Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Civil Hidráulica de Canales Ing. Luis Sandoval
Aforo con Canal Parshall
Luis Martin de León Osorio
2006-11432
Jhimirsonn Ovidio López Vásquez
2010-25393
Jose Pablo Yantuche Padilla
2015-03610
Diego Andrés de León Robledo
2015-13745
Guatemala, 10 de Noviembre de 2017 1
Tabla de Contenidos
Introducción Introducción................................................. ........................................................................... .................................................... .................................. ........ 3 Objetivos Objetivos ................................................. ........................................................................... .................................................... ...................................... ............ 4 Marco Teórico ................................................. ........................................................................... .................................................... .............................. .... 5 Canal Parshall ............................................. ....................................................................... .................................................... .................................. ........ 5 Partes del Canal Parshall .............................................. ........................................................................ ...................................... ............ 5 Clasificación Clasificación ................................................ .......................................................................... .................................................... .................................. ........ 7 Tipos de Medidores Medidores ......................................... ................................................................... ................................................... .............................. ..... 8 Descarga Descarga Libre ................................................ .......................................................................... .................................................... .......................... 8 Canal Ahogado ................................................ .......................................................................... .................................................... .......................... 9 Dimensiones Dimensiones de los medidores Parshall ................................................................. ................................................................. 9 Estimación Estimación del Caudal para descarga descarga Libre ................................................... .......................................................... ....... 13 Estimación Estimación del Caudal para descarga descarga Ahogada............................ Ahogada.................................................... ........................ 13 Requerimientos Requerimientos de instalación instalación Física ................................................ .................................................................... .................... 14 1.
Velocidad Velocidad de llegada de la corriente .................................... ........................................................ .................... 14
2.
Características del d el flujo del canal y necesidades operacionales ope racionales .............. ....... ....... 14
3.
Erosión y Seguridad ................................................. ........................................................................... ................................ ...... 14
4.
Tramo recto mínimo antes del medidor................................................. .................................................... ... 15
Especificaciones Especificaciones de Instalación Instalación................................................. ........................................................................... ............................ .. 16 Prueba de precisión y calibración calibración.................................................. .......................................................................... ........................ 16 Verificación Verificación de Funcionamiento Funcionamiento................................................. ......................................................................... ........................ 16 Verificación Verificación de la escala ................................... ............................................................ ................................................. ........................ 17 Mantenimiento Mantenimiento Básico .......................................................... .................................................................................... ................................. ....... 18 Ventajas y desventajas desventajas ................................................ ......................................................................... ......................................... ................ 18 Elaboración Elaboración de los canales de aforo Parshall............................................. Parshall........................................................ ........... 19 Cálculos .................................................. ............................................................................ .................................................... .................................... .......... 22 Conclusiones Conclusiones................................................... ............................................................................. .................................................... ............................ .. 26 Bibliografía Bibliografía .................................................. ............................................................................ .................................................... ................................ ...... 27
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Introducción
Hoy día, existen distintos métodos de obtener el caudal en canales abiertos, uno de estos es el llamado Canal de Parshall o Aforador de Parshall, el cual puede ser fabricado con diversos tipos de material y diversos tamaños dependiendo de en donde quiera aplicarse este tipo de medidor, por la importancia que tiene un canal Parshall dentro de la Hidráulica, es importante conocer cuáles son los requerimientos mínimos para su elaboración, dimensiones y clasificación.
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Objetivos
Objetivo General
Conocer y entender el mecanismo de funcionamiento del canal de Parshall como estructura hidráulica.
Objetivos Específicos.
Analizar y observar el funcionamiento de la canaleta Parshall Aprender sobre la importancia de la implementación de un canal Parshall. Determinar la estructura necesaria de un canal de Parshall para la fluidez de un caudal.
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Marco Teórico Canal Parshall
Conocido también como aforador Parshall o medidor Parshall, llamado así en honor al Ingeniero Estadounidense Ralph L. Parshall quien desarrollo el diseño, quien perteneció al Servicio de irrigación del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos. Técnicamente un canal Parshall está basado en el efecto de Venturi y es de tipo onda estacionaria o aforador de profundidad critica, esta estructura hidráulica permite determinar el caudal de agua que pasa por una sección de canal determinada.
