UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ

FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS, FÍSICAS Y QUÍMICAS

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

CARRERA: INGENIERÍA CIVIL

TEMA: TIPOS DE AFORAMIENTO PARA UNA DETERMINA SECCIÓN.

NIVEL: SEXTO ´´H´´

ASIGNATURA: HIDRÁULICA APLICADA Y LABORATORIO II

DOCENTE: ING. CESAR PALMA VILLAVICENCIO

INTEGRANTES:

ARIAS MERA JEAN NICOLAS

CEVALLOS ZAMBRANO BEATRIZ

GUERRA LOOR JONATHAN XAVIER

GARCIA CEVALLO MIGUEL EDUARDO

TUMBACO MOREIRA JORGE DANIEL

WITTONG ZAMBRANO DIEGO SIMÓN

ZAMBRANO CEDEÑO JIMMY CESAR

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

• Identificar los diferentes tipos de aforamiento que existen, para una determinada sección, luego de su estudio realizar un tipo de aforo que se crea conveniente, para poder maximizar los conocimientos.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Determinar los diferentes tipos de aforamiento.

• Identificar los pasos a seguir para aplicar en cada tipo de aforamiento

• Conocer cual es el tipo de aforamiento que se necesita para cada necesidad en el campo profesional.

• Determinar el caudal de un canal a través del método gravimétrico.

INTRODUCCIÓN

La determinación de la cantidad de agua que lleva un canal o un curso de agua se llama aforo y es importante para diversos fines. La medición de caudales es de gran utilidad en la toma de decisiones durante la administración de los recursos hidráulicos, en la ejecución de programas de riego y en diversas actividades relacionadas con el manejo del agua. Se pueden clasificar en tres grupos tales como los métodos directos, los métodos que se calculan en función del área y de la velocidad que tenga una determina sección y los métodos que utilizan contracciones, en cada división existe una subdivisión, de los diferentes métodos, y que en si nos ayudaran a determinar los caudales según la necesidad de calculo y del espacio en donde se realice , utilizando el método adecuado,  así como el procedimiento que se debe realizar para llevar a cabo cualquiera de ellos.

TIPOS DE AFORO

AFORO

El aforo es la operación de medición del volumen de agua en un tiempo determinado. Esto es, el caudal que pasa por una sección de un curso de agua.

Importancia

La medición o aforo de agua del río o de cualquier curso de agua es importante desde los puntos de vista, como:

      ·         Saber la disponibilidad de agua con que se cuenta.

      ·         Distribuir el agua a los usuarios en la cantidad deseada.

      ·         Saber el volumen de agua con que se riegan los cultivos.

      ·         Poder determinar la eficiencia de uso y de manejo del agua de riego.

Los métodos de aforo para medir un caudal de agua se pueden clasificar en tres grupos que son:

       1)      Métodos de aforo directo

       2)      Métodos de área-velocidad

       3)      Métodos que utilizan contracciones

1) MÉTODOS DE AFORO DIRECTO

Expresan el caudal como una función de volumen sobre tiempo (Q = V / t) .Entre ellos se tienen   el aforo  gravimétrico, volumétrico, químico y los medidores de hélice, fabricados de acuerdo con el mismo principio. Otro método de aforo directo consiste en medir el descenso en el nivel del agua y el tiempo de vaciado en un depósito con dimensiones conocidas.

       ·         Aforo Volumétrico

       ·         Aforo Gravimétrico

       ·         Aforo Químico o del Trazador

AFORO VOLUMÉTRICO

Es aplicable en la medición de pequeños caudales y se realiza midiendo el tiempo de llenado (t) de un recipiente de volumen conocido (V), donde se colecta la descarga, como se muestra en la Figura, determinando el caudal en al ecuación:

                                                   
Se deben realizar por lo menos 5 pruebas para obtener un caudal promedio. Nunca se debe llenar todo el recipiente, sólo hasta cierta altura, por lo que se deberá tener dentro del recipiente una escala que indique cual es el volumen.

AFORO GRAVIMÉTRICO 

Se sigue un procedimiento similar al anterior, pero el volumen colectado de agua en el intervalo de tiempo cronometrado, en lugar de medirse se pesa, y el peso (W) de agua se transforma a volumen, dividiéndolo entre el peso especifico γ del fluido a temperatura de prueba.

