Medir las dimensiones del medidor Parshall y tomar nota del material de que está construido. 2. Marcar la elevación de la cresta sobre la escala de los piezómetros. Para ello se procede a hacer funcionar las bombas que alimentan al medidor y se asegurara que el agua quede a la altura de la cresta del Parshall, entonces se toma la elevación de la cresta en cada uno de los piezómetros. 3. Por medio de la válvula de regulación colocada a la entrada se establece el máximo gasto (máxima carga) en el Parshall. 4. Se toman las lecturas en los piezómetros de las elevaciones de la superficie libre del agua, aguas arriba (Ha) y (Hb) y aguas debajo de la cresta. 5. Se mide con la ayuda del cronómetro el tiempo que demora en llenarse un volumen de agua conocido en el tanque de aforo. 6. Se pasa a otra carga, disminuyendo ésta con la válvula de regulación. Se espera a que se estabilice el flujo, y se toman las mismas lecturas indicadas anteriormente. Esto se hace para unas 10 cargas diferentes (trabajando libre y la misma cantidad trabajando ahogado) espaciadas convenientemente entre la máxima y la mínima carga del Parshall.
7. CALCULOS Área del tanque de aforo Ancho del canal
a: b:
0.590 2.000
Longitud del pared lateral de la sección convergente
A:
34.580
Ancho del extremo aguas abajo del canal
C:
9.900
Distancia del extremo de la cresta al punto de medición
(2/3)A:
23.053
Longitud axial de la sección convergente
B:
32.200
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
m2 c m c m c m c m c m
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II Ancho del extremo aguas arriba del canal
D:
16.300
Profundidad del canal
E:
24.000
Longitud de la garganta
F:
6.900
Longitud de la sección divergente
G:
19.200
Elevación entre el extremo más bajo del canal y la cresta
K:
2.000
Profundidad de la cresta por debajo de la garganta
N:
2.500
Dist. Pto. de medición desde pto. más bajo de la garganta
X:
Distancia vertical del punto más bajo de la garganta
Y:
AFORO OBSERV. No.
h (cm)
1
5
2
5
3
5
4
5
5
5
6
5
7
5
8
5
t (s) 82 80 79 55 57 54 36 37 38 29 30 30 24 28 26 21 20 22 14 16 16 14 12 14
ING. MOISES PERALES
CARGAS
SUMERSION
c m c m c m c m c m c m c m c m
GASTO
t (promedio )
Ha (cm)
Hb (cm)
S
Descarga
Q(I/s)
80.33
4.3
1.6
0.372
Libre
0.367
55.33
5.5
2.8
0.509
37
6.8
4
0.588
Libre
0.797
29.67
7.9
4.9
0.620
Ahogada
0.994
26
8.5
5.1
0.600
Ahogada
1.135
21
9.8
6.5
0.663
Ahogada
1.405
15.33
11.9
8.5
0.714
Ahogada
1.924
13.33
13
8.5
0.654
Ahogada
2.213
GRUPO Nº10
Libre
0.533
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
TABLA DE RESULTADOS OBSERV. No.
AFORO h t (seg) (cm)
CARGAS
SUMERSION
GASTO
CARGA
Ha (cm)
Hb (cm)
S
Descarga
Q(I/s)
Ha - Hb
Libre
0.367
2.7
0.533
2.7
1
5
80.33
4.3
1.6
0.372
2
5
55.33
5.5
2.8
0.509
3
5
37
6.8
4
0.588
Libre
0.797
2.8
4
5
29.67
7.9
4.9
0.620
Ahogada
0.994
3
5
5
26
8.5
5.1
0.600
Ahogada
1.135
3.4
6
5
21
9.8
6.5
0.663
Ahogada
1.405
3.3
7
5
15.33
11.9
8.5
0.714
Ahogada
1.924
3.4
8
5
13.33
13
8.5
0.654
Ahogada
2.213
4.5
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
Libre
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
7.1. ANALISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES De la práctica que realizamos del medidor Parshall se pudo sacar llegar a las siguientes conclusiones. Lo primero que se pudo ver es de que material esta construido y tomar las mediciones necesarias. Con los datos obtenidos y haciendo los cálculos respectivos se logro sacar el caudal en lt/seg de cada una de las observaciones que hemos realizado. También como otra conclusión pudimos determinar el grado de sumersión. Por otra parte pudimos definir si la descarga es libre o ahogada. Se pudo obtener las ecuaciones de calibración tanto con el trabajo libre y también con el trabajo ahogado. Se pudieron cometer errores accidentales con el equipo tanto en el manejo como en la lectura del mismo.
9. RECOMENDACIONES
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
U.A.J.M.S. LAB. DE HIDRAULICA II
BIBLIOGRAFIA
MEDIDOR-PARSHALL.En-linea:http://es.scribd.com/doc/60217833/Medidores-de-
Caudal-en-Canales-Abiertos PARSHALL_En.linea:http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/canal_parshall.p df
CANAL PARSHALL- En linea: www.ana.gob.pe/media/389716/manual-diseños-1.pdf
GARCIA RUIZ, ERNESTO. Manual de prácticas del Laboratorio de Hidráulica.
U.A.J.M.S. Tarija-Bolivia, 1997 AFORADOR PARSHALL- EN LINEA: http://www.google.com.bo/imgres? q=medidor+parshall&hl=es419&sa=X&biw=1152&bih=642&tbm=isch&prmd=imvns&tbnid=fZLVeEw2OQvc1M:&i
mgrefurl. PARSHALL-EN LINEA: http://www.arkon.co.uk/spa/products/parshall-flumes MEDIDOR PARSHALL-EN LINEA: http://www.lealengenharia.com.br/servico.php? id=50&lang=es
ING. MOISES PERALES
GRUPO Nº10