Partes del Canal Parshall
Consta de cuatro partes principales que son: 1. 2. 3. 4.
Transición de entrada Sección Convergente Garganta Sección Divergente
Figura No. 1 Partes del Canal Parshall
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Figura No. 2 Sección transversal del canal Parshall En la transición de entrada, el piso se eleva sobre el fondo original del canal, con una pendiente suave hasta comenzar la sección convergente con paredes que se van cerrando ya sea en línea recta o circular, debido a que el canal Parshall es una reducción de la sección del canal, obliga al agua a elevarse o a remansarse para luego volver a descender hasta el nivel inicial sin el aforador. En este proceso se presenta una aceleración del flujo que permite establecer una relación matemática entre la altura de carga o elevación que alcanza el agua y el caudal que circula a través del dispositivo.
Para medidores menores a 1 pie o 30 cm (ancho de garganta) R = 0.41 m Para medidores de 1 a 3 pies, R = 0.51 m Para medidores de 4 a 8 pies, R = 0.61 m
En la sección convergente, el fondo es horizontal y el ancho va disminuyendo Según sea el tipo de canal Parshall, en el caso de un canal Ahogado la sección de Garganta el piso baja con una pendiente determinada y sube nuevamente con una pendiente distinta hasta llegar a la sección Divergente, mientras que una de descarga libre simplemente la garganta baja con una pendiente determinada hasta llegar al nivel de la sección Divergente. Junto a la estructura del canal se tienen dos pozos laterales o tanques con la misma profundidad, o mayor, que la parte as baja del aforador. El agua que escurre por el aforador pasa a estos tanques por medio de unas perforaciones colocadas en la pared de la sección convergente y en la garganta, En estos puntos se mide el tirante de agua con una regla o se instala junto a la pared una escala para lecturas. También se puede colocar una boya adherida a una varilla metálica que indique la altura o sirva como transmisión de un sistema eléctrico a distancia, existen también aforadores sin estos pozos simplemente se lee e nivel con una escala graduada colocadas en los mismos puntos como si tuviera pozos.
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Figura No. 3 Tanques de Reposo
Clasificación
Los aforadores se clasifican en forma general según el ancho de la garganta de la siguiente manera Tamaño
Ancho de la garganta
Capacidad
Muy pequeño
1,2 y 3 pulgadas
0.9 a 32 pulgadas
Pequeño
6 pulgadas a 8 pies
1.5lps a 3.95 m3/s
Grande
10 a 50 pies
0.16 a 93 m/s
Tabla No. 1 Tamaños de Aforadores
Los tamaños pequeños pueden ser portátiles y fabricados de hierro, lámina galvanizada, fibra de vidrio o madera para instalaciones permanentes y para los tamaños grandes el concreto es el material más común.
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Tabla No. 2 Rango de Caudales de operación en ca nales Parshall
Los pozos laterales de medición pueden ser de sección circular con un diámetro igual a: D = W + 0.15 (m)
Tipos de Medidores Descarga Libre
En este tipo de medidor la descarga es libre como en los vertedores y la medición siempre debe efectuarse en la sección a 2/3 del inicio del estrangulamiento.
Figura No. 4 Planta y Sección transversal de Canal Parshall Libre
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Canal Ahogado
En este medidor el nivel del líquido aguas abajo tiene influencia sobre el flujo medidor, según se puede observar en la figura No.6
Figura No. 5 Planta y Sección transversal Canal Parshall ahogado
Dimensiones de los medidores Parshall
Los medidores menos empleados son los de 1 pulg (2.54 cm) de ancho de
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garganta y el mayor construido hasta hoy mide 50 pies (15.24 m) y tiene una capacidad para 85,000 l/s. Figura No. 6 Dimensiones de canal Parshall en Planta y Elevación
Tabla No. 3
Dimensiones Típicas de medidores Parshall
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Por medio de muchos experimentos en los que se colocaron diferentes tamaños de aforadores y se midió el caudal y la profundidad (a la que también puede Llamársele elevación. Nivel, tirante o carga] se observó que todos los aforadores tienen un comportamiento similar en la relación tirante contra gasto, para condiciones de descarga libre es decir, todos se pueden representar matemáticamente con la siguiente ecuación. = ( )
(1)
Donde Q= Caudal = Profundidad del agua en una ubicación determinada del aforador K y n = Valores diferentes para cada tamaño de aforador En función del tamaño del canal las unidades pueden ser l/s o m^3/s para el caudal y la profundidad en mm o m.
