ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
LABORATORIO DE HIDRÁULICA I
PRÁCTICA # 4
MEDICIÓN DE VELOCIDAD Y DETERMINACIÓN DE CAUDALES EN CANALES USANDO EL MICROMOLINETE R EA LIZADO LIZADO POR: JAIRO ANDRES CARRASCO HORARIO:
MARTES 13:00 –15:00 DOCENTE:
ING. CRISTINA TORRES FECHA DE R EA LIZACIÓN LIZACIÓN::
30 –Mayo -2017 FECHA DE ENTRE ENTRE GA:
13 – Junio -2017
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL LABORATORIO DE HIDRÁULICA I
MEDICIÓN DE VELOCIDAD Y DETERMINACIÓN DE CAUDALES EN CANALES USANDO EL MICROMOLINETE
CONTENIDO
4.MEDICIÓN DE VELOCIDAD Y DETERMINACIÓN DE CAUDALES EN CANALES USANDO EL MICROMOLINETE................................................... ..................................................... ............ 3 4.1
OBJETIVOS:.............................................. ..................................................... ............ 3
4.2
GENERALIDADES ........................................................ .............................................. 3
OBTENCIÓN DE LA VELOCIDAD ..................................................... ...................................... 4 DETERMINACIÓN DEL CAUDAL ..................................................... ...................................... 6 4.3
PRUEBAS A REALIZARSE ..................................................... ...................................... 6
4.4
INSTRUMENTACIÓN .................................................. ............................................... 6
4.5
GUIAS ............................................. .................................................... ...................... 6
4.6
INSTRUCCIONES ................................................ .................................................... ... 6
4.7
REGISTRO DE DATOS ................................................. ............................................... 7
4.8
ACTIVIDADES POR DESARROLLAR............................................... ............................. 8
4.10
PREGUNTAS...............................................................Error! Bookmark not defined.
4.11 CONCLUSIONES ................................................. ........Error! Bookmark not defined. 4.13 BIBLIOGRAFÍA .................................................... ........Error! Bookmark not defined.
FIGURAS Figura 1. Distribución de Velocidades ................................................................ .................... 3 Figura 2. Velocidad Media de Flujo ......................................... ............................................... 4 Figura 3. Distribución de velocidades sobre una vertical .................................................... ... 5
4. MEDICIÓN DE VELOCIDAD Y DETERMINACIÓN DE CAUDALES EN CANALES USANDO EL MICROMOLINETE 4.1
OBJETIVOS:
Demostrar la validez de los métodos empleados en la determinación de la velocidad media y del caudal. Adoptar un método para fines prácticos de acuerdo al resultado de las observaciones. Familiarizar al estudiante con la utilización de estos instrumentos de medición.
4.2
GENERALIDADES
La velocidad media puede ser obtenida por medición de las velocidades en puntos predeterminados en la sección transversal, por medio del micromolinete. Para la medición de la velocidad el movimiento del agua causará rotación de la hélice. La rotación del eje causará la abertura o cerramiento de contactos de un circuito de bajo voltaje que es transmitido a un contador digital. La velocidad de rotación así obtenida es la medida de la velocidad en el punto de medición. Si se considera el movimiento en un flujo sobre una frontera sólida fija, donde las partículas se mueven en líneas rectas paralelas, se puede suponer que el flujo se produce en forma de capas o láminas de espesor diferencial cuyas velocidades varían con la distancia y normal a dicha frontera. De acuerdo con el perfil de velocidades, que se indica en la figura (3.1), es claro que el esfuerzo cortante generado entre fluido y la pared es mayor al que hay entre las capas de fluido adyacente. Este comportamiento corresponde al comportamiento de los flujos llamados newtonianos.
