I

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MACHALA

FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

CARRERA DE ACUACULTURA

TRABAJO DE TITULACIÓN SOMENTIDA A CONSIDERACIÓN DEL CONSEJO

DIRECTIVO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS COMO

REQUISITO PREVIO PARA OPTAR AL GRADO DE:

INGENIERO ACUACULTOR

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO HIDRÁULICO PARA

PRUEBA DE CAUDALES APLICADO A LA ACUACULTURA

CARLOS ALBERTO MÁRQUEZ PIZARRO

2015

II

CERTIFICACIÓN

Esta tesis ha sido aceptada en la forma presente por el tribunal de grado nominado por el H.

Consejo Directivo de la Facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad Técnica de

Machala, como requisito parcial para obtener el título de:

INGENIERO ACUACULTOR

______________________________ Ing. Guillermo Baños Cruz Mg Sc., Director

___________________________________________________

Ing. Acuac. Omar Sánchez Romero Mg. Sc., Profesor Miembro

___________________________________________________

Ing. Acuac César Valarezo Macías Mg. Sc., Profesor Miembro

III

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MACHALA FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

ACTA DE CESIÓN DE DERECHOS DE TESIS DE GRADO Y TRABAJOS DE

TITULACIÓN

Consigno con el presente escrito la cesión de los Derechos de Tesis de Grado/Trabajo de

Titulación, de conformidad con las siguientes clausulas:

PRIMERA

Por sus propios derechos y en calidad de Director de Tesis el Ing. Ing. Guillermo Baños Cruz

Mg Sc, el tesista Sr. Carlos Alberto Márquez Pizarro, por sus propios derechos, en calidad de

Autor de Tesis.

SEGUNDA

El/la Tesista Sr. Carlos Alberto Márquez Pizarro, realizó la Tesis Titulada: “Diseño y

Construcción de un Banco Hidráulico para prueba de Caudales Aplicado a la Acuacultura”,

para optar por el título de Ingeniero Acuacultor, en la Facultad de Ciencias Agropecuarias de

la Universidad Técnica de Machala, bajo la dirección del Docente Ing. Guillermo Baños Cruz

Mg Sc. Es política de la Universidad que la Tesis de Grado se aplique y materialice en

beneficio de la colectividad.

Los comparecientes Ing. Ing. Guillermo Baños Cruz Mg Sc. Como Director de Tesis y el/ la

tesista Sr. Carlos Alberto Márquez Pizarro, como Autor/a de la misma, por medio del

presente instrumento, tienen a bien ceder en forma gratuita sus Derechos en la Tesis de Grado

Titulada: “Diseño y Construcción de un Banco Hidráulico para prueba de Caudales Aplicado

a la Acuacultura”, a favor de la Facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad

Técnica de Machala y conceden autorización para que la Universidad pueda utilizar esta

Tesis en su favor y/o de la colectividad, sin reserva alguna.

IV

APROBACIÓN

Las partes declaran que reconocen expresamente todo lo estipulado en la presente Cesión de

Derechos.

Para constancia suscriben la presente Cesión de Derechos en la Ciudad de Machala a los

……….días del mes de ………… del año 2015.

Ing. Guillermo Baños Cruz Mg Sc Sr. Carlos Alberto Márquez Pizarro

DIRECTOR DE TESIS AUTOR

V

La responsabilidad del contenido del presente

trabajo de investigación es única y exclusiva

de su autor.

Carlos Alberto Márquez Pizarro

VI

DEDICATORIA

Con todo mi cariño y mi amor para las personas que hicieron todo en la vida para que yo

pudiera lograr mis sueños, por motivarme y darme la mano cuando sentía que el camino se

terminaba, a ustedes por siempre mi corazón y mi agradecimiento.

Pedrito y Lupita

Carlos Alberto Márquez Pizarro

VII

AGRADECIMIENTO

El presente trabajo de tesis primeramente me gustaría agradecerte a ti San Expedito por

bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque hiciste realidad este sueño anhelado.

A la UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MACHALA – FACULTAD DE CIENCIAS

AGROPECUARIAS – ESCUELA DE ACUACULTURA por darme la oportunidad de

estudiar y ser un profesional.

