UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA Facultad de Ingeniería Civil Ingeniería Civil
Abastecimiento y saneamiento hídrico Métodos de Aforo en fuentes hídricas
Presentado por: Miguel Ángel Castañeda Mora Código: 3021211507
Presentado a: Miguel Hernández
Bogotá Julio de 2015
Tabla de contenido
1
Aforo Por el Método Volumétrico ........................... .................................................... ... 1
2
Aforo Por el Método Gravimétrico ..................................................................... ................ ..................................................... ............ 2
3
Aforo Por el Método de los flotadores ....................................................... .................... 3
4
Aforo Por el Método de Vertederos o Canaletas.................................................. .......... 4
5
Método de Aforo por Orificios .................................................. ...................................... 6
6
Método de Aforo por Estrangulamiento de la corriente ................................................ 7
7
Método de Aforo por Hidrómetros .................................................... ............................. 9 7.1
Molinete o Correntómetro ................................................ ...................................... 9
7.2
Tubo de Pitot..................................................... .................................................... . 10
8
Método de Aforo con aparatos electrónicos ................................................................ 11 8.1
Caudalímetro ......................................................................................................... 11
8.2
Indicador .............................................................................................. .................. 11
8.3
Caudalímetro de área variable para líquidos ................................................. ........ 12
8.4
Rotámetro metálico para bajos caudales para líquidos ........................................ 12
8.5
Rotámetro metálico para líquidos .............................................. ........................... 12
8.6
Ruedas ovaladas para líquidos lí quidos limpios .................................................................. 13
8.7
Caudalímetro a turbina para líquidos no viscosos ................................................ . 13
8.8
Mini turbina para caudales pequeños ................................................................... 13
8.9
Ultrasonido ............................................................................................................ 14
8.10 9
Medido Ultrasónico............................................... ............................................. 14
Método de Aforo con Medidor Parshall ....................................................................... 14
10
Método de aforo por el método de trazadores químicos ......................................... 15
10.1
Inyectar un volumen de trazador..................................................... .................. 16
10.2
Inyección a caudal constante .................................................. ........................... 17
Tabla de Ilustraciones Ilustración 1: Aforo por el método volumétrico. ................................................................................................. 1 Ilustración 2: Método por el método gravimétrico............................................................................................. 2 Ilustración 3: Aforo método flotadores. ............................................................................................................. 3 Ilustración 4: Aforo por el método de los flotadores. ......................................................................................... 4 Ilustración 5: Ecuaciones para determinar el caudal, Método de vertede ros. ................................................... 5 Ilustración 6: Vertedero ...................................................................................................................................... 6 Ilustración 7: Orificios ......................................................................................................................................... 7 Ilustración 8: E strangulamiento de la corriente ................................................................................................ 8 Ilustración 9: Molinete Hidráulico. ..................................................................................................................... 9 Ilustración 10: Tubo Pitot ................................................................................................................................. 10 Ilustración 11: Tubo de Pitot ............................................................................................................................. 10 Ilustración 12: Caudalímetro ............................................................................................................................ 11 Ilustración 13: Medidor Parshall....................................................................................................................... 15 Ilustración 14: Perfil concentraciones en le rio ................................................................................................. 16 Ilustración 15: Inyección a caudal constante.................................................................................................... 17 Ilustración 16: Aforo con trazadores ................................................................................................................ 18
1
Es usado para medir caudales bajos, tales como los que escurren por las tuberías o surcos de riego y acequias. Para el correcto desarrollo de este método es necesario el uso de:
Un recipiente con un volumen conocido, que será en el que se verterá el agua. Cronómetro para medir el tiempo que tarda en llenar el recipiente. Repetir dicho procedimiento como mínimo 3 veces, para tener varios datos, con los cuales se pueda hacer un promedio, para asegurar un resultado más exacto.
Consiste en dividir el volumen de agua recogido en el recipiente por el tiempo que demoró en llenarse el recipiente, hay que tener en cuenta que el tiempo es tomado en segundos, el caudal se expresa en Litros por segundo.
. = ⁄ =
Ilustración 1: Aforo por el método volumétrico.