Figura 1. Distribución de Velocidades
Según Newton, el esfuerzo tangencial que se produce entre dos láminas separadas una distancia dy, y que se desplazan con velocidades (v) y [v + (∂v/∂y) dy], vale:
v y
De acuerdo con dicha ley, el esfuerzo tangencial es proporcional al gradiente transversal de velocidades ∂v/∂y. La constante de proporcionalidad µ es magnitud característica de la viscosidad del fluido y se conoce como viscosidad dinámica o simplemente, viscosidad. Una vez determinada la velocidad media en cada una de las verticales consideradas, se determina la velocidad media de la sección total V, que permite calcular el caudal mediante la expresión:
Q
V * A
OBTENCIÓN DE LA VELOCIDAD Para determinar la velocidad en cada punto existe una fórmula o ecuación de calibración para cada tipo de hélice que relaciona la velocidad de flujo con la velocidad angular de la hélice en revoluciones por segundo (RPS). Varios métodos están en uso para escoger los puntos de medición en la vertical y calcular la velocidad media. Método de un solo punto
La velocidad media es aproximadamente la velocidad a 0.60d, basado en una distribución parabólica de velocidades, siendo “d” la profundidad del flujo o calado.
Tomado la velocidad 0.5d, entonces V = 0.96 V (0.5) Tomado la velocidad 0.2d, entonces V = 0.88 V (0.2)
Figura 2. Velocidad Media de Flujo
Método de un punto
V = V0.6 Método de los dos puntos
V = (V0.2 + V0.8) / 2 Método de los tres puntos
V = (V0.2 + V0.6 + V0.8) / 3
Método de múltiples puntos
La velocidad media es obtenida mediante la representación gráfica en escala de las velocidades medidas, planimetrando el arco contenido en la curva de distribución de velocidades y dividiendo dicha área por la profundidad.
Figura 3. Distribución de velocidades sobre una vertical
DETERMINACIÓN DEL CAUDAL En el caso de nuestro canal de laboratorio de sección rectangular, se usan cualquiera de los procedimientos ya mencionados tomando tres verticales, como el centro y dos cerca de las paredes, calculando finalmente la velocidad media de toda la sección, que permite determinar el caudal mediante la fórmula:
Q
4.3
V * A
PRUEBAS A REALIZARSE
1. Determinar la velocidad media en la sección transversal escogida tomando 3 verticales, usando los métodos ya mencionados. 2. Calculo del caudal en circulación.
4.4 INSTRUMENTACIÓN
Micromolinete con la hélice correspondiente al rango de revoluciones. Limnímetro
4.5
a. b.
4.6
GUIAS
Para determinar los puntos de medición de velocidad se ubican tres verticales en la sección transversal seleccionada las mismas que tendrán entre si 10cm. de separación. La profundidad de flujo en la sección transversal seleccionada se determina utilizando el limnímetro.
INSTRUCCIONES
1. Arme el micromolinete cuidadosamente. 2. Mida la profundidad de agua usando el limnímetro
3. Coloque la hélice a la profundidad que determina el método a usarse. 4. Coloque el micromolinete con la hélice perpendicular a la sección transversal de flujo y dirigido hacia aguas arriba. 5. Encere el contador. 6. Presione el arranque del contador y luego de funcionar por 30 segundos registre la lectura. 7. Varíe la altura de medición y proceda en forma similar para la determinación de la velocidad en los diferente puntos de las tres verticales consideradas.
4.7
REGISTRO DE DATOS
Lectura a 0.2d, 0.6d y 0.8d (tomadas desde la superficie libre) Para cada punto en cada vertical se registrará el número de vueltas de la hélice por lo menos 2 veces.
Velocidad angular:
=
=
Velocidad puntual : 0,63
V=0,2550n+0,005
Velocidad puntual promedio: V Promedio = (V1+V2) /2 = m/s
Caudal
Q:
= ̅ ∗
3 2 = ∗ =
Velocidad media:
4.8
Método 1:
V = V0.6
Método 2:
V = (V0.2 + V0.8) / 2
Método 3:
V = (V0.2 + V0.6 + V0.8) / 3
ACTIVIDADES POR DESARROLLAR
Calcular la velocidad media en la sección transversal aplicando cada uno de los métodos mencionados, para lo cual use la fórmula correspondiente a la hélice utilizada según el rango de variación del número de revoluciones.
