Guìa aforo Laboratorio
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UNIVERSIDAD DEL VALLE, Laboratorio de Fluidos e Hidrulica (LFeH) Edificio 360, telfono +57 (2) 3212100 Ext. 2453 1
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERA
LABORATORIO DE FLUIDOS E HIDRULICA
Prctica 11
TCNICAS DE AFOROS LQUIDOS
1. Objetivos
1.1 Objetivo general
Comparar cualitativa y cuantitativamente cinco
de los mtodos de aforos lquidos existentes.
1.2 Objetivos especficos
Conocer las metodologas ms usadas para aforos lquidos.
Establecer las diferencias de estimacin entre los mtodos utilizados.
Calcular los caudales y compararlos con un instrumento patrn que mide el caudal de la
instalacin experimental empleada.
2. Conceptos fundamentales
Hidrometra
La hidrometra es la parte de la hidrologa que se
encarga de tomar y proveer datos relacionados
con la distribucin espacial y temporal del agua
sobre la tierra. Esta informacin es un insumo
fundamental para proyectos de planeamiento y
manejo de los recursos hdricos, para los cuales es
de vital importancia conocer las variaciones
hidrulicas (caudales, niveles, velocidades, etc.)
de cada una de las corrientes y cuerpos de agua.
La calidad de los anlisis hidrolgicos depende de
la calidad de los datos obtenidos por medio de los
procedimientos de medicin llevados a cabo en
las estaciones hidromtricas y de su
procesamiento inicial. Por lo tanto, es necesario
normalizar estos procedimientos con el propsito
de minimizar los errores que puedan presentarse.
Mtodos de aforos lquidos
Los tipos de procedimientos de aforos lquidos
ms comunes son: (i) Aforo por molinete (por
vadeo o suspensin), (ii) Aforo con flotadores,
(iii) Aforo con estructuras de control de flujo
(Vertederos, canaletas, orificios, etc). Cada uno
de los anteriores mtodos de aforo tiene su forma
particular de calcular el caudal a partir de
formulaciones hidrulicas.
Aforo por molinete
El molinete es un instrumento que tiene una
hlice o rueda de cazoletas, que gira al
introducirla en una corriente de agua (Figura 1).
El de tipo de taza cnica gira sobre un eje vertical
y el de tipo hlice gira sobre un eje horizontal. En
ambos casos la velocidad de rotacin es
proporcional a la velocidad de la corriente; se
cuenta el nmero de revoluciones en un tiempo
dado. La ecuacin general para un molinete es:
= +
Donde:
n = Nmero de revoluciones por segundo
k y c = Constantes caractersticas del molinete
Para el molinete disponible se tienen las
siguientes ecuaciones de calibracin:
n < 0.45 = 0.2311 + 0.0136 0.45 < n < 3.81 = 0.2533 + 0.0036
n > 3.81 = 0.2595 + 0.0200
Para 0.034 < V < 6.000 [m/s]
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Para estimar el caudal entonces es:
Q = V A
Donde:
A = rea transversal en el punto de medicin
[m2].
Figura 1. Molinete
Aforo con flotadores
Se debe establecer una seccin de flujo y lanzar el
flotador a una distancia tal que alcance una
velocidad constante. El valor estimado de la
velocidad se afecta por un coeficiente que va de
0.84 -1. Cuya expresin es:
Q = A x/t
Donde:
A = rea transversal en el punto de medicin.
x = Distancia hasta la seccin de medicin
t = Tiempo transcurrido para la distancia x
Aforo con estructuras de control de flujo
Es propicio para corrientes pequeas de
considerable demanda hdrica. Generalmente, los
instrumentos ms usados son las canaletas
Parshall, RBC, aforadores Utah, los vertederos de
cresta delgada y ancha. Estos aforadores tienen en
comn que la curva de calibracin obedece a la
forma:
Q = K H n
Donde H es la carga en una seccin de control
antes de las condiciones de flujo impuestas por el
aforador, n el coef 1.522- 1.6 y K que depende de
las condiciones de contraccin del flujo.
Para el aforo con los vertederos se deben tener en
cuenta las recomendaciones: (i) la cresta o umbral
de los vertederos debe ser horizontal y de espesor
constante. Para el caso de canaletas se debe
garantizar la horizontalidad del umbral, para lo
cual se utiliza un nivel de mano, (ii) la distancia
desde el fondo del canal hasta la cresta (para el
caso de vertederos) debe tener un valor mnimo
de 3 veces la carga o altura de agua sobre el
vertedero, (iii) el valor de la carga a medir no
debe ser menor de 6 cm para el caso de
vertederos, (iv) debe existir cada libre del chorro
de agua que sale de las estructuras y, (v) para el
caso de vertederos se debe garantizar la
verticalidad de la pared.
En los vertederos de cresta delgada esa seccin se
recomienda se ubique a una distancia L > 6H y la
altura del vertedero sea > 3H y H no debe ser
inferior a 6 para no perder precisin en la medida
(Figura 3a).
(a) (b) (c) (d)
Figura 2. Tipos de vertedero rectangular (a) sin
contraccin, (b) con contraccin, (c) Triangular y
(d) Trapezoidal
(a)
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(b)
Figura 3. (a) Medidas caractersticas y (b) Flujo de
aproximacin al vertedero
La expresin para los vertederos rectangulares de
pared delgada es de la forma:
= 2
3 2(
10)3/2
Para n = 0 se tiene que:
= (0.63)2
3 2 3/2
Donde:
L = Ancho del espejo de aguas del vertedero [m].
n = Nmero de contracciones.
H = Altura sobre la cresta del vertedero [m].
