“Año Internacional del Turismo Sostenible para el Desarrollo”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Facultad de Ingeniería Escuela Académica - Profesional de Ingeniería Mecánica
TEMA: CANALES ABIERTOS
Docente: GUAYAN HUACCHA ELI
Alumno: LOZANO SILVA WILSON
X Ciclo
TRUJILLO – PERÚ 2017
CENTRALES DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
ING. MECÁNICA - UNT
INDICE ANALITICO CANALES ABIERTOS................................................................................. 3
1.
INTRODUCCIÓN........................................................................................... 3 2.
CANAL DE CONDUCCION [1]....................................................................4
3.
PARÁMETROS HIDRÁULICOS DE UN CANAL [2].........................................5
4.
GEOMETRÍAS TÍPICAS DE LOS CANALES [3].............................................6 4.1.
SECCION RECTANGULAR....................................................................6
4.2.
SECCION TRAPECIAL..........................................................................6
4.3.
SECCION TRIANGULAR.......................................................................7
4.4.
SECCION CIRCULAR........................................................................... 7
4.5.
SECCION PARABOLICA........................................................................8
4.6.
SECCION RECTANGULAR CON ESQUINAS REDONDAS........................8
4.7.
SECCION TRIANGULAR CON FONDO REDONDO.................................9
5.
TIPOS DE CANALES.................................................................................. 9 5.1. CANALES NATURALES...........................................................................9 5.2.
CANALES ARTIFICIALES....................................................................10
6.
DISTRIBUCIÓN DE LA VELOCIDAD EN UN CANAL ABIERTO [4]................10
7.
DETERMINAR EL CANAL MÁS EFICIENTE [1 ]..........................................11
8.
EN LA PRACTICA, ¿QUÉ CANAL SE USA CON MAS FRECUENCIA? [1]......12
9.
APLICACIÓN REAL DEL CANAL................................................................14
10.
NUMERO DE REYNOLDS [5]................................................................15
11.
NUMERO DE FROUDE..........................................................................17
12.
RESALTO HIDRAULICO [5]...................................................................18
13.
ECUACION DE MANNIG [3]..................................................................19
14.
CONCLUSIONES................................................................................... 20
Bibliografía................................................................................................... 21
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1. CANALES ABIERTOS INTRODUCCIÓN
La importancia del estudio de los canales abiertos viene desde tiempos atrás, ya que el hombre necesitaba trasladar agua de un lugar a otro. Hoy en el Perú hay grandes canales que tienes diferentes aplicaciones (conducción de agua para centrales hidráulicas, conducción de agua para consumo, conducción de agua para riego, etc.) Mayormente su campo de estudio está en la ingeniería hidráulica, pero como Estudiantes de Ingeniería mecánica debemos de conoces los parámetros características para el diseño de estos sistemas. Actualmente en la Libertad se encuentra el proyecto especial chavimochic el cual cuenta con 3 etapas. En todas ellas la conducción de agua es mediante canales.
FIGURA N° 1: Fotografía tomada en la visita al canal de chavimochic
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2. CANAL DE CONDUCCION [1] El canal tiene una superficie libre que está en contacto con la atmosfera, en la tubería hay un flujo confinado [ver figura N° 2]. La diferencia entre un canal y una tubería no está, pues, en la forma de la sección transversal, sino en el comportamiento hidráulico. En los canales por lo general el flujo es agua, en cambio en las tuberías puede tratarse cualquier fluido (Líquido o gaseoso).
FIGURA N° 2: diferencia entre tubería y canal [1]
Figura N° 3: tubería y canal hecho en solidworks Fuente: elaboración Propia
4 3. PARÁMETROS HIDRÁULICOS DE UN CANAL [2]
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La geometría de un canal corresponde a la determinación de sus elementos geométricos que conforman la sección transversal del canal
Figura N°4: Elementos Geométricos del canal (Fuente: Villón M. 1995). Donde: y = tirante de agua: es la profundidad máxima del agua en el canal. b = ancho de solera, ancho de plantilla, o plantilla, es el ancho de la base de un canal. T = espejo de agua, es el ancho de la superficie libre del agua. C = ancho de corona. H = profundidad total del canal. H – y =BL= borde libre. θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal. Z = talud, es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes del canal). Es decir Z es el valor de la proyección 5 horizontal cuando la vertical es 1.
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4. GEOMETRÍAS TÍPICAS DE LOS CANALES [3] 4.1.
SECCION RECTANGULAR.
4.2.
SECCION TRAPECIAL
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4.3.
SECCION TRIANGULAR
4.4.
SECCION CIRCULAR
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4.5.
SECCION PARABOLICA
4.6.
SECCION RECTANGULAR CON ESQUINAS REDONDAS
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4.7.