A mi director de tesis, Ing. Guillermo Baños Cruz por su esfuerzo y dedicación, quien con sus

conocimientos, su experiencia, su paciencia y su motivación ha logrado en mí que pueda

terminar mis estudios con éxito.

También me gustaría agradecer a mis profesores durante toda mi carrera profesional porque

todos han aportado con un granito de arena a mi formación.

De igual manera agradecer a mis amigos Byron Cevallos, Jorge Cabrera, Ricardo Rivera (+)

Vinicio Ruíz y Margarita González, personas que me motivaron a salir adelante y no

detenerme en mis estudios.

Y por último a mis hermanas Wendoline, Rose y a mis Tres sobrinitos, Necsar, Nayib y

Ariannita que son parte de mi esfuerzo y mis ganas de ser un buen profesional.

Son muchas las personas que han formado parte de mi vida profesional a las que me

encantaría agradecerles su amistad, consejos, apoyo, ánimo y compañía en los momentos más

difíciles de mi vida. Algunas están aquí conmigo y otras en mis recuerdos y en mi corazón,

sin importar en donde estén quiero darles las gracias por formar parte de mí, por todo lo que

me han brindado y por todas sus bendiciones.

Carlos Alberto Márquez Pizarro

VIII

ÍNDICE DE CONTENIDO

ÍNDICE

Tema Pàgina

1. INTRODUCCIÒN……………………………………………………………...... …. 1

2. REVISIÒN DE LITERATURA…………………………………………………. …. 3

2.1.CONCEPTO E IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA HIDRÀULICA…......... 3

2.2. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS……………………………………………… 4

2.2.1.EL PESO ESPICÌFICO……………………………………………………………. 4

2.2.2.DENSIDAD……………………………………………………………................... 4

2.2.3.VISCOCIDAD………………………………………………………....................... 4

2.2.4.HIDROSTÀSTICA…………………………………………………........................ 4

2.2.5. PRESIÒN DE UN FLUIDO……………………………………….......................... 4

2.2.6. HIDRODINÀMICA……………………………………….......................................4

2.2.7. PRESIÒN ATMOSFÈRICA………………………………......................................5

2.3. ECUACIÒN DE LA CONTINUIDAD (Conservación de la masa)..........................5

2.4. ECUACIÒN DE BERNOULLI …………………………..........................................6

2.5. BANCO HIDRAULICO ………………………….....................................................6

2.6. GENERALIDADES ………………………….............................................................6

2.6.1. REQUERIMIENTO DEL EQIPO …........................................................................6

IX

2.7.1. ESPECIFICACIONES…………………...................................................................7

3. MATERIALES Y METODOS ……….......................................................................19

3.1. LUGAR DE LA REALIZACIÒN …….....................................................................19

3.2. MATERIALES ……...................................................................................................19

3.2.1. EQUIPOS Y MATERIALES ..............................................................................19

3.2.1.1. EQUIPOS ...........................................................................................................19

3.2.1.2 .MATERIALES .....................................................................................................20

3.3 .VARIABLES .............................................................................................................20

3.3 .1. MEDICIÒN DE LAS VARIABLES ...................................................................20

3.4. METODOLOGIA ....................................................................................................20

3.5. DISEÑO EXPRIMENTAL ....................................................................................21

4. RESULTADO Y DISCUCIÒN ...............................................................................22

4.1. CALCULO DE MEDICIÒN DE VERTEDERO CUADRADO ….. ....................22

4.2. CALCULO DE MEDICIÒN DE VERTEDERO RECTANGULAR…. ...............23

4.3. CALCULO DE MEDICIÒN DE VERTEDERO TRIANGULAR…....................24

5. CONCLUSIONES .. .................. .. .................. .. .................. .. ................. .................25

6. RECOMENDACIONES .. .................. .. .................. .. .................... ..........................26

7. RESUMEN .. .................. .. .................. .. ....................................................................27

8. SUMARY .. .................. .. .................. .. .................. .. .................................................28

9. BIBLIOGRAFIA .. .................. .. .................................................................................29

X

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro 1: Calculo de medición de caudal en el vertedero rectangular 22