2
El procedimiento de este método es muy parecido al método volumétrico, la diferencia reside en que el volumen que está en el recipiente no se mide con respecto al tiempo que tardo en llenarse, en lugar de medirse se pesa, obteniendo un peso W de agua, éste peso se convierte en volumen al dividirlo en el peso específico γ (Gamma) del fluido a la temperatura en que se encontraba al momento de la prueba. Previo al ensayo el recipiente debe ser destarado, cuando esté lleno el recipiente se debe pesar en esa balanza, ya que está tarada. Mediante el método gravimétrico, el caudal que se afora se determina con las siguientes ecuaciones:
Donde:
Entonces:
= í = = í = ∗ =
Ilustración 2: Método por el método gravimétrico.
3
Éste método es el más fácil de realizar, pero también es considerado el más impreciso, así que el uso de este método es limitado, es usado en situaciones de inspección donde no se necesiten resultados exacto; con este método se pretende conocer la velocidad media de la sección para ser multiplicada por el área así se conocería el caudal, con la famosa ecuación de continuidad.
= Á ∗
Para ejecutar este aforo el procedimiento es el siguiente:
Se toma una sección del lecho a analizar, será la sección de longitud L. Se mide el área de la sección A. Aguas arriba se tira un cuerpo que flote, desde el primer punto de control. Cuando el cuerpo pase por dicho punto se inicia la toma del tiempo, que dura hasta el segundo punto de control que está ubicado aguas abajo.
Ilustración 3: Aforo método flotadores.
La velocidad superficial de la corriente; Vs, es tomada igual que la velocidad del cuerpo flotante y se calcula mediante la relación entre el espacio que recorrió L y el tiempo que tardó t.
=
Se considera que la velocidad media de la corriente Vm se encuentra entre los 0,75 Vs hasta los 0,90 Vs, donde el mayor valor es aplicado a las corrientes de aguas más profundas y rápidas. Si se divide el área de la sección transversal del flujo en varias secciones, de área Ai, para las cuales se miden velocidades superficiales Vsi, y se calculan medias, Vmi, el caudal total será la suma de los caudales parciales qi de todas las secciones que se midieron.
4 Si se requiere de un poco más de precisión se pueden obtener mejores resultados con flotadores lastrados, de sumersión ajustable, estos flotadores consisten en un tubo delgado de aluminio de una longitud Lfl , cerrado en ambos extremos y con un lastre en su extremo inferior, para que pueda flotar en una posición cercana a la vertical, dando así una sumersión de aproximadamente 25 a 30 cm sobre el fondo. La velocidad del flotador sumergido, Vf, permite la determinación de la velocidad media de la corriente, Vm, a lo largo del curso, por la siguiente formula experimental. Y es la profundidad de la corriente de agua.
= ∗ ,− ,∗ (− )
Ilustración 4: Aforo por el método de los flotadores.
Los vertederos son simples aberturas sobre las que se desliza un líquido, pueden ser entendidos como orificios cuya arista superior está sobre el nivel de la superficie libre del líquido, se suelen usar para medir caudales en conductos libres (canales, ríos y demás) Es usado en caudales pequeños, el procedimiento es el siguiente:
Se interrumpe un flojo de agua con una canaleta. Se produce una depresión del nivel. Se mide el tamaño de la lámina de agua y su altura. El agua cae por el vertedero durante cierto tiempo. Se mide la altura de la lámina de agua y se calcula la cantidad de agua que se vertió en ese tiempo.
5 Las mediciones son válidas para la fecha en la que se realizaron. Es recomendable la medición periódica para conocer las variaciones del flujo. Las ecuaciones con las que se determina el caudal según el tipo de vertedero son:
Ilustración 5: Ecuaciones para determinar el caudal, Método de vertederos.
6
Ilustración 6: Vertedero
Los orificios son aberturas de forma regular hechos a través de un muro, por donde el agua circula haciendo contacto con todo el perímetro de dicha abertura. Aun cuando los orificios pueden tener cualquier forma, los más usados son de forma rectangular o circular. Los orificios pueden catalogarse en dos categorías: Orificios con descarga libre son aquellos que descargan libremente, es decir, que el nivel del agua en la cara posterior del muro está por debajo del orificio. Estos orificios son de poco uso en los canales abiertos y más utilizados para medir el caudal del agua en cañerías. Orificios sumergidos son aquellos en que el nivel del agua, tanto en la parte anterior como en la cara posterior del muro, está por encima del orificio. La ecuación general del orificio es
= ∗ ∗2 ∗ ∗ ℎ
7 Dónde: Q=Caudal C=Coeficiente. A=Área G=gravedad h=tirante de agua El coeficiente depende del espesor de las paredes y la forma del orificio, así tenemos: Para realizar este aforo es necesario el uso de:
Superficie plana con el orificio de dimensiones conocidas. Canal al que se le va a medir el caudal. Cronómetro.