El recipiente vacío debe ser previamente destarado y, una vez lleno, debe pesarse en la misma balanza. Mediante el método gravimétrico, el caudal aforado se determina con el siguiente razonamiento:

Donde:

γ= Peso Especifico del Agua

W= Peso del Agua;  W= (Peso del Agua + peso del Recipiente) –Peso del Recipiente

V= Volumen Ocupado

El caudal esta dado por la siguiente ecuación:

Donde:

Q= Caudal

 t= Tiempo de llenado

Despejando “V” de la ecuación (2.2) y remplazando en la ecuación (2.3), tenemos:

AFORO QUÍMICO O DEL TRAZADOR

Esta técnica se usa en aquellas corrientes que presenten dificultades para la aplicación del método área velocidad o medidas con estructuras hidráulicas, como en corrientes muy anchas o en ríos torrenciales.

Los trazadores pueden ser de tres tipos:

1)  Químicos: de esta clase son la sal común y el dicromato de sodio

2)  Fluorescentes: como la rodamina

3)  Materiales radioactivos: los mas usados son el yodo 132, bromo 82, sodio.

2) MÉTODOS DE ÁREA-VELOCIDAD

Es importante medir la velocidad del caudal en puntos localizados de la sección transversal, donde la velocidad promedio ocurra con mayor probabilidad.

La velocidad máxima esta entre 0.05 y 0.25 del tirante por debajo de la superficie del agua, y la velocidad mínima se desplaza sobre las paredes del ducto donde la rugosidad  tiende  a  frenar  el  avance  de  la  corriente.  La  velocidad  media  se  localiza aproximadamente a 0.60 del tirante, y puede determinarse exactamente    promediando las velocidades observadas a 0.2 y 0.8 del tirante.

La figura muestra la distribución típica de velocidades para un canal, la que se asemeja a círculos concéntricos con eje en el punto donde se localiza la velocidad máxima. Tal distribución sufre deformaciones debido a la geometría de la sección, rugosidad del canal y cambios de dirección (curvas, caídas, etc.).

La distribución vertical de velocidades en función de la profundidad, se asemeja a un paraboloide con foco sobre la línea donde ocurre la velocidad máxima.

En una tubería completamente llena, la máxima velocidad se desplaza por el centro del tubo y la mínima se desplaza adyacente a las paredes del conducto, donde la fricción retarda el avance; la velocidad promedio se localiza a 3/8 de diámetro alrededor del centro de la tubería, como se muestra en la figura. La velocidad promedio equivale aproximadamente a 0.80 de la velocidad máxima, este criterio práctico es aplicable a las tuberías en general, donde normalmente predomina un flujo turbulento.

      ·         Método del flotador.

      ·         Método del Tubo Pitot.

      ·         Método del Molinete Hidrométrico
      ·         Aforo de la Descarga Libre en Tuberías, por el Método de la Trayectoria

.MÉTODO DEL FLOTADOR

Flotadores.- Consisten en objetos flotantes que adquieren la velocidad del agua que los circundan. Pueden ser de tres tipos.

a)  Simples o de superficie: El inconveniente presentado por este flotador se debe al hecho de ser muy influido por el viento, por las corrientes secundarias y por las olas.

b)  Dobles o superficiales: Constituyen un pequeño flotador de superficies, al cual está unido por una cuerda un cuerpo sumergido, a la profundidad deseada. Se hace que el volumen del primero sea despreciado frente al segundo. En estas condiciones, manteniéndose el cuerpo sumergido cerca de seis décimos de la profundidad, se determina la velocidad media.

c)  Bastones  flotadores  o  flotadores  lastrados:  Son  tubos  metálicos  huecos  o  de madera, que tienen en la parte inferior un lastre de plomo para que flote en una posición próxima a la vertical. 

El flotador debe ser soltado repetidas veces unos cuantos metros aguas arriba de la sección de prueba, cronometrando el tiempo que tarda en recorrer una distancia conocida (usualmente de 15 a 50 m.), marcada previamente sobre un tramo recto y uniforme.

Luego, la velocidad superficial se determina dividiendo la distancia recorrida entre el   tiempo promedio de viaje del flotador.

Como la velocidad superficial es mayor que la velocidad promedio del caudal, es necesario corregir la medición del flotador multiplicándola por   un coeficiente que varia de 94 0.65 a 0.80; misma que debe ser de 0.65 para pequeños caudales (acequias) y de 0.80 para grandes caudales (ríos, diques y canales).

Generalmente las acequias y canales de uso agrícola no están revestidos. Su sección transversal, construida en tierra, no es uniforme, por tanto, la determinación del área debe hacerse dividiendo el espejo del agua en varios segmento iguales, de tal forma que se tenga una serie de figuras geométricas consistente en triángulos y trapecios, cuyos lados estarán dados por las profundidades (di) del agua y, las alturas, por la longitud del segmento (x/n), tal como se muestra en la Figura 4-9.

Finalmente  al  multiplicar  el  área  de  la  sección  transversal  (A)  por  la  velocidad promedio del flujo (Vpromedio), se obtiene el caudal (Q) para la corriente aforada.