Cuadro 2: Calculo de medición de caudal en el vertedero cuadrado

23

Cuadro 3: Calculo de medición de caudal en el vertedero triangular

24

XI

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Vista de planta de un vertedero rectangular sin contracciones 10

Figura 2. Instalación de un vertedero rectangular 11

Figura 3: Diagrama del movimiento de fluidos a través de un vertedero 11

Figura 4: Corte transversal de un vertedero cuadrado 12

Figura 5: Hoja de cálculo de caudal 15

Figura 6: Vertedero triangular 17

XII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Recolección de datos 18

Tabla 2: Presentación de resultados 18

XIII

ÍNDICE DE APENDICES

Foto 1: Imagen satelital de la Facultad de Ciencias Agropecuarias 19

Foto 2: Modelo de Banco Hidráulico 32

Foto 3: Colocación de vertedero 32

Foto 4: Realizando medición en el vertedero rectangular 33

Foto 5: Funcionamiento del vertedero cuadrado 33

Foto 6: Tomando tiempo de llenado de la probeta 34

Foto 7: Tipos de vertederos con los que se trabajó 34

1

1. INTRODUCCIÓN

Los laboratorios juegan un papel muy importante en la Educación Superior como un lugar en

el que los estudiantes puedan aplicar los conocimientos teóricos a situaciones reales. Sin

embargo, estos son bastante modestos y permiten solo la implementación de dispositivos muy

básicos. En este sentido, los programas de teóricos se pueden usar para complementar las

prácticas de hidráulica acuícola y también para reforzar conceptos previos.

Se considera que es necesario contar con este tipo de equipos, en virtud de que se puedan

alcanzar los objetivos propuestos para los programas académicos y de igual modo los

estudiantes de la carrera de ingeniería acuícola puedan relacionar la teoría con la práctica,

para eso se construyó un banco hidráulico el cual permite apoyar a los docentes y alumnos

para medir el gasto, caudal y la velocidad del flujo que circula por los vertederos.

En la actualidad los estudiantes de la Carrera de Ingeniería Acuícola, no poseen los

conocimientos prácticos suficientes, lo que se generan vacíos elementales en el área de

Hidráulica en su formación integral como futuro profesional, teniendo como consecuencia

menor competitividad a nivel académico y laboral.

Con el Banco Hidráulico se pretende aportar los conocimientos fundamentales a nivel de

laboratorio en la formación del Ingeniero Acuicultor.

ºCon este propósito se han planteado los siguientes objetivos:

2

OBJETIVO GENERAL.

Diseñar y construir un banco hidráulico para la determinación de caudales y su aplicación

didáctica.

OBJETICOS ESPECÍFICOS.

1. Calibración de vertederos (triangular, rectangular y cuadrado).

2. Determinación del coeficiente de descarga en vertederos de distinto tipo.

3. Determinar las ecuaciones de patronamiento de los distintos dispositivos para la

medición de caudales.

3

2. REVISIÓN DE LITERATURA

2.1 CONCEPTO E IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA

HIDRÁULICA

La hidráulica es la parte de la física que estudia la mecánica de los fluidos; su estudio es

importante ya que nos posibilita analizar las leyes que rigen el movimiento de los líquidos y

las técnicas para el mejor aprovechamiento de las aguas. También, mediante el cálculo

matemático, el diseño de modelos que a pequeña escala y la experimentación con ellos, es

posible determinar las características de construcción que deben de tener presas, puertos,

canales, tuberías y maquinas. Se la divide en dos partes: la Hidrostática, que tiene por

objetivo estudiar los líquidos en reposo, se fundamenta en leyes y principios como el de

Arquímedes, Pascal y la paradoja hidrostática de Stevin, los mismos que contribuyen a

cuantificar las presiones ejercidas por los fluidos, y al estudio de sus características generales.

La Hidrodinámica estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento. Para ello

considera, entre otras cosas: la velocidad, la presión, el flujo y el gasto líquido.1

2.2 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Las propiedades de los fluidos se definen y estudian :

1 http://fisicamrm.blogspot.com/

4

2.2.1 El PESO ESPECÍFICO (Ƴ) Se define como peso específico al peso de la unidad de volumen de una sustancia.

2.2.2 DENSIDAD (ρ)

La densidad de una sustancia se la obtiene dividiendo la masa por la unidad de

volumen.