Trazar el gráfico correspondiente al diagrama de velocidades
Calcular el caudal Q para que circula por nuestro canal. Haga un análisis de los resultados obtenidos, indicando los métodos más recomendables
SECCIÓN TRANSVERSAL
Vertical
Calado
Número de revoluciones
T
mm
N
[s]
0.6d
170
0.2d 0.8d 2
0.6d
174
0.2d 0.8d 3
Velocidad Puntual
Velocidad Puntual Promedio
Velocidad media
Caudal
Caudal Promedio
n
V
V
Vm
Q
Q
[rev/s]
(m/s)
(m/s)
(m /s)
(m3/s)
(m3/s)
Profundidad 0.8d
1
Velocidad Angular
0.6d 0.2d
177
46,8
30
1,560
0,403
47,2
30
1,573
0,406
50,8
30
1,693
0,437
51,6
30
1,720
0,444
62,4
30
2,080
0,535
62,1
30
2,070
0,533
47,1
30
1,570
0,405
47,1
30
1,570
0,405
52,4
30
1,747
0,450
53
30
1,767
0,456
66,8
30
2,227
0,573
67,2
30
2,240
0,576
51,9
30
1,730
0,446
51,7
30
1,723
0,444
58,5
30
1,950
0,502
57,1
30
1,903
0,490
68
30
2,267
0,583
67,8
30
2,260
0,581
0,405 0,440 0,534 0,405 0,453 0,575 0,445 0,496 0,582
Método 1 0,4045
Método 2 0,4224
Método 3 0,4596
Método 1 0,4054
Método 2 0,4292
Método 3 0,4776
Método 1 0,4453
Método 2 0,4708
Método 3 0,5079
0,0275 0,0299
0,0313
0,0363 0,0282 0,0315
0,0332
0,0400 0,0315 0,0351 0,0412
0,0360
4.9
RESULTADOS OBTENIDOS Cálculo de las velocidades medias en cada sección (por cada uno de los diferentes métodos: 1 punto, 2 puntos, 3 puntos). Gráfico del diagrama de velocidades para cada una de las tres verticales de la sección transversal del canal y comparación de los perfiles de distribución de velocidad. Gráfico de la variación de velocidades a lo largo del ancho del canal (sección transversal) - distribución de velocidades en planta, para cada medida de velocidad tomada a una profundidad dada.
CONCLUSIONES
¿ Qué otros procedimientos exis ten para la obtención de las velocidades de flujo en canales? Medidores de flujo ultrasónicos : Dentro de un sistema que cuenta con conductos a presión, tales como redes de agua potable, plantas de tratamiento, redes de alcantarillado, etc., es de suma importancia el conocimiento del gasto que pasa por determinado tramo de tubería. Los sistemas ultrasónicos se presentan como una excelente alternativa de medición en los casos en que no sea posible el uso de sistemas y/o técnicas tradicionales de aforo, debido a las propiedades físico químicas del agua, características de la infraestructura o a necesidades técnicas de precisión y manejo de la información recabada. Los medidores acústicos de efecto Doppler miden la velocidad de las partículas, ya sean sólidos en suspensión o burbujas de aire, que se desplazan en un fluido en movimiento. Un transductor emisor emite señales acústicas de frecuencia conocida, que son reflejadas por las partículas en movimiento, y que son captadas por un transductor receptor.
Anemómetro de alambre caliente: Utiliza un alambre muy delgado alrededor de 12mm de diámetro, a través del cual pasa una corriente eléctrica, el alambre se suspende sobre dos apoyos y tiende a calentarse debido a la corriente que fluye a él, una variación de velocidad ocasiona un cambio de temperatura en el alambre cambiando la resistencia. La medición electrónica del cambio de la resistencia se relaciona con el cambio de velocidad del flujo.
Método del trazador Este método consiste en verter un colorante en el fluido y medir el tiempo que recorre en una distancia ya establecida.
Método de velocidad en la s uperficie La medición de la velocidad superficial del flujo se basa en poner un objeto en la superficie de un flujo y tomar el tiempo en que va a recorrer una determina distancia.
Como varia la velocidad a medida que el calado Y aumenta hasta llegar a la s uperficie libre. La velocidad varía en forma de una parábola esto se debe a que el efecto de la viscosidad es variable, y este aumenta a medida que el calado aumenta.
¿ Qué pasa con el es fuerzo cortante en el fondo del canal y que valor de veloci dad s e tiene? El esfuerzo cortante tiene un valor máximo en el fondo, dando como resultado una velocidad igual a cero en ese punto.
