UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA

Facultad de Ingeniera Civil

Ingeniera Civil

Abastecimiento y saneamiento hdrico

Mtodos de Aforo en fuentes hdricas

Presentado por:

Miguel ngel Castaeda Mora

Cdigo: 3021211507

Presentado a:

Miguel Hernndez

Bogot

Julio de 2015

Tabla de contenido

1 Aforo Por el Mtodo Volumtrico .................................................................................. 1

2 Aforo Por el Mtodo Gravimtrico ................................................................................. 2

3 Aforo Por el Mtodo de los flotadores ........................................................................... 3

4 Aforo Por el Mtodo de Vertederos o Canaletas ............................................................ 4

5 Mtodo de Aforo por Orificios ........................................................................................ 6

6 Mtodo de Aforo por Estrangulamiento de la corriente ................................................ 7

7 Mtodo de Aforo por Hidrmetros ................................................................................. 9

7.1 Molinete o Correntmetro ...................................................................................... 9

7.2 Tubo de Pitot .......................................................................................................... 10

8 Mtodo de Aforo con aparatos electrnicos ................................................................ 11

8.1 Caudalmetro ......................................................................................................... 11

8.2 Indicador ................................................................................................................ 11

8.3 Caudalmetro de rea variable para lquidos ......................................................... 12

8.4 Rotmetro metlico para bajos caudales para lquidos ........................................ 12

8.5 Rotmetro metlico para lquidos ......................................................................... 12

8.6 Ruedas ovaladas para lquidos limpios .................................................................. 13

8.7 Caudalmetro a turbina para lquidos no viscosos ................................................. 13

8.8 Mini turbina para caudales pequeos ................................................................... 13

8.9 Ultrasonido ............................................................................................................ 14

8.10 Medido Ultrasnico ............................................................................................ 14

9 Mtodo de Aforo con Medidor Parshall ....................................................................... 14

10 Mtodo de aforo por el mtodo de trazadores qumicos ......................................... 15

10.1 Inyectar un volumen de trazador ....................................................................... 16

10.2 Inyeccin a caudal constante ............................................................................. 17

Tabla de Ilustraciones

Ilustracin 1: Aforo por el mtodo volumtrico. ................................................................................................. 1 Ilustracin 2: Mtodo por el mtodo gravimtrico. ............................................................................................ 2 Ilustracin 3: Aforo mtodo flotadores. ............................................................................................................. 3 Ilustracin 4: Aforo por el mtodo de los flotadores. ......................................................................................... 4 Ilustracin 5: Ecuaciones para determinar el caudal, Mtodo de vertederos. ................................................... 5 Ilustracin 6: Vertedero ...................................................................................................................................... 6 Ilustracin 7: Orificios ......................................................................................................................................... 7 Ilustracin 8: Estrangulamiento de la corriente ................................................................................................ 8 Ilustracin 9: Molinete Hidrulico. ..................................................................................................................... 9 Ilustracin 10: Tubo Pitot ................................................................................................................................. 10 Ilustracin 11: Tubo de Pitot ............................................................................................................................. 10 Ilustracin 12: Caudalmetro ............................................................................................................................ 11 Ilustracin 13: Medidor Parshall ....................................................................................................................... 15 Ilustracin 14: Perfil concentraciones en le rio ................................................................................................. 16 Ilustracin 15: Inyeccin a caudal constante .................................................................................................... 17 Ilustracin 16: Aforo con trazadores ................................................................................................................ 18

1

1 Aforo Por el Mtodo Volumtrico

Es usado para medir caudales bajos, tales como los que escurren por las tuberas o surcos

de riego y acequias.

Para el correcto desarrollo de este mtodo es necesario el uso de:

Un recipiente con un volumen conocido, que ser en el que se verter el agua.

Cronmetro para medir el tiempo que tarda en llenar el recipiente.