2.2.3 VISCOCIDAD ( µ )

La viscosidad de un fluido es la medida de la facilidad o dificultad relativas con que

puede formarse una partícula del mismo

2.2.4 HIDROSTÁTICA

Es la rama de la hidráulica que estudia los fluidos en estado de reposo, es decir, sin

que alteren su movimiento o posición.

2.2.5 PRESIÓN DE UN FLUIDO

La presión inicia la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa. En

cualquier caso en que exista presión, una fuerza actuará en forma perpendicular sobre

una superficie. Matemáticamente la presión se expresa por:

P=F/A

Donde P = Presión en N/m2 = Pascal

F = Valor de la fuerza perpendicular a la superficie en newtons (N) A = Área o

superficie sobre la que actúa la fuerza en metros cuadrados.

5

2.2.6 HIDRODINÁMICA

La hidrodinámica es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los

líquidos en movimiento.

2.2.7 PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Es el peso de los gases de la atmosfera que actúan sobre la superficie de la tierra

debido al efecto de la gravedad.

El manejo del agua en canales es fundamental para determinar las eficiencias de operación en

sistemas de conducción a superficie libre. El manejo está relacionado con la regulación del

flujo, que consiste en determinar los gastos que circularán y/o los niveles a regular dentro de

la red, de acuerdo con la variación espacial y temporal durante la operación. Otro aspecto

importante tiene que ver con la medición del flujo en el sistema, por lo que es importante

conocer las características hidráulicas predominantes durante su operación y definir las

ecuaciones que mejor representan el fenómeno.

2.3 ECUACIÓN DE LA CONTINUIDAD (Conservación de la masa)

Hace referencia a la constancia del flujo a lo largo del camino recorrido por el flujo, su

enunciado es: El flujo de un fluido en movimiento es el mismo en dos puntos diferentes del

camino recorrido por el fluido. En términos matemáticos es:

Q1 = Q2

2.4 ECUACIÓN DE BERNOULLI (Conservación de la energía)

6

Cuando un fluido se mueve por una región en que su rapidez o su altura se modifican, la

presión también cambia.

2.5 BANCO HIDRÁULICO

El Banco Hidráulico ha sido diseñado para instruir a los estudiantes en los diferentes aspectos

de la teoría hidráulica, y está presente en numerosos laboratorios relacionados con la física y

la ingeniería, los mismos que son utilizados en experimentos y prácticas relacionadas con la

hidráulica.

2.6 GENERALIDADES

2.6.1 REQUERIMIENTOS DEL EQUIPO

1. Este equipo requiere una alimentación eléctrica de 110V, Frecuencia: 60 Hz

2. Un suministro temporal de agua es necesario para llenar el tanque colector. (Capacidad:

250 litros). La conexión al suministro de agua no es necesaria cuando el banco está en uso.

3. La conexión temporal de drenaje es necesaria para el vaciado del tanque colector después

de su uso. Una manguera flexible debe ser conectada a la válvula de drenaje ubicada en la

parte frontal del tanque colector.

4. Es recomendable disponer de 1 a 2 metros alrededor del equipo para un mejor manejo, y

así, una mejor utilización.

5. El emplazamiento definitivo deberá estar bien iluminado, con luz natural o bien artificial.

Esto proporcionará comodidad, y evitará errores y accidentes.

6. El equipo debe mantenerse en condiciones de 22ºC y 50% de humedad relativa.

Fuera del 25% de estas condiciones, el equipo puede deteriorarse. Por ello, se debe evitar

lo siguiente:

Dejar el equipo conectado al finalizar un trabajo.

Dejar agua en los recipientes al finalizar un trabajo.

7

Dejar el equipo expuesto al sol o luz directa excesiva, de forma continua.

Dejar el equipo en ambientes de más del 80% de humedad relativa.

Dejar el equipo en un ambiente químico, salino, de luz directa, calor o ambiente

agresivo.2

2.7 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL BANCO HIDRÁULICO PARA

MEDICIÓN DE CAUDAL

El banco está fabricado en plástico de bajo peso, resistente a la corrosión, y las ruedas

en que va montado le confieren movilidad. La parte superior del banco incorpora un canal

abierto con canales laterales que sirven de apoyo al accesorio que se está ensayando. La

medición volumétrica está integrada, y ha sido elegida frente a otros métodos de medición de

caudal por su facilidad de uso, precisión y seguridad. (Herrera, Hodgson, 2012).