El procedimiento para aforar por este método es el siguiente:
Se realiza un orificio en la superficie plana. Se coloca un orificio en el canal del agua. Calcular el área.
Ilustración 7: Orificios
El canal palmer bowlus es un tipo de Venturi caracterizado por la estrangulación de una sección transversal uniforme y una longitud de aproximadamente igual a un diámetro del tubo o conducto en el cual está siendo instalado, está diseñado para general un flujo critico de mayor velocidad en el estrangulamiento.
8 Es casi siempre usado en manholes o en canales abiertos o rectangulares para medir variaciones de flujo, la configuración transversal puede asumir cualquier forma: rectangular, trapezoidal (varios declives, alturas y anchos de base), con o sin tapa. Para la determinación del caudal, se necesita medir la altura del líquido, ésta se puede realizar rápidamente midiendo la altura. También existen otros instrumentos que facilitan estas medidas de manera continua, obteniendo mediciones continuas y precisas, incluso conectando un registrador gráfico favoreciendo el almacenamiento de esta información. En estas canaletas se pueden acoplar diferentes tipos de sensores que permiten registrar otros tipos de parámetros diferentes al caudal, como son pH y temperatura. La principal ventaja es la fácil instalación, debido a que puede ser colocada en conductos ya existentes donde no se requieren caídas en el conducto, como es requerido en el canal Parshall, la pérdida de energía es baja, detecta cambios sensibles de cabeza y provee una mínima restricción al flujo.
Ilustración 8: Estrangulamiento de la corriente
9
Un molinete es un pequeño instrumento construido por una rueda con aspas, que al ser sumergida en un cauce gira, proporcionalmente a la velocidad que lleve el flujo. Hay 2 tipos de molinetes, los de cazoletas que son tipo Price, de origen norte americano y el de hélice que son usados más frecuentemente en Europa, los cuales pueden ser montados sobre una varilla para el aforo de corrientes superficiales o suspendidos desde un cable para aforos más profundos. Este método consiste básicamente en medir en un área transversal de la corriente, las velocidades del flujo con las cuales se puede obtener el caudal. Una vez se conoce la altura inicial Yi y la altura final Yi+1 del área de influencia Ai, se determina la altura promedio así:
Posteriormente se calcula el área así:
Ỹ= Yi+Yi2 +1 = Ỹ*b
Teniendo en cuenta que b es el ancho del área de influencia. La velocidad media en cada una de las áreas de influencia se determina así:
= 0,2 + 2 ∗0,4 6 + 0,8 = ∗
Teniendo así que el caudal correspondiente para el área de influencia será:
Por último el caudal del cauce será la suma de todos los caudales obtenidos de cada sección en la que se dividió el estudio del cauce.
Ilustración 9: Molinete Hidráulico.
10
Este tubo fue utilizado por primera vez por el físico francés Pitot en 1730 en un aforo en el rio Sena, un tubo Pitot consiste en un tubo de transparente con un extremo doblado en dirección a la corriente del agua, como se muestra en la siguiente figura:
Ilustración 10: Tubo Pitot
Las ecuaciones que teóricamente se usan son:
C es un coeficiente de corrección.
= 2 = √ 2
El tubo de Pitot debe ser usado en causes con gran velocidad, así que es más utilizado en tuberías.
Ilustración 11: Tubo de Pitot
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En todo proceso es importarte tener claro cuáles van a ser los requerimientos de desempeño y aplicación que deberán satisfacer las máquinas y accesorios que nos facilitan la realización de ese proceso, todo esto tratándolo de hacer al menor costo posible. Para procesos donde el factor principal es la exactitud, la necesidad de medir caudales más heterodoxos, donde los medidores tradicionales como la placa orificio, él tuvo Venturi o la tobera no brindan una exactitud ni una relación costo-efectividad deseada, ha sido el motivo para la utilización de principios físicos cada vez más novedosos que tiene ventajas sobre ciertas condiciones.