Cd = Coeficiente de descarga que depende del
diseo de la cresta, viscosidad, tensin superficial
y contraccin lateral del flujo.
g = Gravedad, 9,81 [m/s2].
Aforo con orificio
Se puede emplear para flujo en conductos
cerrados y descargas libres de caudal. El aforo
por orificio viene dado por la siguiente expresin
= 2 Donde:
Ao = rea del orificio (a*b) [m2]
H = Carga del tanque [m]
Cd = Coeficiente de descarga
g = Gravedad, 9.81 [m/s2]
Figura 4 Flujo debajo de una compuerta
rectangular
Para la prctica el orificio ser una compuerta
rectangular cuyo coeficiente de descarga se ha
estimado experimentalmente igual a 0,61.
Aforo con tubo de Pitot esttico
Es uno de los instrumentos anlogos ms
empleados para la medicin de la velocidad. Es
utilizado principalmente para la medicin de las
velocidades en flujos compresibles. El tubo de
Pitot esttico combina las mediciones de presin
hidrosttica y total (Figura 5). Si se mide
indirectamente cada una de ellas empleando un
manmetro diferencial, se obtiene la carga de
presin dinmica de la cual se puede obtener la
velocidad con la expresin:
12 rmDHgV Donde:
g = Gravedad
H = Deflexin manomtrica Drm = Densidad relativa del mercurio [13.6]
Y el caudal mediante la relacin:
= Donde:
Ao = rea del orificio (a*b) [m2]
V = Velocidad media estimada con el tubo de
Pitot esttico [m/s]
Cc = Coeficiente de contraccin [0.611]
g = Gravedad, 9.81 [m/s2]
a h
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Figura 5. Esquema de tubo de Prandtl
3. Descripcin de los equipos
El equipo disponible en el Laboratorio de Fluidos
e Hidrulica es un canal rectangular sin pendiente
(de 0,35m de ancho) (Figura 6), el cual esta
instrumentado con un caudalmetro ultrasnico
para medir los caudales circulantes generados por
la instalacin experimental.
Figura 6. Canal experimental
Para la prctica estn disponibles los siguientes
elementos:
Cronmetro y Flotadores
Medidor de punta
Manmetro diferencial
Tubo de Prandtl
Vertedero de cresta delgada
Caudalmetro ultrasnico
4. Procedimiento
La manipulacin del equipo ser realizada por el
personal del laboratorio. Los pasos para la toma
datos bsicos son:
a. Introducir la hlice del molinete a 0.5h (h = tirante del flujo) para garantizar la estimacin
de la velocidad media por medio de las
revoluciones medidas para un intervalo de
tiempo de 30 s. Registrar los datos obtenidos
en la Tabla 1.
b. Establecimiento de la distancia y toma de los tiempos de recorrido del flotador (Tabla 2).
c. Medicin del tirante de flujo con medidor de punta para establecer el rea transversal en los
mtodos del flotador y molinete.
d. Lecturas de la carga del vertedero mediante el medidor de punta y registrarlas en la Tabla 3.
e. Registrar la carga en el tanque de alimentacin (H) en la Tabla 4.
f. Lectura de la deflexin manomtrica (H) del manmetro diferencial y registrarlas en la
Tabla 5.
g. Realizar las repeticiones respectivas para cada mtodo de aforo.
h. Para cada medicin de cada mtodo tomar la lectura del caudalmetro ultrasnico.
5. Informe de laboratorio
El informe debe contener los siguientes puntos:
Nombre
Introduccin
Objetivos
Descripcin de la prctica
Datos y clculos:
- Calcule los caudales para los diferentes valores registrados en las Tablas 1 a 5 e
cada mtodo aplicado en la prctica
- Compare los resultados con los valores patrn (caudalmetro ultrasnico)
estimando el error relativo de las
mediciones. Qu motivos pueden
justificar la diferencia?
Anlisis de resultados
Conclusiones
Bibliografa
6. Referencias
WHITE, Frank. Fundamentals of Fluid
Mechanics. John Wiley & Sons, Inc., cuarta
edicin, 2002.
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PMC, Manual de procedimientos hidromtricos
Solange Dussaubat / Ximena Vargas,
Modernizacin e Integracin Transversal de la
Enseanza de Pregrado en Ciencias de la Tierra,
2005
ANEXO
Tabla 1. Aforo con molinete
ENSAYO
Tirante, h[m] Revoluciones por segundo,
n [rev/s]
Velocidad
molinete
[m/s]
rea
[m2]
Caudal
molinete
[m3/s]
Caudal
patrn
[m3/s] h1 h2 h3 hPromedio n1 n2 n3 npromedio
1
2
3
Tabla 2. Aforo con flotador
ENSAYO
Tirante, h [m] Velocidad
[m/s]
Distancia [m] rea
[m2]
Caudal
flotador
[m3/s]
Caudal
patrn
[m3/s]
h1 h2 h3 hPromedio
1
2
3
Tabla 3. Aforo con vertedero
ENSAYO
Carga del vertedero, H [m] Caudal vertedero
[m3/s]
Caudal patrn
[m3/s] H1 H2 H3 HPromedio
1
2
3
Tabla 4. Aforo con orificio
ENSAYO
Carga del tanque, H [m] Caudal orificio
[m3/s]
Caudal patrn
[m3/s] H1 H2 H3 HPromedio
1
2
3
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Tabla 5. Aforo con Tubo de Pitot esttico
ENSAYO
Deflexin manomtrica, H [m] Caudal tubo de
Pitot esttico
[m3/s]
Caudal patrn
[m3/s] H1 H2 H3 HPromedio
1
2
3