El banco Hidráulico se usa para facilitar la ejecución de experimentos simples en la

hidráulica, comparando la parte teórica recibida en las aulas con la experimentación real

realizada en los laboratorios; demuestra la disposición de una unidad simple en la cual una

pequeña bomba centrífuga abastece de agua; desde un tanque hacia un sistema básico o

complejo de hidráulica. (Herrera, 2012)

2.7.1 ESPECIFICACIONES

Dimensiones

Las dimensiones totales del Banco Hidráulico son las siguientes:

Longitud: 1.13 m

Ancho: 0.73 m

Altura: 1.00 m

Detalles del equipo

Bomba de circulación Tipo: Centrífuga

2 http://www.ftc.uni.edu.ni/pdf/guias_laboratorio/hidraulica.pdf

8

Caudal máximo: 80 lts /min (usando tanque volumétrico)

Potencia del motor: 0.37kw = 0.5 HP

Capacidad del tanque sumidero: 250 lts

2.8 OPERACIÓN DEL BANCO HIDRÁULICO

2.8.1 CONDICIONES DE SEGURIDAD ADECUADAS

Para tener un correcto manejo, mantenimiento y uso del banco hidráulico debemos

aplicar las siguientes medidas de seguridad:

o Que no existan partes móviles desprotegidas.

o Que no existan contactos eléctricos desprotegidos que puedan ser accesibles.

o Que no exista riesgo de roturas.

o Comprobar que todas las conexiones de agua estén bien ajustadas.

o Comprobar que la alimentación eléctrica es la adecuada y tiene las protecciones de

seguridad idóneas, que la alimentación necesaria del equipo es igual a la alimentación

disponible, si dispone de diferencial, si tiene toma de tierra o no, el valor de la toma de

tierra y el valor de la tensión.

o El interruptor de corte está cerca para poder actuar rápidamente en caso de emergencia.

o Las equivocaciones normales del alumno, no causen daño.

2.9 MEDICIÓN DEL VOLUMEN DE CAUDAL

Para medir la tasa del flujo se utilizó:

2.10 VERTEDERO RECTANGULAR

El vertedero es uno de los aparatos más antiguos y más sencillos que se pueda usar para

medir los caudales en los canales. Pueden usarse generalmente cuando hay una diferencia en

nivel en un canal de aproximadamente 15 cm. o más.

Tiene una escotadura a través de la cual corre el agua. De acuerdo a la forma de dicha

escotadura estos se clasifican en triangulares, rectangulares y trapezoidales o Cipoletti. Los

tres tipos son de "cresta aguda" o cresta afilada, lo cual significa que el espesor de la cresta en

9

la dirección del flujo es menor de 2 mm. Si el material del vertedero es más grueso que los 2

mm.

Figura 1: Vista de planta de un vertedero rectangular sin contracciones

Figura 2. Instalación de un vertedero rectangular 3

Los vertederos pueden ser definidos como simples aberturas, sobre los cuales un líquido

fluye. El término se aplica a obstáculos en el paso de la corriente y a las excedencias de los

embalses.

Los vertederos son utilizados, en la medición de caudal de pequeños cursos de agua y

conductos libres, así como en el control de flujos en galerías y canales, razón por la cual su

estudio es de gran importancia.

El vertedero es una placa de cualquier tipo de material; como por ejemplo hierro, aluminio,

madera, concreto que se coloca perpendicularmente en un canal. Cuando hay una corriente de

3 http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000117/contenido/cap5/lec5_1.htm

10

agua, esta placa obliga al agua a almacenarse aguas arriba de ella (de donde viene el agua

generalmente se denomina aguas arriba), para finalmente verter sobre la parte superior y

continuar hacia aguas abajo (hacia dónde va el agua generalmente, se denomina aguas abajo).

El vertedero generalmente se usa para determinar el caudal o gasto (Q), que fluye por encima

del mismo, en función de la carga o altura (H). (Folleto: Laboratorio de Mecánica de

Fluidos).