Repetir dicho procedimiento como mnimo 3 veces, para tener varios datos, con los

cuales se pueda hacer un promedio, para asegurar un resultado ms exacto.

Consiste en dividir el volumen de agua recogido en el recipiente por el tiempo que demor

en llenarse el recipiente, hay que tener en cuenta que el tiempo es tomado en segundos, el

caudal se expresa en Litros por segundo.

=.

=

Ilustracin 1: Aforo por el mtodo volumtrico.

2

2 Aforo Por el Mtodo Gravimtrico

El procedimiento de este mtodo es muy parecido al mtodo volumtrico, la diferencia

reside en que el volumen que est en el recipiente no se mide con respecto al tiempo que

tardo en llenarse, en lugar de medirse se pesa, obteniendo un peso W de agua, ste peso

se convierte en volumen al dividirlo en el peso especfico (Gamma) del fluido a la

temperatura en que se encontraba al momento de la prueba.

Previo al ensayo el recipiente debe ser destarado, cuando est lleno el recipiente se debe

pesar en esa balanza, ya que est tarada.

Mediante el mtodo gravimtrico, el caudal que se afora se determina con las siguientes

ecuaciones:

( ) =

=

Donde:

=

( )

Entonces:

=

=

Ilustracin 2: Mtodo por el mtodo gravimtrico.

3

3 Aforo Por el Mtodo de los flotadores

ste mtodo es el ms fcil de realizar, pero tambin es considerado el ms impreciso, as

que el uso de este mtodo es limitado, es usado en situaciones de inspeccin donde no se

necesiten resultados exacto; con este mtodo se pretende conocer la velocidad media de

la seccin para ser multiplicada por el rea as se conocera el caudal, con la famosa

ecuacin de continuidad.

=

Para ejecutar este aforo el procedimiento es el siguiente:

Se toma una seccin del lecho a analizar, ser la seccin de longitud L.

Se mide el rea de la seccin A.

Aguas arriba se tira un cuerpo que flote, desde el primer punto de control.

Cuando el cuerpo pase por dicho punto se inicia la toma del tiempo, que dura hasta

el segundo punto de control que est ubicado aguas abajo.

Ilustracin 3: Aforo mtodo flotadores.

La velocidad superficial de la corriente; Vs, es tomada igual que la velocidad del cuerpo

flotante y se calcula mediante la relacin entre el espacio que recorri L y el tiempo que

tard t.

=

Se considera que la velocidad media de la corriente Vm se encuentra entre los 0,75 Vs hasta

los 0,90 Vs, donde el mayor valor es aplicado a las corrientes de aguas ms profundas y

rpidas. Si se divide el rea de la seccin transversal del flujo en varias secciones, de rea

Ai, para las cuales se miden velocidades superficiales Vsi, y se calculan medias, Vmi, el

caudal total ser la suma de los caudales parciales qi de todas las secciones que se

midieron.

4

Si se requiere de un poco ms de precisin se pueden obtener mejores resultados con

flotadores lastrados, de sumersin ajustable, estos flotadores consisten en un tubo delgado

de aluminio de una longitud Lfl , cerrado en ambos extremos y con un lastre en su extremo

inferior, para que pueda flotar en una posicin cercana a la vertical, dando as una

sumersin de aproximadamente 25 a 30 cm sobre el fondo.

La velocidad del flotador sumergido, Vf, permite la determinacin de la velocidad media de

la corriente, Vm, a lo largo del curso, por la siguiente formula experimental.

Y es la profundidad de la corriente de agua.

= (, , (

))

Ilustracin 4: Aforo por el mtodo de los flotadores.

4 Aforo Por el Mtodo de Vertederos o Canaletas

Los vertederos son simples aberturas sobre las que se desliza un lquido, pueden ser

entendidos como orificios cuya arista superior est sobre el nivel de la superficie libre del

lquido, se suelen usar para medir caudales en conductos libres (canales, ros y dems)

Es usado en caudales pequeos, el procedimiento es el siguiente:

Se interrumpe un flojo de agua con una canaleta.