Tabla No. 4 Valores de exponente n y coeficiente K
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En la tabla 5 se puede ver los caudales ya calculados para los medidores Parshall de dimensiones más utilizadas.
Tabla No. 5 Caudales en medidores Parshall en l/s
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Estimación del Caudal para descarga Libre
En función del ancho de la garganta W, la ecuación (1) adopta los valores que se indican en la Tabla 4. Estimación del Caudal para descarga Ahogada
Para definir este valor es necesario definir la Sumergencia, que no es más que el cociente del valor Hb entre Ha indicadas en la figura 6, se denota con la letra S y la ecuación queda de la siguiente manera: =
(2)
Importante Ha y Hb se miden a partir de la cresta. La Sumergencia permitida para cada tipo de aforador, se presenta en la siguiente tabla;
Tabla No. 6 Valores permitidos de Sumergencia en los aforadores
Cuando se tiene una Sumergencia mayor se dice que el vertedor trabaja ahogado o que presenta descarga sumergida, en este caso será necesario corregir el caudal calculado con la ecuación (1) o con la tabla 4, cuando el valor de Sumergencia se rebasa, el caudal en el aforador sufre una disminución, para este caso el caudal se puede calcular con la siguiente ecuación: = − (3)
Donde: Qs=Caudal en el aforador bajo condiciones de Sumergencia mayor a la permitida (tabla 6) Q= caudal calculado con la ecuación (1) o tabla 4 (Sin Sumergencia) Qe= Caudal de corrección. 13
Requerimientos de instalación Física
1. Velocidad de llegada de la corriente
Las velocidades menores a 0.30m/s facilitan el crecimiento de maleza, los insectos y el azolve, por lo tanto la velocidad de llegada debe ser mayor a dicho valor. Se recomienda verificar la velocidad de llegada antes de construir un canal Parshall, por lo menos es conveniente realizar una inspección visual para evitar las corrientes inestables. 2. Características del flujo del canal y necesidades operacionales
Para contar con mediciones precisas, el sitio de ubicación del canal debe permitir grandes pérdidas de carga para absorber el remanso y así poder utilizar una relación única de tirante y caudal. Esta relación asegura que los límites de Sumergencia no se han excedido o por lo menos, que no se tenga una Sumergencia excesiva. Para el diseño del canal es necesario saber si el sitio de ubicación del medidor está influenciado por la operación de compuertas sobre el canal o sobre los canales laterales. La elevación del agua puede variar ante la presencia de azolve o por las operaciones propias del canal; esto debe tomarse en cuenta para los mismos fines de mantener la Sumergencia dentro de los límites adecuados. Después de seleccionar la localización tentativa para el canal Parshall, se debe conocer el mínimo y máximo caudal que circula por el canal y las profundidades correspondientes, la velocidad Máxima y las dimensiones del canal en el sitio. Estas medidas deben incluir: ancho del canal, taludes, profundidades y la altura de los bordos por aguas arriba con especial atención a su capacidad de contener el incremento de nivel causado por la instalación del aforador. 3. Erosión y Seguridad
Idealmente el tramo seleccionado del canal debe ser estable, en algunos tramos del canal la sedimentación ocurre durante la época de estiaje. La sedimentación puede cambiar la velocidad del acercamiento o puede incluso enterrar la estructura y la erosión puede socavar el cimiento
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Debe revisarse el estancamiento del agua antes del aforador, un estancamiento excesivo comúnmente provoca sedimentación debido a la reducción en las velocidades de llegada. 4. Tramo recto mínimo antes del medidor
Una de las principales restricciones que debe tener un sitio donde se va a colocar el medidor es la uniformidad de la corriente. Esto significa que antes del medidor se debe tener un tramo recto y sin obstáculos de una longitud mínima. Los obstáculos pueden ser inclusive, bancos de arena o de grava asentados en el fondo del canal como producto del azolve. Por lo menos se debe tener un tramo recto de diez veces el ancho del fondo del canal. El fondo del canal es diferente para cada tipo de sección transversal. Si el canal es rectangular, el fondo será igual al ancho de la superficie del agua, si es irregular el fondo será, aproximadamente, la parte más horizontal del fondo.