Por definición se entiende como caudal o gasto Q, la cantidad o volumen de agua que pasa

por una determinada sección en una unidad de tiempo, lo cual queda expresada como:

Fuente: Boletin de Ciencia de la Tierra4

2.11 VERTEDERO CUADRADO

El vertedero es una placa de cualquier tipo de material; como por ejemplo hierro, aluminio,

madera, concreto que se coloca perpendicularmente en un canal. Cuando hay una corriente de

agua, esta placa obliga al agua a almacenarse aguas arriba de ella (de donde viene el agua

generalmente se denomina aguas arriba), para finalmente verter sobre la parte superior y

continuar hacia aguas abajo

4 http://www.revistas.unal.edu.co/ojs/index.php/rbct/article/view/29252/39426

11

Figura 3: Diagrama del movimiento de fluidos a través de un vertedero.

Por definición se entiende por caudal o gasto Q, la cantidad o volumen de agua que pasa por una

determinada sección en una unidad de tiempo, lo cual queda expresado como:

Donde en el sistema internacional,

Q = Caudal expresado en m3 / seg.

Vol. = Volumen expresado en m3

t = Tiempo expresado en segundos

Los vertederos son utilizados, en la medición de caudal de pequeños cursos de agua y

conductos libres, así como en el control de flujos en galerías y canales, razón por la cual su

estudio es de gran importancia.

De los diferentes tipos de vertederos se analizan los de pared delgada, con vena liquida libre.

El caudal o gasto, es proporcional a la carga o altura en una expresión.

12

Figura 4: Corte transversal de un vertedero cuadrado.

Por definición se entiende como caudal o gasto Q, la cantidad o volumen de agua que pasa

por una determinada sección en una unidad de tiempo, lo cual queda expresado como:

Donde:

EL PUNTO 1 = Se encuentra en la superficie, aguas arriba del vertedero

EL PUNTO 2 = Se encuentra en el plano vertical del vertedero o a una altura h por debajo

del punto 1.

P1 = Presión manométrica es el punto 1, la cual por encontrarse en la superficie del agua, en

contacto con la atmosfera es cero.

Ƴ = Peso específico del agua 9,810 N/m3

V1 = Velocidad del fluido en el canal de aproximación la cual por ser muy pequeña en

comparación con el se considera nula o despreciable.

Z1 = Distancia vertical entre el plano de referencia y el punto 1.

P2 = Presión manométrica en el punto 2, la cual es cero, ya que las partículas del agua al

cruzar el vertedero, se puede considerar en caída libre.

V2 = Velocidad del agua en el punto 2.

Z2 = Distancia vertical entre el plano de referencias y el punto 2.

13

Hf1-2 = Perdidas de energía entre los puntos 1 y 2, los cuales se consideran despreciables

g = Aceleración de gravedad, 9,81 m/seg2.

Al sustituir estas condiciones en la ecuación 2 se puede escribir que:

La diferencia de nivel entre los puntos 1 y 2, según se observa en la figura 2 es:

Despejando la velocidad se obtiene:

Por otra parte, según la ecuación de la conservación de la masa o continuidad, se expresa que

el caudal teórico es:

Donde:

dQt = Diferencial de caudal teórico, m3/s

V = Velocidad perpendicular a la sección transversal A m/s.

dA = Diferencial del área de la sección transversal del flujo, m2 , en el presente caso es igual

al dh.

Al sustituir la ecuación 6 en la ecuación 7 se obtiene:

El caudal total se obtiene al integrar la ecuasión 8, desde h = 0 hasta h = H asi:

14

Integrando se obtiene qué:

De este modo, el caudal teórico que fluye a través de todo el vertedero se obtiene integrando

la ecuación 10.

Cuando en la deducción de la ecuación 11 se tiene en cuenta el efecto de la contratación de la

vena líquida y las pérdidas provocadas por la fricción, se obtiene la descarga o caudal real.

Dicho caudal real es menor que el teórico y puede calcularse introduciendo en la ecuación 11

un coeficiente de descarga que se determina experimentalmente para cada vertedero.

Comparando las ecuaciones 11 y 12, es obvio que el coeficiente de descarga se calcula como

el cociente entre caudal real y teórico.