Se produce una depresin del nivel.

Se mide el tamao de la lmina de agua y su altura.

El agua cae por el vertedero durante cierto tiempo.

Se mide la altura de la lmina de agua y se calcula la cantidad de agua que se verti

en ese tiempo.

5

Las mediciones son vlidas para la fecha en la que se realizaron.

Es recomendable la medicin peridica para conocer las variaciones del flujo.

Las ecuaciones con las que se determina el caudal segn el tipo de vertedero son:

Ilustracin 5: Ecuaciones para determinar el caudal, Mtodo de vertederos.

6

Ilustracin 6: Vertedero

5 Mtodo de Aforo por Orificios

Los orificios son aberturas de forma regular hechos a travs de un muro, por donde el agua

circula haciendo contacto con todo el permetro de dicha abertura. Aun cuando los orificios

pueden tener cualquier forma, los ms usados son de forma rectangular o circular.

Los orificios pueden catalogarse en dos categoras:

Orificios con descarga libre son aquellos que descargan libremente, es decir, que el nivel del

agua en la cara posterior del muro est por debajo del orificio. Estos orificios son de poco

uso en los canales abiertos y ms utilizados para medir el caudal del agua en caeras.

Orificios sumergidos son aquellos en que el nivel del agua, tanto en la parte anterior como

en la cara posterior del muro, est por encima del orificio.

La ecuacin general del orificio es

= 2

7

Dnde:

Q=Caudal

C=Coeficiente.

A=rea

G=gravedad

h=tirante de agua

El coeficiente depende del espesor de las paredes y la forma del orificio, as tenemos:

Para realizar este aforo es necesario el uso de:

Superficie plana con el orificio de dimensiones conocidas.

Canal al que se le va a medir el caudal.

Cronmetro.

El procedimiento para aforar por este mtodo es el siguiente:

Se realiza un orificio en la superficie plana.

Se coloca un orificio en el canal del agua.

Calcular el rea.

Ilustracin 7: Orificios

6 Mtodo de Aforo por Estrangulamiento de la corriente

El canal palmer bowlus es un tipo de Venturi caracterizado por la estrangulacin de una

seccin transversal uniforme y una longitud de aproximadamente igual a un dimetro del

tubo o conducto en el cual est siendo instalado, est diseado para general un flujo critico

de mayor velocidad en el estrangulamiento.

8

Es casi siempre usado en manholes o en canales abiertos o rectangulares para medir

variaciones de flujo, la configuracin transversal puede asumir cualquier forma:

rectangular, trapezoidal (varios declives, alturas y anchos de base), con o sin tapa.

Para la determinacin del caudal, se necesita medir la altura del lquido, sta se puede

realizar rpidamente midiendo la altura. Tambin existen otros instrumentos que facilitan

estas medidas de manera continua, obteniendo mediciones continuas y precisas, incluso

conectando un registrador grfico favoreciendo el almacenamiento de esta informacin.

En estas canaletas se pueden acoplar diferentes tipos de sensores que permiten registrar

otros tipos de parmetros diferentes al caudal, como son pH y temperatura.

La principal ventaja es la fcil instalacin, debido a que puede ser colocada en conductos ya

existentes donde no se requieren cadas en el conducto, como es requerido en el canal

Parshall, la prdida de energa es baja, detecta cambios sensibles de cabeza y provee una

mnima restriccin al flujo.

Ilustracin 8: Estrangulamiento de la corriente

9

7 Mtodo de Aforo por Hidrmetros

7.1 Molinete o Correntmetro

Un molinete es un pequeo instrumento construido por una rueda con aspas, que al ser

sumergida en un cauce gira, proporcionalmente a la velocidad que lleve el flujo. Hay 2 tipos

de molinetes, los de cazoletas que son tipo Price, de origen norte americano y el de hlice

que son usados ms frecuentemente en Europa, los cuales pueden ser montados sobre una

varilla para el aforo de corrientes superficiales o suspendidos desde un cable para aforos

ms profundos.

