Unidad 2 Metodos de Aforo

8/18/2019 Unidad 2 Metodos de Aforo

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FUNDAMENTOS DE AGUAS RESIDUALES

“METODOS DE AFORO” M. EN I. MARIA DEL CARMEN GARCIA ARAIZA

M E T O D O S D E A F O R O

1. CONCEPTO DE AFORO

El aforo es la operación de medición del volumen de agua o flujo que pasa por un punto en untiempo determinado a través de una sección normal de un tubo o conducto, o por una secciónde un curso de agua.

2. ANTECEDENTES Y OBJETIVO DE LOS METODOS DE AFORO

La medición de flujo es una función esencial en el estudio del agua como material de ingenieríaen la industria. Por otro lado con ello se conocen precipitaciones pluviales, escurrimientossuperficiales y percolaciones subterráneas además de flujos que corren en tuberías y conductosde distribución o canales abiertos. Así como para resolver muchos problemas deabastecimiento de agua, su uso y disposición final.

Por ello es preciso conocer el caudal y la concentración de sustancias que este lleva puesdurante la eliminación del agua industrial de desecho y de las aguas negras domesticas, esnecesario el control de la descarga, para calcular los costos del servicio de drenaje, así comopara proporcionar registros a las agencias estatales que controlan la contaminación y estánautorizadas para hacer cumplir las leyes que regulan la eliminación de desechos a las aguasestatales.

3. TIPOS DE METODOS DE AFORO

Existen varios métodos para determinar el caudal de agua, los mas usados debido a susencillez son el método volumétrico y de sección - velocidad. El primero es utilizado paracalcular caudales hasta con un máximo de 10 l/seg. y el segundo para caudales mayores a 10l/seg. En la tabla 1 se muestran los principales métodos de aforo utilizados.

Tabla 1. METODOS PARA MEDIR FLUJOS EN AGUAS DE DESECHOA. Para canales abiertos1. Vertederos2. Medida del tiempo de flotadores

B. Para descargas de tubos abiertos en un extremo1. Método de la medida de tiempo de descarga2. Método del orificio en la tapa del tubo3. Medida de las coordenadas4 Método del tubo California

C. Métodos Indirectos1. Concentración de los productos químicos2. Medida de la temperatura


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4. METODOS DIRECTOS, E INDIRECTOS PARA EL AFORO.

Básicamente los métodos de hidrometría o aforo los podemos dividir en métodos directos oindirectos. Los método s di rec to s consisten en cuantificar el volumen del flujo, almacenándoloen un deposito calibrado, que pasa por un determinado espacio de tiempo, en estos solamentese pueden medir volúmenes discretos. Los método s in di rec to s consisten en medir una

variable auxiliar a través de la cual se aplica la ecuación de continuidad para medir el caudal.

a) Volumen – Tiempo.

La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo quese tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. La corriente se desvía hacia un canal ocañería que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se midepor medio de un cronómetro. Para los caudales de más de 4 l/s, es adecuado un recipiente de10 litros de capacidad que se llenará en 2½ segundos. Para caudales mayores, un recipiente de200 litros puede servir para corrientes de hasta 50 l/seg. El tiempo que se tarda en llenarlo semedirá con precisión, especialmente cuando sea de sólo unos pocos segundos. La variación

entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dará una indicación de la precisión de losresultados. (Ver figura 1)

b) Sección – Velocidad.

Con este método se mide la velocidad del agua superficial que discurre de la fuente tomando eltiempo que demora un objeto flotante en llegar de un punto a otro en una sección uniforme.Este método es aplicable en canal abierto. Se mide con el flexómetro la longitud y diámetro delcanal, además de las dimensiones del registro si fuera el caso: largo, ancho y fondo. Se tomaun trecho de la corriente; se mide el área de la sección; se lanza un cuerpo que flote (bolas deunicel, corcho, madera o colorantes rastreadores- rodamina o fluoresceína), aguas arriba delprimer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho punto se inicia la toma del tiempo quedura el viaje hasta el punto de control corriente abajo. Se debe tomar en cuenta los coeficientesque afectaran el método para la determinación y que varía de 0.8 a 0.9, utilizando un promediode 0.85. (Ver fig ura 2)