MÉTODO DEL TUBO PITOT

Tubos de Pitot.- Estos tubos fueron empleados por primera vez por el físico francés Pitot, en 1730 (río Sena).

Un tubo de Pitot consiste en un tubo de material transparente con una extremidad doblada en dirección a la corriente del agua, como muestra la Figura.

TEÓRICAMENTE

En realidad, se debe introducir un coeficiente de corrección C,

El tubo de Pitot solamente conduce a buenos resultados en el caso de corrientes de gran velocidad, siendo por ello más comúnmente empleado en tuberías.

MÉTODO DEL MOLINETE HIDROMÉTRICO

Molinetes.- Los molinetes son aparatos constituidos de paletas o conchas móviles, las cuales, impulsadas por el líquido, dan un número de revoluciones proporcional a la velocidad de la corriente.

Existen dos tipos de molinetes, el de cazoletas y el de hélice, los cuales pueden ser montados sobre una varilla para el aforo de corrientes superficiales o suspendidos desde un cable durante el aforo de ríos, diques profundos, etc.

 a)  De eje vertical o cazoletas: Tipo Price, de origen norte-americano.

 b)  De eje horizontal o de hélice Más comunes en Europa

Cada molinete viene calibrado de fábrica y acompañado de una tabla o ecuación, donde se relaciona la velocidad angular de la rueda giratoria con la velocidad de la corriente. La relación típica se ajusta a una recta con una ligera desviación cerca del origen
Cuadro de texto: Velocidad en m/s. Para medir la velocidad de una corriente, el molinete se instala por abajo del espejo de agua, a 0.6 del tirante (medido desde la superficie) y las revoluciones de la ruedecilla se cuentan en un intervalo de tiempo previamente establecido (usualmente un minuto).

AFORO DE LA DESCARGA LIBRE EN TUBERÍAS, POR EL MÉTODO DE LA TRAYECTORIA

La descarga libre de una tubería horizontal o inclinada, fluyendo, llena o parcialmente llena, puede ser conocida aplicando el método de la trayectoria, basado en el principio físico de la caída libre de los cuerpos. Dicho principio establece que la proyección horizontal (x) del chorro es proporcional a la velocidad de salida (V) y al tiempo (t) que tarda el agua en alcanzar un punto definido sobre su trayectoria. En cambio la proyección vertical (y) es el resultado de la aceleración que sufre el chorro en caída libre, por efecto de la gravedad.

Para calcular el ángulo θ se debe medir el borde libre (b) por encima del espejo de agua, luego se debe establecer un par de triángulos con hipotenusa igual al radio interno de la tubería  (r), y cateto adyacente (r − y) conocido, cuya relación trigonométrica proporciona la  función coseno del ángulo; equivalente a la mitad del arco 360 º- θ, como se muestra en la figura el trazo auxiliar sobre la circunferencia de una tubería parcialmente llena para calcular el ángulo θ.

La circunferencia completa de la tubería tiene radianes 360 = θ +2 α= 2π, de donde α θ = 360 º−20, estando el ángulo α  en función del coseno definido por el triangulo rectángulo de hipotenusa  r  y cateto  (r-b). 

3) MÉTODOS QUE UTILIZAN CONTRACCIONES

En los sistemas de riego existen muchos instrumentos disponibles para la medición de sus caudales, los cuales a través de la contracción en una sección permiten la medición del caudal.

Entre los instrumentos disponibles que se tienen para la medición de caudal en un sistema de riego podemos mencionar los siguientes:

El  vertedero  que es el  dispositivo más práctico y económico, siempre que se disponga de suficiente altura, fueron los primeros instrumentos desarrollados.

El orificio, ya sea libre o sumergido, como las compuertas, se usa para el control de entrega de agua a las parcelas.

Aforadores, como Parshall,  sin  cuello,  WSC,  etc.,  son  los  instrumentos  mas comúnmente utilizados; sus ventajas mas destacadas son las pérdidas pequeñas de altura, una exactitud razonable para una gama grande de caudales y la inestabilidad a la velocidad de aproximación.

VERTEDEROS DE AFORO

Sin duda alguna son los más sencillos y utilizados para medir el caudal de agua en canales abiertos. Según la forma que se obligue a adoptar a la sección de la vena líquida que circule por él, se clasifican en rectangulares, trapezoidales y triangulares.

La carga o altura de agua que pase sobre la cresta del vertedero debe medirse a una distancia aguas arriba tal, que no sea afectada por la depresión de la superficie del agua que se produce al aproximarse a la cresta.  Esto se consigue haciendo las mediciones a una distancia de por lo menos seis veces la carga (altura) máxima a la que puede llegar el vertedero.