Este mtodo consiste bsicamente en medir en un rea transversal de la corriente, las

velocidades del flujo con las cuales se puede obtener el caudal.

Una vez se conoce la altura inicial Yi y la altura final Yi+1 del rea de influencia Ai, se

determina la altura promedio as:

=Yi+Yi+1

2

Posteriormente se calcula el rea as:

= *b

Teniendo en cuenta que b es el ancho del rea de influencia.

La velocidad media en cada una de las reas de influencia se determina as:

=0,2 + 2 0,6 + 0,8

4

Teniendo as que el caudal correspondiente para el rea de influencia ser:

=

Por ltimo el caudal del cauce ser la suma de todos los caudales obtenidos de cada seccin

en la que se dividi el estudio del cauce.

Ilustracin 9: Molinete Hidrulico.

10

7.2 Tubo de Pitot

Este tubo fue utilizado por primera vez por el fsico francs Pitot en 1730 en un aforo en el

rio Sena, un tubo Pitot consiste en un tubo de transparente con un extremo doblado en

direccin a la corriente del agua, como se muestra en la siguiente figura:

Ilustracin 10: Tubo Pitot

Las ecuaciones que tericamente se usan son:

=2

2

= 2

C es un coeficiente de correccin.

El tubo de Pitot debe ser usado en causes con gran velocidad, as que es ms utilizado en

tuberas.

Ilustracin 11: Tubo de Pitot

11

8 Mtodo de Aforo con aparatos electrnicos

En todo proceso es importarte tener claro cules van a ser los requerimientos de

desempeo y aplicacin que debern satisfacer las mquinas y accesorios que nos facilitan

la realizacin de ese proceso, todo esto tratndolo de hacer al menor costo posible. Para procesos donde el factor principal es la exactitud, la necesidad de medir caudales ms

heterodoxos, donde los medidores tradicionales como la placa orificio, l tuvo Venturi o la

tobera no brindan una exactitud ni una relacin costo-efectividad deseada, ha sido el

motivo para la utilizacin de principios fsicos cada vez ms novedosos que tiene ventajas

sobre ciertas condiciones.

8.1 Caudalmetro

Este aparato usualmente sirve para generar pulsos o seales, proporcionales al caudal, con

los cuales puede obtenerse una indicacin visual de velocidad instantnea, volumen

instantneo, o flujo de peso instantneo, y a partir de estos parmetros, unos totales

acumulados. Todo esto requiere de un proceso de cmputo o integracin electrnica, que

se realiza en un indicador.

Ilustracin 12: Caudalmetro

8.2 Indicador

Tambin llamado transmisor, monitor o controlador es un instrumento capaz de

retransmitir una cierta seal de instrumentacin. Gracias a los adelantos en la elctrica, la

12

inclusin de redes de alarma y funciones asociadas a la doble entrada de sensores, viene a

desdibujar el concepto tradicional de transmisor. Este aparato est en capacidad de generar

alarmas de muy alto, alto, bajo o muy bajo caudal y seales digitales, analgicas o pulsos

para otros indicadores, controlando por ejemplo el arranque y parada de bombas, capaces

de generar datos para la dosificacin de procesos qumicos o control de inventario y

facturacin de procesos industriales.

8.3 Caudalmetro de rea variable para lquidos

Conocidos como flotmetros o rotmetros, estos aparatos se utilizan para controlar el

rendimiento de las bombas, as como en procesos de mezcla o dosificacin volumtrica

continua, cuando los flujos deben mantenerse constantemente dentro de lmites muy

precisos. Su diseo es muy sencillo pero adelantado tcnicamente, se fabrican a la medida

y se ajusta el caudal mximo solicitado por el cliente. Son muy solicitados por su razonable

costa, sencillez operativa, bajo mantenimiento y enorme robustez.