Figura 1. Método Volumen – Tiempo


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Dichos coeficiente hacen referencia al tipo de rugosidad en la tubería. La velocidad de ladescarga en la sección transversal seleccionada, se determina dividiendo la distancia o longituddel canal o de recorrido entre el tiempo transcurrido por el objeto flotante. Para ello es necesariomedir con una varilla de aluminio el tirante (profundidad) del flujo, por lo menos 3 veces paraobtener un promedio. Con las mediciones anteriores se obtienen los cálculos para llegar alFlujo.

c) Método Sección – Pendiente Hidráulica.

Este método consiste en determinar, el área de la sección transversal media de la corriente, enel tramo considerado para el aforo hidráulico de dicha sección a lo largo del mismo para el nivelde aforo, las características del flujo y el estado en que se encuentra, a fin de elegir elcoeficiente de rugosidad apropiado, ya que la velocidad del agua que se desliza en unacorriente o en un canal abierto está determinada por varios factores como los siguientes:

Fi ura 2. Método Sección – Velocidad.

Formula para cálculo del Flujo:

V= d/tX= h/DA= F.D2 Q= AV= (F.D2 V/1000)

Donde:

V= Velocidad de la descarga (cm/seg)

d= Distancia recorrida por el objeto flotante (cm)t= Tiempo en que tarda en recorrer el objeto flotanteX= Valor adimensional que corresponde al factor F de tablash= Altura del tiranteD= Diámetro del canal, tubo o conductoA= Área transversalQ= Flujo volumétrico


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1) El gradiente o la p endiente. La velocidad de la corriente aumenta cuando la pendiente esmás pronunciada.

2) La rugosidad. El contacto entre el agua y los márgenes de la corriente causa unaresistencia (fricción) que depende de la suavidad o rugosidad del canal. En las corrientesnaturales la cantidad de vegetación influye en la rugosidad al igual que cualquier

irregularidad que cause turbulencias.

3) Forma. Los canales pueden tener idénticas áreas de sección transversal, pendientes yrugosidad, pero puede haber diferencias de velocidad de la corriente en función de suforma. La razón es que el agua que está cerca de los lados y del fondo de una corriente sedesliza más lentamente a causa de la fricción; un canal con una menor superficie decontacto con el agua tendrá menor resistencia fricción y, por lo tanto, una mayor velocidad.

Para poder obtener el flujo mediante este método se requiere hacer uso de la formula deManning:

El coeficiente de rugosidad del concreto depende de las condiciones y las irregularidades de lasuperficie como resultado de la construcción como se muestra en la tabla 2 :

Tabla 2. COEFICIENTES DE RUGOSIDAD DE MANINGESTADO FISICO DEL CONCRETO n

Muy liso acabado en espiral 0.010

Liso tubo compactado y moldeado 0.011 – 0.015

Construcción en Campo Ordinaria 0.012 – 0.015

Dañado y desgastado 0.015 – 0.020

COEFICIENTE DE RUGOSIDAD PARA DIFERENTES MATERIALES

Acero soldado 0.012

Arcilla vitrificada 0.013

Hierro fundido 0.013

Acero remachado 0.015

Metal corrugado 0.024

Formula para cálculo del Flujo:

Q= A . S1/2. Rh2/3 n

Donde:

Rh= A/P= Área transversal húmeda (m2)/ Perímetro mojado (m)Q= Caudal o Flujo Volumétrico (m3 /seg)A= Área transversal húmeda (m2)n= Coeficiente de rugosidad del material por donde fluye el liquidoS= Pendiente Hidráulica del canalRh= Radio Hidráulico (m)


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A continuación se presentan diversas formulas para diferentes tipos de Secciones hidráulicascon las cuales podemos obtener tanto el Área transversal húmeda (m2) como el Perímetromojado (m).

d) Método de Vertederos.