Figura No. 7 Tramo recto mínimo
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Especificaciones de Instalación
La Localización apropiada del aforador es importante desde el punto de vista de la exactitud y de la comodidad de uso. Por ello es conveniente que se ubique cerca del punto de distribución y cerca de las compuertas de regulación usadas para controlar la descarga. Los aforadores deben ser fácilmente accesibles en vehículo para propósitos de instalación y mantenimiento, en general la corriente antes del aforador debe estar tranquila, es decir, el tramo recto debe ser largo, la pendiente del fondo suave, sin curvas ni oleaje. Comúnmente los aforadores Parshall, y en general cualquier aforador, colocados en canales sin revestir tienden a sufrir asentamientos después de largos periodos de operación, en estos casos la nivelación del fondo en la entrada puede alterarse, por lo que es necesaria una revisión y re nivelación en caso necesario, después de algunos meses de operación y al final del ciclo agrícola. El asentamiento o una inapropiada instalación pueden causar inclinación de las paredes, si el aforador llegara a inclinarse un poco, la lectura del nivel del agua debe leerse en ambas paredes y utilizar el promedio para estimar el caudal.
Prueba de precisión y calibración
Para revisar el buen funcionamiento de un aforador Parshall, se deben tener en cuenta varios aspectos, primeramente debe decirse que en ningún caso se deben comparar las mediciones con otro método. Verificación de Funcionamiento
Cuando se quiera verificar el buen funcionamiento de un aforador se propone lo siguiente: a) Se deben medir todas las partes del medidor identificando el ancho de la garganta, sin importar si el medidor es prefabricado o construido en sitio. b) Una vez identificado el ancho se debe verificar sus dimensiones para ver si cumplen con las dadas en la tabla 3. c) Si se tienen diferencias en las medidas estas no deben ser significativas especialmente para aforadores pequeños.
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d) Es muy importante revisar que las escalas tengan su “cero” conicidiendo con el nivel de la parte horizontal del aforador (Cresta), esto se debe hacer con una cinta directa en campo
Verificación de la escala
Cuando se tiene un aforador sin pozo de lectura, se debe verificar que la escala está correctamente colocada y que la graduación sea correcta. Para llevar a cabo esta revisión, simplemente se debe revisar que el cero de la escala coincida con el nivel de la cresta, la graduación de la escala se puede verificar colocando una regla graduada, de buena calidad, junto a la escala.
Figura No. 8 Revisión de escala en aforadores son pozo de lectura
Cuando se tiene la lectura de los niveles Ha y Hb en pozos de lectura, es muy importante que el cero de la escala coincida con el nivel de la parte horizontal del aforador, es decir con la cresta. Para realizar esta revisión se debe observar primeramente que el fondo del pozo de lectura este ligeramente más abajo, o a lo más, el mismo nivel, el fondo del pozo de lectura nunca debe estar por encima de la cresta, además, el conducto q comunica al aforador con el pozo 17
de lectura no debe estas más arriba que la lectura mínima del aforador, en función del ancho, la altura correcta se especifica en la tabla 3. Mantenimiento Básico
Una vez que el aforador ha sido propiamente instalado, se requiere un mantenimiento periódico para que opere satisfactoriamente, normalmente en este tipo de estructuras crece algún tipo de maleza en las paredes y el azolve suele acumularse en el fondo, particularmente en la entrada del aforador, por lo que es recomendable limpiar esta parte. En los aforadores de metal es normal que se tenga presencia de óxido que también debe removerse con un cepillo metálico. Para evitar la maleza y el óxido es conveniente pintar el aforador con pintura asfáltica, lo que aumentara la vida útil del dispositivo, el asentamiento de aforadores suele ocurrir más comúnmente cerca de la salida debido a la acción erosiva de la corriente de agua.