La forma más conveniente de realizar las mediciones es clavando una estaca en el fondo del canal o acequia aguas arriba del vertedero, (a la distancia señalada de por lo menos 6 veces la carga de agua a medir), sobre la cual se fija una reglilla graduada en centímetros, cuidando que su origen, el cero, quede a la altura de la cresta del vertedero. 

VERTEDEROS TIPO V (TRIANGULARES)

Dentro de los vertederos triangulares, el utilizado más comúnmente es el que tiene 90° en su vértice inferior, o sea, la escotadura forma un ángulo recto, tal como se muestra en la Figura. Es posible determinar las descargas en vertederos triangulares con ángulos diferentes.

Este tipo de vertederos es bastante eficiente, pero sin embargo presenta una gran pérdida de carga; motivo por el cual se recomienda especialmente para caudales pequeños (menores de 110 l/s), ya que en estos niveles de gastos de agua, su precisión es mayor que la de otros tipos de vertederos.

La forma básica para determinar el valor de una descarga a través de un vertedero triangular con cualquier ángulo es el siguiente:

Donde:

Q: Caudal (m3/seg)

H: Altura sobre el vertedero (m)

Θ: Angulo del vertedero triangular

VERTEDEROS RECTANGULARES

El vertedero rectangular es uno de los más sencillos para construir y por este motivo, es justamente uno de los más usados. Su estructura general se puede observar en la Figura. La precisión de la lectura que ofrece está determinada por su nivel de error, que fluctúa entre un 3 y 5%.

Puede ser usado en dos configuraciones, el vertedero con contracción y el vertedero sin contracción. Se debe tener un especial cuidado en la instalación del vertedero sin contracción, para obtener adecuada aireación de la lámina vertiente de agua.

La ecuación de descarga (Altura Vs. Caudal) para el flujo libre en un vertedero con contracción toma la forma:

Donde:

Q: Caudal (m3/seg)

H: Altura sobre el vertedero (m)

L: Longitud de la cresta del vertedero (m)

La ecuación de descarga para el flujo en un vertedero rectangular sin contracción toma la forma:

VERTEDEROS TRAPEZOIDALES (CIPOLLETTI)

Los vertederos trapezoidales son similares a los rectangulares con contracción, excepto que los lados inclinados hacia afuera producen una abertura trapezoidal.

Cuando las inclinaciones de las paredes están en la relación de 4/1 (vertical/horizontal) el vertedero es conocido como Cipolletti.

La ecuación de descarga (Altura Vs. Caudal) del vertedero trapezoidal (Cipolletti) toma la forma:

Donde:

Q: Caudal (m3/seg)

H: Altura sobre el vertedero (m)

L: Longitud de cresta sobre el vertedero (m) 

PRÁCTICA

TEMA:

Aforamiento gravimétrico.

OBJETIVO:

• Determinación  del caudal que pasa a través de un canal, mediante el uso del método de aforo gravimétrico.

INSTRUMENTACIÓN:

  Ø  Recipiente aforador.

  Ø  Cronómetro.

  Ø  Balanza.

TOMA DE DATOS:

Datos de aforo.

PROCESAMIENTO:

CONCLUSIONES

      ·   En conclusión he llegado que el aforamiento comprende todos los métodos que se necesita para medir el caudal en una determina sección.

     · Existen diferentes formas de medir el aforo de una sección tal como método del flotador, que se utiliza cuando no se tiene equipos de medición y para este fin se tiene que conocer el área de la sección y la velocidad del agua, para medir la velocidad se utiliza un flotador con él se mide la velocidad del agua de la superficie.

      ·   El resultado que nos proporciona, al finalizar la aplicación de algún método de aforo, nos proporcionara los datos necesarios para la construcción de represas, puentes, centrales hidroeléctricas, etc.

      ·   Los métodos gravimétricos y volumétricos de aforo directo, que consisten en tomar el tiempo de llenado de un recipiente de volumen conocido, se utilizan en la medición de pequeños caudales.

RECOMENDACIONES

     ·  Se debería realizar mas giras de observación, así podremos constatar nosotros como estudiantes la forma de construir un aforo.

      ·  Debemos realizar alguna práctica, en las cual emplear uno de los métodos de aforo antes mencionados.

ANEXOS

BIBLIOGRAFÍA

      ·         http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/05/aforos.html

      ·         http://www.siar.cl/docs/como_medir_agua_riego.pdf

      ·         http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/05/aforo-volumetrico.html

      ·         http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/05/clasificacion-de-los-metodos-de-aforo.html

      ·         http://www.inia.cl/medios/biblioteca/boletines/NR25635.pdf