Los vertederos se usan debido a su simplicidad y relativa facilidad de empleo. Los másordinarios son rectangulares o en ranura V (ver figur a 3) . Los rectangulares se usan paramedir flujos de entre 100 y 4000 gpm (0.4 a 15.1 m3/min.) (ver figur a 4) . Los de ranura V sonmas precisos para flujos bajos y son usados ampliamente para medidas comprendidas en elintervalo de 200 a 400 gpm (0.8 a 15.1 m3/min.).

El flujo es proporcional a la altura del agua por encima del punto mas bajo de la abertura delvertedero. La carga puede medirse manualmente con un calibrador o automáticamentemediante un mecanismo de flotación. Es necesario considerar que puede haber acumulación de

sólidos en el fondo de la caja detrás del vertedero.

Figura 3. Vertedero con escotadura en V de 90°

1. Sección Rectangular: A= bY

P= b + 2Y

Donde: b= Base, Y= Altura del liquido

2. Sección Triangular: A= KY2 P= 2(KY)2 + Y2

3. Sección Trapezoidal: P= 2(KY)2 + Y2 + b

A= KY2 + b2


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Figura 4. Vertedero rectangular

Debe haber una poza de amortiguación o un canal de acceso aguas arriba para calmarcualquier turbulencia y lograr que el agua se acerque al vertedero lenta y suavemente. Paratener mediciones precisas el ancho del canal de acceso debe equivaler a ocho veces al anchodel vertedero y debe extenderse aguas arriba 15 veces la profundidad de la corriente sobre elvertedero. El vertedero debe tener el extremo agudo del lado aguas arriba para que la corrientefluya libremente. A esto se denomina contracción final (ver figur a 5) , necesaria para aplicar lacalibración normalizada. Para determinar la profundidad de la corriente a través del vertedero,se instala un medidor en la poza de amortiguación en un lugar en el que se pueda leerfácilmente. El cero del medidor fija el nivel en el punto más bajo de la escotadura. El medidor

debe instalarse bastante detrás de la escotadura para que no se vea afectado por la curva dedescenso del agua a medida que el agua se acerca a la misma.

Figura 5. Corriente libre con contracción final y corriente controlada con contracción enel vertedero en un canal.


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e) Método de molinete.

El molinete es un instrumento que tiene una hélice o rueda de cazoletas, que gira al introducirlaen una corriente de agua. El de tipo de taza cónica (ver figura 6) gira sobre un eje vertical y elde tipo hélice (ver figura 7) gira sobre un eje horizontal. En ambos casos la velocidad derotación es proporcional a la velocidad de la corriente; se cuenta el número de revoluciones enun tiempo dado. Los molinetes pueden ir montados en soportes o suspendidos de cables. Antesde ser usados en campo, deben ser calibrados por el fabricante para determinar la relaciónentre la velocidad de rotación de la hélice y la velocidad del agua. La sección elegida para lamedida con el molinete debe estar situada en un tramo recto y de una sección lo más

homogénea posible a lo largo de dicho tramo.

Formula para todos los tipos de Vertederos:

Q= CLh3/2 Donde C= coeficiente del vertederoC= AV/Lh3/2 Donde A= Área del vertedero

V= Velocidad de llenado en el vertederoL= Longitud de la cresta del vertedorn= constante que depende del tamaño del vertederog= constante de gravedad terrestre 9.8 m/seg2

Vertedor triangular Q= Ch5/2 Vertedor rectangular con contracciones Q= 8.84 (L – 0.01nh) h3/2 Vertedor rectangular sin contracciones Q= 1.84 h3/2 Vertedor triangular con ángulo de 90 ºC Q= 1.4 h5/2 Vertedor triangular con ángulo de 60 ºC Q= 0.775 h2.47 ó Q= 0.809 h5/2 Vertederos trapezoidales Q= 1.84 (L – 0.1 nh) h3/2 + (8/15) tan C (2g)1/2 h5/2 Vertedor Cipolleti (trapezoidal con inclinación en sus paredes de una