Ventajas y desventajas
a) Opera con pérdidas de carga relativamente bajas. b) Para un caudal dado, la perdida de carga es 75% más pequeña que para otros medidores, bajo las mismas condiciones de descarga libre. c) El aforador es poco sensible a la velocidad de llegada. d) Se logran buenas mediciones sin Sumergencia o inclusive con Sumergencia moderada. e) Apropiadamente construido mantiene una precisión de para descarga libre y bajo condiciones de Sumergencia considerable. f) La velocidad del flujo en el interior del aforador es lo suficientemente alta para evitar azolve. g) Es difícil alterar la medición. h) Es menos caro que el aforador de garganta larga para la misma capacidad. i) Es factible la colocación de un sensor de nivel y un totalizador en los pozos de lectura, para conocer los volúmenes escurridos. Su principal desventaja es que se debe construir de acuerdo a medidas estandarizadas, lo cual dificulta y encarece su construcción, además no puede combinarse con estructuras de derivación o control, aunque esta última desventaja ocurre para todos los aforadores.
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Elaboración de los canales de aforo Parshall
Para fabricarlos canales de aforo Parshall se han utilizado muy diversos materiales. Se pueden prefabricar a partir de láminas de metal o madera o se pueden construir sobre el terreno con ladrillo y argamasa utilizando un armazón de metal prefabricado para garantizar mediciones exactas .Si hacen falta varios aforadores, se pueden moldear en hormigón empleando tableros reutilizables. Se pueden tomar medidas eventuales de la profundidad del caudal a partir de un puesto de aforo establecido en el muro del canal o, si se requieren registros constantes, es posible instalaren una poza de amortiguación colocada en una situación específica un registrador de flotante.
Figura No. 9 Aforador en construcción
Figura No. 10 Punto de Control
Como se ha mencionado con anterioridad debe colocarse en un tramo recto y uniforme. 19
Figura No. 11 Medición de los tramos
Debe cumplir con las dimensiones especificadas en la tabla 3.
Figura No. 12 Colocación de reglas graduadas para medida de Ha.
La profundidad de Ha debe medirse a una distancia de 2/3 desde la garganta.
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Figura No. 13 Nivelación de muros y canaleta
La canaleta debe estar nivelada y sus paredes laterales deben ser completamente verticales y lisas.
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Cálculos
Para la obtención de la ecuación del canal Parshall utilizado en clase, primero se graficaron los Caudales Real y Teórico. Para obtener el factor de corrección: Gráfica 1. Caudal Real vs Caudal Teórico
Grafica Q real vs Q teórico
14.00 12.00 10.00 l a e r
Q
Qcorregido= 1.1361*Qteorico R² = 0.9995
8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
Q teorico
Fuente: Elaboración Propia
Una vez esto, se determina que el factor de corrección es 1.1361. Y la ecuación del Caudal corregido queda de la siguiente manera: Qcorregido=1.1361*Q Teórico (4) También se determinó el porcentaje de error que tiene el corregido con el real, quedando de la siguiente manera: Tabla 7. Caudal Corregido No. 1
H (cm) 6.60
Q corregido (lt/s) 2.98
% error
2
8.00
4.02
0.05
3
9.60
5.33
0.03
4
11.90
7.43
0.02
5
14.00
9.55
0.01
6
16.40
12.20
0.03
0.13
22
7
15.60
11.29
0.02
8
14.30
9.87
0.02
Fuente: Elaboración Propia
Luego, se determinaron los valores K y n de la ecuación. Para esto se realizó un gráfico de Log (Q) vs Log (H): Tabla 8. Logaritmos Log (Q real)
Log (H)
0.4206
0.8195
0.5840
0.9031
0.7138
0.9823
0.8636
1.0755
0.9736
1.1461
1.0756
1.2148
1.0434
1.1931
0.9842
1.1553
Fuente: Elaboración Propia
Gráfica 2. Logaritmos
Logaritmos 00,001 y = 1.6341x - 0.9019 R² = 0.9984
00,001 ) l 00,001 a e r Q00,001 ( g o L 00,000
00,000 00,000 00,000
00,000