Este aparato usualmente sirve para generar pulsos o señales, proporcionales al caudal, con los cuales puede obtenerse una indicación visual de velocidad instantánea, volumen instantáneo, o flujo de peso instantáneo, y a partir de estos parámetros, unos totales acumulados. Todo esto requiere de un proceso de cómputo o integración electrónica, que se realiza en un indicador.
Ilustración 12: Caudalímetro
También llamado transmisor, monitor o controlador es un instrumento capaz de retransmitir una cierta señal de instrumentación. Gracias a los adelantos en la eléctrica, la
12 inclusión de redes de alarma y funciones asociadas a la doble entrada de sensores, viene a desdibujar el concepto tradicional de transmisor. Este aparato está en capacidad de generar alarmas de muy alto, alto, bajo o muy bajo caudal y señales digitales, analógicas o pulsos para otros indicadores, controlando por ejemplo el arranque y parada de bombas, capaces de generar datos para la dosificación de procesos químicos o control de inventario y facturación de procesos industriales.
Conocidos como flotámetros o rotámetros, estos aparatos se utilizan para controlar el rendimiento de las bombas, así como en procesos de mezcla o dosificación volumétrica continua, cuando los flujos deben mantenerse constantemente dentro de límites muy precisos. Su diseño es muy sencillo pero adelantado técnicamente, se fabrican a la medida y se ajusta el caudal máximo solicitado por el cliente. Son muy solicitados por su razonable costa, sencillez operativa, bajo mantenimiento y enorme robustez.
Mide e indica el caudal instantáneo, utilizado frecuentemente para la medición de bajos caudales, altas presiones y fluidos agresivos y difíciles de manejar por su confiabilidad y exactitud. Es muy utilizado para dosificar aditivos o ingredientes costosos en especialidades químicas, farmacéuticas, cosméticas y alimenticias. Además posee un indicador acoplado magnéticamente con escalas intercambiables.
Mide e indica el caudal instantáneo. Capaz de manejar un amplio rango de caudales con gran exactitud a pesar de altas temperaturas y presiones en zonas explosivas. Mínima caída de presión interna, no requiere contra presión y dispone de amortiguadores para eliminar rebotes no deseados del flotante.
También posee un indicador acoplado
magnéticamente. Permite ser integrado en sistemas de control existentes debido a sus múltiples opciones de comunicación
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Medidor de desplazamiento positivo y de gran exactitud, emite pulsos configurables para medir el caudal. Tiene un nuevo diseño de dos piezas móviles en una carcasa novedosa de 3 piezas, permite medir líquidos de alta o baja viscosidad con pequeña caída de presión. Su microprocesador le permite encarar cualquier caudal, viscosidad y requerimiento de comunicación.
Estos medidores y sus indicadores debido a su costo, robustez y duración, un gran éxito en el mercado. Fabricados con metales muy duros como el carbono de tungsteno y con plástico muy novedoso, su resistencia a la agresión química y mecánica es muy superior a la de los materiales utilizados hasta ahora. Se usan en tratamientos de aguas, industrias alimenticias y químicas y para dosificaciones tipo Bach. Pero requiere un indicador de caudal y volumen. Hay en estos momentos equipos midiendo la recuperación secundaria de petróleo en la Patagonia donde las turbinas están expuestas a arenas cuarcitas en suspensión a presiones de 150 bares, donde los indicadores sufren a una temperatura desde –20 hasta 60 ° C, con sol, nieve, granizo y vientos bastante abrasivos. Es el Caudalímetro más vendido para tuberías hasta de 6¨, capaz de emitir pulsos para medir la velocidad.
Es una turbina axial de bajo precio que permite la medición del caudal por flujo total. Con esto se ha logrado la reducción en los costos de compra, los de instalación y los de mantenimiento, permitiendo ahora instalar puntos adicionales de medición con un mismo presupuesto, pero su rango es limitado. Diseñada especialmente para aplicaciones en diámetros muy pequeños, esta turbina proporciona lecturas muy precisas dentro de dos rangos: de 0.4 a 4 l/min y de 4 a 40 l/min para la circulación de agua. Su principio de operación es el de un rotor que fijado a un eje rotatorio, produce una frecuencia proporcional a la velocidad del líquido. Este rotor es no magnético para permitir una respuesta lineal a los cambios de velocidades y para evitar la propagación de fricciones estáticas a bajas velocidades. Apto para ser instalado en situaciones expuestas a lluvia, nieve o escarcha. Además resiste manguero ocasional y ambientes corrosivos.