horizontal por 4 vertical) Q= 1.859 Lh3/2

Figura 6. Molinete tipo cónico

Figura 7. Molinete tipo hélice


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Un molinete mide la velocidad en un único punto, es por esto que, para calcular el caudal totalse deben realizar varias mediciones. Según sea el grado de precisión que se quiera obtener enel aforo, se tomarán mayor o menor número de puntos de medida en la sección. Cuando sepretende obtener una alta precisión, se elegirán mayor número de verticales en la sección y secalculará la velocidad media en cada vertical. Para cada sección entre dos verticales demedida, el área se calcula como el producto del promedio del alto por el ancho, y la velocidad

media como el promedio de las velocidades medias en las verticales. El caudal de cada secciónresulta directamente como el producto del área y la velocidad media, mientras que el caudaltotal se calcula como la suma de los caudales entre verticales. (Ver fig ura 8)

Figura 8. Cálculo del caudal a partir de las mediciones efectuadas con un molinete.

f) Aforador Parshall.

Los canales Parshall se emplean para medir flujos en zanjas y canales abiertos, donde solo sedispone de caídas de carga pequeñas. Estos proporcionan una buena precisión en intervalosgrandes de flujo. Bajo condiciones normales de flujo libre, por ejemplo, un canal Parshall con

una garganta de 9” de ancho podrá medir con precisión flujos de 45 a 2800 gpm (0.17 a 10.6m3/min.). Una ventaja adicional es que el diseño del canal no ofrece trampas que acumulenresiduos.

La f igura 9 ilustra un diseño típico de un canal Parshall. Pueden comprarse revestimientosprefabricados de casi cualquier tamaño. El revestimiento puede emplearse simplemente comola parte interior de una estructura de concreto dejando el revestimiento permanentemente en sulugar. Para uso temporal puede emplearse una construcción de madera.

El flujo es proporcional a la carga (profundidad) del agua en la sección convergente del canal,medida a las dos terceras partes de la longitud de la sección convergente aguas arriba de lagarganta.


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Los aforadores Parshall están calibrados para una altura piezométrica (ha), medida en un lugardefinido de la sección convergente. La altura piezométrica de aguas abajo (hb) se mide en lasección de la garganta. Los aforadores Parshall se construyen de muy diversos tamaños y seclasifican según sea la anchura en la sección de garganta. El Parshall más pequeño tiene unaanchura de garganta de 1” (25,4 mm) y el más grande de 50 ft (15.250 mm.). La ecuación dedescarga es de la forma siguiente:

Figura 9. Aforador Parshall.

5. CONCLUSIONES.

La medición del flujo es un auxiliar necesario de las técnicas de muestreo; sin una mediciónexacta, es muy poco lo que pueden lograr los métodos de tratamiento, ya que no es posible

establecer el volumen de desechos que se descargan a cuerpos receptores. La medición delflujo tiene un valor inestimable para la conservación de uno de los valores materiales maspreciados del hombre, el agua. Las consideraciones económicas ocupan un lugarpreponderante en las mediciones de flujo, del agua para uso industrial y de desecho.

Para resolver muchos problemas de abastecimiento de agua, su uso y disposición final, espreciso conocer su caudal y la concentración de las sustancias que lleva.

Q= Khau

Donde:

K= coeficiente que depende del ancho de la gargantau= coeficiente que varia entre 1.522 y 1.60ha= altura piezométrica en la sección de control A


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6. BIBLIOGRAFIA.

Kemmer F.N., McCallion J., “NALCO MANUAL DEL AGUA, SU NATURALEZA,TRATAMIENTO Y APLICACIONES TOMO I”, Segunda edición 1989, Mc GrawHill,México, DF, pp. 7 – 11

American Society Testing and Materials Philadelfia Pensilvania, “MANUAL DE AGUASPARA USO INDUSTRIAL”, Tercera edición 2000, Limusa, México, DF, pp. 166-177

Barrios N. C., Torres R.R., Lampoglia T.C., Pittman R.A., “GUIA DE ORIENTACION DESANAMIENTO BASICO”, 2009, http://www.cepis.ops-oms.org/bvsacg/guialcalde/0gral/0contenido.htm

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