00,000
00,001
00,001
00,001
00,001
00,001
Log (H)
Fuente: Elaboración Propia
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De la gráfica 2 se obtuvo una ecuación de la forma Y=mx+b, donde el valor de la pendiente (x) es directamente el valor n, y el valor del intercepto con el eje Y (b) corresponde a: b=Log(k). De esta manera: n= 1.6341 K = Log-1 (-0.9019) = 0.1254 Una vez que se obtienen dichos valores, se sustituyen y se determina la ecuación del canal Parshall utilizado. Dicha ecuación es: Q=0.1254H 1.6341 (5) Para comprobar que dicha ecuación es correcta, se realizó el gráfico de Caudal Real vs Altura. Al trazar la línea de tendencia de este gráfico de forma potencial, la ecuación obtenida debe ser igual a la ecuación (5). Gráfica 3. Caudal Real vs Altura
Grafico Qreal vs Altura 14.00
y = 0.1254x1.6341 R² = 0.9984
12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
Fuente: Elaboración Propia
Nótese que la ecuación de la gráfica 3 es idéntica a la ecuación (5), de esta manera se comprueba que la ecuación determinada es la adecuada.
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Una vez que se tiene la ecuación del canal Parshall, se determina el Caudal Generado por cada altura con dicha ecuación. Y se hace una comparación con el Caudal real mediante un porcentaje de error. Tabla 9. Resultados obtenidos No. H (cm) Volumen (lt) Tiempo (s) Q real (lt/s) Qteorico (lt/s) Q corregido (lt/s) % error Q generado (lt/s) %error 1
6.60
264.34
100.37
2.63
2.63
2.98
0.13
2.74
0.04
2
8.00
270.77
70.56
3.84
3.54
4.02
0.05
3.75
0.02
3
9.60
295.86
57.19
5.17
4.69
5.33
0.03
5.05
0.02
4
11.90
313.87
42.97
7.30
6.54
7.43
0.02
7.18
0.02
5
14.00
332.68
35.35
9.41
8.41
9.55
0.01
9.36
0.01
8
16.40
343.56
28.87
11.90
10.74
12.20
0.03
12.12
0.02
7
15.60
350.84
31.75
11.05
9.94
11.29
0.02
11.17
0.01
6
14.30
372.73
38.65
9.64
8.69
9.87
0.02
9.69
0.00
Fuente: Elaboración Propia
Gráfica 4. Comparación de los distintos Caudales obtenidos
Comparación de Q real, Q corregido y Q generado 18.00 16.00 14.00 12.00
) m c10.00 ( a r u t 8.00 l A
Q observado Q corregido cd*Qteorico
6.00
Q generado
4.00 2.00 0.00 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
Caudal (l/s)
Fuente: Elaboración Propia
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Conclusiones
El aforador Parshall es un aparato que se basa en la perdida de altura de nivel del agua producida por el paso forzado de un caudal a través de un estrechamiento inclinado. La entrada de paredes convergentes, y la salida, de paredes divergentes, están separadas por una garganta de paredes paralelas y con el piso inclinado. Su usas aforadores escalonados para medir diferentes caudales de agua. Las principales ventajas de un aforador de parshall son que solo existen una pequeña pérdida de carga a través del aforador, que deja pasar fácilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso. En consecuencia, es adecuado para la medición del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave. Las desventajas que posee este tipo de medidor son: que son más caros debido a la fabricación requerida y la fabricación e instalación debe realizarse con precisión para que funciones como se debe. Con la construcción de estos aforadores se lograra una mejor distribución del agua, y se podrá distinguir las aguas provenientes de los diferentes sistemas de riego.
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Bibliografía
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Lux Monroy, M.A. – Medidores de Flujo en canales abiertos- Universidad de San Carlos –Tesis- 2010.
Pedroza G. E –Serie Autodidactica de Medición “Canal Parshall” – Instituto Mexicano de Tecnología del Agua IMTA – México 2001
Villón, Máximo. Hidráulica de canales. Costa Rica: Tecnológica de Costa Rica, 1995. 487 pp.
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