8.4 Rotmetro metlico para bajos caudales para lquidos

Mide e indica el caudal instantneo, utilizado frecuentemente para la medicin de bajos

caudales, altas presiones y fluidos agresivos y difciles de manejar por su confiabilidad y

exactitud. Es muy utilizado para dosificar aditivos o ingredientes costosos en especialidades

qumicas, farmacuticas, cosmticas y alimenticias. Adems posee un indicador acoplado magnticamente con escalas intercambiables.

8.5 Rotmetro metlico para lquidos

Mide e indica el caudal instantneo. Capaz de manejar un amplio rango de caudales con gran exactitud a pesar de altas temperaturas y presiones en zonas explosivas. Mnima cada

de presin interna, no requiere contra presin y dispone de amortiguadores para eliminar

rebotes no deseados del flotante. Tambin posee un indicador acoplado

magnticamente. Permite ser integrado en sistemas de control existentes debido a sus mltiples opciones de comunicacin

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8.6 Ruedas ovaladas para lquidos limpios

Medidor de desplazamiento positivo y de gran exactitud, emite pulsos configurables para

medir el caudal. Tiene un nuevo diseo de dos piezas mviles en una carcasa novedosa de

3 piezas, permite medir lquidos de alta o baja viscosidad con pequea cada de presin. Su microprocesador le permite encarar cualquier caudal, viscosidad y requerimiento de

comunicacin.

8.7 Caudalmetro a turbina para lquidos no viscosos

Estos medidores y sus indicadores debido a su costo, robustez y duracin, un gran xito en

el mercado. Fabricados con metales muy duros como el carbono de tungsteno y con

plstico muy novedoso, su resistencia a la agresin qumica y mecnica es muy superior a

la de los materiales utilizados hasta ahora. Se usan en tratamientos de aguas, industrias

alimenticias y qumicas y para dosificaciones tipo Bach. Pero requiere un indicador de

caudal y volumen.

Hay en estos momentos equipos midiendo la recuperacin secundaria de petrleo en la

Patagonia donde las turbinas estn expuestas a arenas cuarcitas en suspensin a presiones

de 150 bares, donde los indicadores sufren a una temperatura desde 20 hasta 60 C, con

sol, nieve, granizo y vientos bastante abrasivos. Es el Caudalmetro ms vendido para

tuberas hasta de 6, capaz de emitir pulsos para medir la velocidad.

8.8 Mini turbina para caudales pequeos

Es una turbina axial de bajo precio que permite la medicin del caudal por flujo total. Con

esto se ha logrado la reduccin en los costos de compra, los de instalacin y los de

mantenimiento, permitiendo ahora instalar puntos adicionales de medicin con un mismo

presupuesto, pero su rango es limitado.

Diseada especialmente para aplicaciones en dimetros muy pequeos, esta turbina

proporciona lecturas muy precisas dentro de dos rangos: de 0.4 a 4 l/min y de 4 a 40 l/min

para la circulacin de agua. Su principio de operacin es el de un rotor que fijado a un eje

rotatorio, produce una frecuencia proporcional a la velocidad del lquido. Este rotor es no

magntico para permitir una respuesta lineal a los cambios de velocidades y para evitar la

propagacin de fricciones estticas a bajas velocidades. Apto para ser instalado en

situaciones expuestas a lluvia, nieve o escarcha. Adems resiste manguero ocasional y

ambientes corrosivos.

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8.9 Ultrasonido

Sirve para medir el tiempo que tarda en sonido en atravesar el fluido. Al poder medir a travs de cualquier material sin cortar, abrir ni vaciar el cao, se presta para el diagnstico

de varios puntos sin importar el dimetro de la tubera con un solo instrumento, adems

para caeras demasiado grandes o de baja presin donde otros instrumentos son

incapaces.