2.11.1 PROCEDIMIENTO

1. Asegurar que el Banco hidráulico este en posición de trabajo.

2. Colocar la placa dentro del canal y asegurarla.

3. Poner sobre el banco hidráulico donde consta el vernier para medir la altura

15

4. Se deja pasar agua hasta que llegue a la altura de la cresta del vertedero con la finalidad

de fijar la altura en el limnimetro.

5. Esperar que se estabilice el flujo y por medio del limnimetro medir la carga sobre el

vertedor. Una vez que se tenga la información anterior se procede a determinar el

volumen que pasa por el vertedor en un determinado tiempo, calculando el gasto y

consignando los resultados en la tabla adjunta.

6. Conforme a los valores encontrados, se puede calcular el coeficiente de gastos al

comparar los gastos teóricos y aforado, pudiendo finalmente calcular el coeficiente de

descarga, consignando los resultados en la tabla.

7. Se varia el gasto en el banco hidráulico al maniobrar la válvula y se repiten los pasos 5

y 6, pudiendo posteriormente a variar nuevamente el gasto hasta obtener resultados de

cuando menos 5 caudales diferentes.

Figura 5: Hoja de cálculo de caudal

Porcentaje de error:

El valor del coeficiente de descarga (cd) también se lo puede obtener mediante la siguiente

ecuación:

16

Otra manera de hallar el caudal es aplicando la fórmula de Francis:

El cuadro siguiente incluye valores para la fórmula de Francis para un metro de longitud del

vertedero. Para los vertederos con un ancho menor o mayor de un metro, se multiplican los

valores indicados por el valor correspondiente a la longitud real.

17

Aplicación de la tabla:

2.12 VERTEDERO TRIANGULAR

Cuando los caudales son pequeños es conveniente aforar usando vertederos en forma de V

puesto que para pequeñas variaciones de caudal la variación en la lectura de la carga

hidráulica H es más representativa.

Figura 6: Vertedero triangular5

Para medir caudales muy pequeños (menos de 6 litros por segundo), se obtiene mejor

precisión utilizando aliviaderos de pared delgada de sección triangular, pues la presión varía

con la altura, dándose un gran gradiente de velocidad entre la parte inferior del triángulo y la

superior.1 El caudal sobre un aliviadero triangular es dado por la fórmula:

Dónde:

= ángulo del vértice del triángulo

= aproximadamente a 0.58 variando ligeramente con la carga y el ángulo de la

abertura.5

5 http://es.wikipedia.org/wiki/Vertedero_de_pared_delgada

XVIII

2.13 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EN LA MEDICIÓN DE

VOLÚMEN

Conectar la bomba.

Abrir la válvula de vaciado para vaciar el tanque de volumétrico. Cuando este esté

vaciado, conecte la bomba y cierre la válvula de vaciado.

Para medir el caudal debemos cerrar la válvula de purga, para ello levantamos el

accionador con una media vuelta de tuerca y que pose sobre el orificio de purga,

consiguiendo que el agua no vuelva al tanque. Con ello podemos ver como el depósito

comienza a llenarse.

Al mismo tiempo que el depósito se llena, si observamos la regla del banco podremos

comprobar cómo en ella comienza a subir el nivel de agua.

Una vez que llegamos a esta situación lo que tenemos que hacer es tomar una referencia

(por ejemplo el cero del tramo superior), cuando el agua llegue a ese nivel ponemos en

marcha el cronómetro.

Tabla 1: Recolección de datos

Lectura # Volúmen inicial

(lts)

Volúmen final

(lts

)

Volúmen

colectado (lts)

Tiempos promedios

registrados (seg)

1

2

3

4

Fuente: Guías de laboratorio de Hidráulica I

Tabla 2: Presentación de resultados

Fuente: Guías de laboratorio de Hidráulica I

Lectura # Caudal (l/s) Caudal (l/min) Caudal (gpm) Caudal

(gal/dia)

Caudal

(m3/seg)

18

XIX

3. MATERIALES Y MÉTODOS

3.1 LUGAR DE REALIZACIÓN

El presente trabajo se realizó en el laboratorio de Ecología y Bioensayos de la facultad de

Ciencias Agropecuarias de la Universidad Técnica de Machala, perteneciente al Cantón

Machala de la Provincia de El Oro, cuyas coordenadas geográficas son:

Longitud: 79º17' 30.29” Oeste

Latitud: 3º 17' 30.29” Sur

Foto 1: Imagen satelital de la Facultad de Ciencias Agropecuarias

3.2 MATERIALES

3.2.1 EQUIPOS Y MATERIALES

3.2.1.1. EQUIPOS

Bomba de ½ pulgada.