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SECCION TRIANGULAR CON FONDO REDONDO.
5. TIPOS DE CANALES Los canales pueden ser fundamentalmente de dos tipos: Naturales y artificiales 5.1. CANALES NATURALES: son los ríos, torrentes, arroyos, etc. Tienen sección transversal irregular y variable y su estudio corresponde a la hidráulica fluvial. El fondo está constituido por partículas sólidas en movimiento (arenas, limos, piedras, etc) y se le denomina lecho móvil. Ver figura [5]
FIGURA N° 5: CANAL NATURAL Fuente: [5]
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5.2.
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CANALES ARTIFICIALES: los canales artificiales son construidos por el hombre. Tienen sección transversal regular, si su alineamiento es recto se denominan canales prismáticos.
FIGURA N° 6: CANAL ARTIFICIAL Fuente: [5]
6. DISTRIBUCIÓN DE LA VELOCIDAD EN UN CANAL ABIERTO [4] La velocidad en un canal no es constante ni la misma en cada punto de una sección del canal. La viscosidad, la rugosidad y la forma del canal, entre otros factores, afectan al flujo. En un canal trapecial, la velocidad sería como se muestra en el esquema siguiente:
10 FIGURA N 7°: distribución de velocidades en los diferentes tipos de canales canales [4]
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7. DETERMINAR EL CANAL MÁS EFICIENTE [1 ] Como se ha visto anteriormente hay muchas secciones transversales que satisfacen las ecuaciones de la velocidad media en movimiento uniforme. Como normalmente los datos son (
Q ,n,z ,S
) hay muchas combinaciones de las
incognitas b e y. Que satisfacen la fórmula de Manning. Se dice que una sección es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área. pendiente y calidad de paredes deja pasar un gasto máximo. o bien , es aquella que para el mismo gasto , pendiente y calidad de paredes tiene un área mínima. La sección de Máxima eficiencia hidráulica se puede interpretar a la luz de la fórmula de manning.
Como en un canal dado, el
Q , n ,, S son constantes:
La sección de máxima eficiencia hidráulica (MEH) es aquella que para la misma área tiene el perímetro mínimo. En consecuencia la sección de máxima eficiencia hidráulica es la semicircular.
11 FIGURA N 7°: Sección transversal del canal más eficiente hidráulicamente [1]
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Esto, basándose en la propiedad geométrica de ser el círculo, la figura que para la misma área tiene el perímetro mínimo. 8. EN LA PRACTICA, ¿QUÉ CANAL SE USA CON MAS FRECUENCIA? [1] En la práctica los más usados son lo de forma trapecial. Para obtener la sección de máxima eficiencia hidráulica se remplaza la de sección circular por la de forma trapecial.
Lo que nos interesa es la relación que debe haber entre b e y para que la sección sea de máxima eficiencia hidráulica. Llamaremos m a esta relación.
Mediante simple consideraciones geométricas se obtiene
De donde,
El perímetro es
Mediante transformaciones sucesivas se obtiene
12 Derivando P con respecto a m se obtiene.
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De donde
En una sección de máxima eficiencia hidráulica el radio hidráulico es.
Reemplazando el valor de m en la ecuación anterior, luego se simplificar.
Lo que demuestra que en una sección de máxima eficiencia hidráulica el radio hidráulico es igual a la mitad del tirante (sección trapecial)
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9. APLICACIÓN REAL DEL CANAL Para la aplicación real del canal realicé una visita al canal del proyecto CHAVIMOCHIC.
10. NUMERO DE REYNOLDS [5] Como
el flujo en tuberías, el flujo en un canal abierto
puede
ser
laminar, de Transición
turbulento, esto depende del valor del número de Reynolds expresado Como:
o
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LAMINAR: Transición
ℜ≤500
500< ℜ<2500
Turbulento
ℜ≥ 2500
Según Cengel , el número de Reynolds asociado con el flujo del agua en canales abiertos es usualmente mayor de 50 000, así que el flujo es casi siempre turbulento.