8.10 Medido Ultrasnico

Este dispositivo mide el nivel por Eco Ultrasonido y computa el caudal. Se utiliza

frecuentemente para afluentes en plantas de aguas servidas, vertederos, acequias, canaletas, etc. contengan o no slidos en suspensin.

9 Mtodo de Aforo con Medidor Parshall

La canaleta Parshall cumple un doble propsito en las plantas de tratamiento de agua, de

servir de medidor de caudales y en la turbulencia que se genera a la salida de la misma,

servir de punto de aplicacin de coagulantes. Es uno de los aforadores crticos ms

conocidos, introducida en 1920 por R.L. Parshall. En la Fig. 35, se muestra

esquemticamente la canaleta, la cual consta de una contraccin lateral que forma la

garganta (W), y de una cada brusca en el fondo, en la longitud correspondiente a la

garganta, seguida por un ascenso gradual coincidente con

la parte divergente. El aforo se hace con base en las alturas

de agua en la seccin convergente y en la garganta, leda

por medio de piezmetros laterales.

El caudal se determina con la frmula:

=

K y n son valores de una tabla

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Ilustracin 13: Medidor Parshall

10 Mtodo de aforo por el mtodo de trazadores qumicos

Esta tcnica se unas en corrientes que tienen dificultades para la aplicacin de algn otro

mtodo de aforo, como en corrientes muy anchas o en ros torrenciales.

Hay trazadores de 3 tipos que son:

Qumicos: De este tipo se tiene la sal comn y el dicromato de sodio.

Fluorescentes: La rodamina

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Materiales Radioactivos: Los ms usados son el bromo 82, el sodio y el yodo 132.

La sal es detectable con un error del 1% en concentraciones de 10 ppm.

El dicromato de sodio puede detectarse a concentraciones de 0,2 ppm y los trazadores

fluorescentes con concentraciones de 1/1011. Los trazadores radioactivos se detectan

en concentraciones muy bajas (1/1014).

Sin embargo su utilizacin requiere personal muy especializado.

Este mtodo se cumple en 2 maneras diferentes que son:

10.1 Inyectar un volumen de trazador

Tambin llamado mtodo de integracin, se supone que en una seccin de rio se adiciona

un pequeo volumen de trazador V1 con una concentracin alta C1, si existe en el rio una

concentracin, Co, el perfil de concentraciones en el rio se comporta as:

Ilustracin 14: Perfil concentraciones en le rio

Por continuidad de obtiene la siguiente ecuacin:

Q=caudal.

C1= concentracin del trazador.

V1= Volumen del trazador.

C2= Funcin que define la concentracin del trazador, en el punto de control en funcin de

t.

C0=Concentracin encontrada en el rio antes de la dosificacin.

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Resolviendo la ecuacin y despejando Q obtenemos:

10.2 Inyeccin a caudal constante

En los aforos qumicos o radioactivos se aade de

forma continua y constante una concentracin conocida (C1) de una sustanciaqumica o

radioactiva a la corriente cuyo caudal (Q) desea determinarse.

Ilustracin 15: Inyeccin a caudal constante

Por la estequiometra de las reacciones qumicas, cuando un caudal constante

(q) de una solucin salina es descargado dentro del caudal (Q), conteniendo las

mismasconstituyentes a la concentracin (C2),la mezcla resultante de caudales (Q+ q) alca

nzarunaconcentracin (C) proporcional a las concentraciones iniciales (C1 y C2) de los ca

udales antes del mezclado, como lo indica la siguiente expresin:

De la cual se obtiene:

Q= Caudal.

Q= Caudal del trazador o de la solucin salina aplicada.

C1= Concentracin del trazador o de la sustancia qumica en la solucin.

C2= Concentracin del trazador o de la sustancia qumica antes de la aplicacin.

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C= Concentracin del trazador o de la sustancia qumica despus de la aplicacin.

Ilustracin 16: Aforo con trazadores