Del resultado de sus observaciones y consultas, sugiera algún método para la medición de velocidades. Podemos decir que de los métodos que hemos observado y consultado el más preciso es el uso del molinete o micromolinete, nos proporciona resultados más exactos, sin embargo se necesita del instrumento para la medición y en ocasiones no se cuenta con ningún instrumento, en ese caso es más fácil el uso de los métodos usados en la práctica anterior como por ejemplo el método de la velocidad en la superficie.
R ealice un es tudio comparativo de los tres perfiles obtenidos durante la experiencia tanto en planta como en perfil – conclusiones y recomendaciones. En los tres perfiles se puede observar que no se forman líneas rectas todas son parábolas y esto nos indica que el flujo está en forma de capas o laminar.
E s criba conclusi ones con respecto a la práctica realizada
La velocidad del flujo que está en contacto con cualquier superficie es aproximadamente la misma que la de la superficie en contacto. Mientras aumenta el calado va aumentar la velocidad lo que quiere decir que es directamente proporcional Para un cálculo de flujos pequeños el micromolinete es un método muy bueno y fácil de trabajar. La viscosidad es la que causa los esfuerzos cortantes en fluidos en movimiento y es uno de los medios mediante el cual se desarrollan pérdidas. Teóricamente asumir el valor igual a uno, solo ocurre en flujos turbulentos, generalmente en tramos pequeños de control de volumen, así que si se pueden despreciar las pérdidas ya que no son significativas con respecto a los demás valores.
RECOMENDACIONES: Al armar el micromolinete verificar que estén bien ubicados las piezas para evitar que el
flujo lo desarme. Tener cuidado con la hélice del micromolinete ya que no es tan resistente. Evitar colocar el micromolinete muy cerca de las paredes del canal para evitar que las hélices lo golpeen. El flujo del canal tiene que estar uniforme para poder trabajar.
BIBLIOGRAFÍA VENNARD-STREET, Elementos de Mecánica de Fluidos, Tercera Edición. WYLE – STREETER, Mecánica de Fluidos, Octava Edición. SOTELO AVILA, Fundamentos de Hidráulica General, Vol CONSULTA AMPLIADA:
E xi s ten varios métodos para calcular la velocidad de un flujo entre alg unos tenemos los s ig uientes: a) Con molinete o cronómetro: Se coloca al molinete en un punto donde la corriente tiene una velocidad (V). La longitud (S) es el recorrido de una partícula fluida moviéndose a lo largo del contorno completo de la línea que determina una vuelta de la hélice del molinete. Para esto se supone que el agua se encuentra en reposo y el
molinete procede a desplazarse a través de la misma con velocidad (v); para un desplazamiento (S) la hélice también dará la vuelta. Para un movimiento uniforme: = ⁄ Luego: = ⁄ Donde: N=número de rotaciones de la superficie (S) Al existir roces en el aparato mecánico se necesita emplear un coeficiente de corrección (b). Entonces tenemos lo siguiente: =∗ Donde: n: es la frecuencia de giro = Se tiene:
=∗ La ecuación del aparato se transforma en:
=+(∗) Donde: V: velocidad de la corriente (m/s) n:número de revoluciones de la hélice (rad/s) a:constante de paso hidráulico (m) b:constante que considera la inercia y la mínima velocidad para que la hélice se mueva (m/s) b) Método por sensor de flujo Es diseñado para para usos especifico de canales abiertos, ahí se pueden presentar algunos materiales solidos suspendidos en el agua, pero esto no es inconveniente para este método ya que es un instrumento de altísima precisión.
Este sensor se basa en la ley de Faraday, la cual establece que un líquido eléctricamente conductor al atravesar las líneas de fuerza magnéticas generadas en un campo magnético, produce una fuerza electromotriz c) Método de flotador El flotador es un elemento natural o artificial que esté en condiciones de flotar, y ser arrastrado por las aguas ya sea parcial o totalmente sumergido en ella. Éste método por lo general se utiliza en ríos rectos, para este método se utiliza por lo menos unos 30 metros de distancia y tiene que estar varios flotadores en varios puntos para que haiga precisión en los resultados obtenidos.
WEB-grafía: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/4165/1/CD-3870.pdf https://es.scribd.com/doc/105255484/MEDICION-DE-CAUDALES-AFOROS http://www.ecured.cu/Fluido_newtoniano