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Sirve para medir el tiempo que tarda en sonido en atravesar el fluido. Al poder medir a través de cualquier material sin cortar, abrir ni vaciar el caño, se presta para el diagnóstico de varios puntos sin importar el diámetro de la tubería con un solo instrumento, además para cañerías demasiado grandes o de baja presión donde otros instrumentos son incapaces.
Este dispositivo mide el nivel por Eco Ultrasonido y computa el caudal.
Se utiliza
frecuentemente para afluentes en plantas de aguas servidas, vertederos, acequias, canaletas, etc. contengan o no sólidos en suspensión.
La canaleta Parshall cumple un doble propósito en las plantas de tratamiento de agua, de servir de medidor de caudales y en la turbulencia que se genera a la salida de la misma, servir de punto de aplicación de coagulantes. Es uno de los aforadores críticos más conocidos, introducida en 1920 por R.L. Parshall. En la Fig. 35, se muestra esquemáticamente la canaleta, la cual consta de una contracción lateral que forma la garganta (W), y de una caída brusca en el fondo, en la longitud correspondiente a la garganta, seguida por un ascenso gradual coincidente con la parte divergente. El aforo se hace con base en las alturas de agua en la sección convergente y en la garganta, leída por medio de piezómetros laterales. El caudal se determina con la fórmula:
= ∗ ℎ
K y n son valores de una tabla
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Ilustración 13: Medidor Parshall
Esta técnica se unas en corrientes que tienen dificultades para la aplicación de algún otro método de aforo, como en corrientes muy anchas o en ríos torrenciales. Hay trazadores de 3 tipos que son:
Químicos: De este tipo se tiene la sal común y el dicromato de sodio. Fluorescentes: La rodamina
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Materiales Radioactivos: Los más usados son el bromo 82, el sodio y el yodo 132.
La sal es detectable con un error del 1% en concentraciones de 10 ppm. El dicromato de sodio puede detectarse a concentraciones de 0,2 ppm y los trazadores fluorescentes con concentraciones de 1/1011. Los trazadores radioactivos se detectan en concentraciones muy bajas (1/1014). Sin embargo su utilización requiere personal muy especializado. Este método se cumple en 2 maneras diferentes que son: También llamado método de integración, se supone que en una sección de rio se adiciona un pequeño volumen de trazador V1 con una concentración alta C1, si existe en el rio una concentración, Co, el perfil de concentraciones en el rio se comporta así:
Ilustración 14: Perfil concentraciones en le rio
Por continuidad de obtiene la siguiente ecuación:
Q=caudal. C1= concentración del trazador. V1= Volumen del trazador. C2= Función que define la concentración del trazador, en el punto de control en función de t. C0=Concentración encontrada en el rio antes de la dosificación.
17 Resolviendo la ecuación y despejando Q obtenemos:
En los aforos químicos o radioactivos se añade de forma continua y constante una concentración conocida (C1) de una sustanciaquímica o radioactiva a la corriente cuyo caudal (Q) desea determinarse.
Ilustración 15: Inyección a caudal constante
Por la estequiometría de las reacciones químicas, cuando un caudal constante (q) de una solución salina es descargado dentro del caudal (Q), conteniendo las mismasconstituyentes a la concentración (C2),la mezcla resultante de caudales (Q+ q) alca nzaráunaconcentración (C) proporcional a las concentraciones iniciales (C1 y C2) de los ca udales antes del mezclado, como lo indica la siguiente expresión:
De la cual se obtiene:
Q= Caudal. Q= Caudal del trazador o de la solución salina aplicada. C1= Concentración del trazador o de la sustancia química en la solución. C2= Concentración del trazador o de la sustancia química antes de la aplicación.
18 C= Concentración del trazador o de la sustancia química después de la aplicación.
Ilustración 16: Aforo con trazadores