Aquí V es la velocidad promedio del líquido, n es la viscosidad cinemática y Rh es el radio hidráulico definido como la razón entre el área de la sección transversal del flujo Ac y el perímetro mojado p:
Si se considera que con frecuencia los canales abiertos vienen con secciones transversales irregulares, el radio hidráulico sirve como la longitud característica y da uniformidad al tratamiento de canales abiertos. También, el número de Reynolds es constante para toda la sección del flujo uniforme de un canal abierto. Puede suponerse que los radios hidráulicos podrían definirse como la mitad de los diámetros hidráulicos, pero éste no es el caso por desgracia. Como se recuerda, el diámetro Dh, para un flujo en una tubería se define como Dh = 4 Ac /p, así que el diámetro hidráulico es simplemente el diámetro de tubería en caso de tuberías circulares. Sin embargo, la relación entre radio hidráulico y diámetro hidráulico se vuelve:
Note que el perímetro mojado incluye los lados y el fondo del canal que están en contacto con el líquido, esto no incluye la superficie libre y las partes de los lados expuestas al aire. Por ejemplo, el perímetro mojado y el área de flujo de sección transversal de un canal rectangular de altura h y de anchura b conteniendo agua de una profundidad y son p =b +2y y Ac = yb, respectivamente, Entonces:
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FIGURA N 8°: Relaciones de radios hidráulicos para varias geometrías de canal abierto.[2]
11. NUMERO DE FROUDE El flujo en canal abierto se clasifica como subcrítico o tranquilo, crítico, y supercrítico
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O rápido, esto depende del valor del número de Froude adimensional como:
y se define
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Fr=
numero de froude:
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V V = √ g∗Lc √ g∗ y
Donde: g: la aceleración gravitacional V: es la velocidad promedio del líquido en la sección transversal. Lc: es la longitud característica, la cual se toma como la profundidad del flujo y para canales rectangulares anchos.
El número de Froude es un parámetro importante que gobierna el tipo del flujo en canales abiertos. El flujo se clasifica como:
Fr<1
FLUJO SUBCRITICO O TRANQUILO
Fr=1 : FLUJO CRÍTICO Fr<1 : FLUJO SUPERCRITICO O RAPIDO
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12. RESALTO HIDRAULICO [5] El resalto hidráulico es el fenómeno que se genera cuando una corriente supercrítica, es decir, rápida y poco profunda, cambia súbitamente a subcrítica, esto es, se vuelve una corriente lenta y profunda. Este fenómeno es de central importancia en la Hidráulica de Canales, por lo cual se trata aquí con suficiente amplitud. El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad y pasa a una zona de baja velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico. El cambio rápido de profundidad de flujo de un nivel bajo a uno alto como resultado una subida abrupta de la superficie del agua.
Figura: Resalto hidráulico interpretado con curvas de energía y fuerza específica. [5] Ocurre con frecuencia en un canal por debajo de una compuerta deslizante de regulación, en la parte aguas debajo de un vertedor o donde un canal con pendiente alta se vuelve casi horizontal de manera súbita. Las profundidades inicial y1 y secuente y2 son las profundidades reales antes y después del resalto en el cual ocurre una pérdida de energía ΔE. La energía específica E1 correspondiente a la profundidad inicial y1 es mayor que la energía específica E2 correspondiente a la profundidad secuente y2 en una cantidad igual a la pérdida de energía ΔE.
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Si no existieran pérdidas de energía, las profundidades iniciales y secuente se volverían idénticas a las profundidades alternas en un canal prismático
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13. ECUACION DE MANNIG [3] En 1899 el ingeniero irlandés Roberto Manning, quien mide la constante “C” y le confiere el siguiente valor:
Si el valor anterior se sustituye en la ecuación de Chezy se obtiene lo siguiente
Realizando operaciones algebraicas resulta
V: Velocidad media en la sección transversal del conducto N: Coeficiente de rugosidad que depende de la superficie del conducto R: radio hidráulico de la sección transversal del canal. S: pendiente de la plantilla del canal
19 Debajo se muestra la ecuación de Manning para obtener el gasto.
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A y R son características de la sección y n depende del material y de la superficie del canal. Factor de sección para cálculo de flujo uniforme se define como:
Tablas para el valor del coeficiente e rugosidad (n) en canales
14. CONCLUSIONES. Se logró encontrara mucha información sobre lo solicitado por el docente. Se logró ir a una visita al canal abierto para realizar unas medidas. 20 Se aprendió la teoría sobre canales abiertos, formula de mannig y todos los parámetros que influyen en el tema de canales abiertos
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Bibliografía [1]: Arturo Rocha Felices, “Hidráulica de tuberías y canales abiertos” universidad nacional de ingeniería. [2]. Espir Nureña Jan “Evaluación de fenómenos hidráulicos en el canal chaquin del sistema de riego del valle de viru primer tramo”, tesis para optar el título profesional de ingeniero civil, trujillo, abril del 2015 [ 3 ] Eric. A. Carmona Gonzales, “Hidráulica de canales abiertos”, tesis para optar el título de ingeniero civil, instituto politécnico nacional, México 2009.
[4]. Dr. Juan Arcadio Saiz Hernández “Canales abiertos”, universidad de sonora, méxico, septiembre de 2012. [5]. Yunun Cengel y Jhon Cimbala “Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones “ Primera Edicion.Mc Gram Hill.
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