Probeta graduada de 1000 ml

19

XX

Cronómetro

Manguera

3.2.1.2 MATERIALES

Armazón de hierro alto :1.10 m, largo: 1.13 m y ancho: 0.73 m

Tubería PVC de 2”

Codos

Ruedas

Plancha de fibra de vidrio 1.10 x 1.20 m.

Tanque de 200 l.

3.3 VARIABLES

Dentro de esta investigación se determinó las siguientes variables que son:

Carga sobre el vertedero. (cm).

Volumen (probeta graduada) (cm³).

Tiempo de llenado (segundos).

Caudal (real y teórico) (cm³/seg).

Coeficiente de descarga (de acuerdo al vertedero): rectangular, cuadrado y

triangular

3.3.1 MEDICIÓN DE LAS VARIABLES

Altura del agua sobre el vertedero.

Tiempo.

Volumen de agua (cilindro graduado).

3.4 METODOLOGÍA

Esta tesis se basó en investigación descriptiva, por cuanto se estudia la problemática de la

medición de caudales en un banco hidráulico. Este trabajo se realizó bajo la modalidad de

proyecto factible, para ser puesto en práctica y dar una respuesta a los problemas encontrados

en la medición de caudales en vertederos, y de esta manera facilitar la comprensión teórica

con la práctica a los alumnos de hidráulica de la Escuela de Ingeniería Acuícola.

20

XXI

En base al planteamiento anterior, se debe desarrollar lo siguiente:

Determinar el caudal medio, utilizando el método volumétrico.

3.5 DISEÑO EXPERIMENTAL

En esta investigación se utilizó el método estadística descriptiva, a través de gráficos con el

fin de mostrar la distribución general de los datos, más representativos destinados al estudio.

21

XXII

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 CÁLCULO DE MEDICIÓN VERTEDERO CUADRADO

En los vertederos la velocidad del flujo en el canal de aproximación es uniformemente

distribuida, en donde las paredes están exentas de rugosidad y que la sección transversal es de

forma rectangular.

La precisión en la medida de caudales en los vertederos de paredes delgadas, depende de la

precisión de la medición de la carga hidráulica, de la precisión del acabado del corte, y

de la precisión de los coeficientes a ser aplicados en la fórmula adoptada para el cálculo.

En el vertedero cuadrado de paredes delgadas, el corte es rectangular con un ancho igual al

del curso de agua (sin contracción), o con ancho menos que el mismo (con contracción).

La superficie metálica que constituye la cresta y las partes laterales del vertedero, deben

estar formadas por superficies planas y perpendiculares al flujo de agua.

La línea de la cresta debe ser horizontal y las superficies laterales del vertedero deben formar

un ángulo perfecto de 90° con la misma.

El vertedero debe ubicarse en una sección recta de la parte rectangular del canal, donde

exista la mínima rugosidad en las paredes laterales y en el fondo.

22

XXIII

Cuadro 1: Cálculo de medición de caudal en el vertedero cuadrado

N Banco Hidráulico

Carga sobre el vertedero H(cm)

Volumen (cm3)

Tiempo (seg) Caudal

Real(QR) (cm3/seg)

Caudal teórico

(QT) (cm3/seg)

Cd

1 0,022 500 4,15 0,000120 0,000963 0.1246

2 0,022 500 4,33 0,000115 0,000963 0.1194

3 0,022 500 4,51 0,000110 0,000963 0.1142

4 0,027 500 4,32 0,000116 0,000131 0.0885

5 0,027 500 4,22 0,000118 0,000131 0.0901

6 0,027 500 4,02 0,000124 0,000131 0.0949

7 0,035 500 3,07 0,000163 0,000193 0.0845

8 0,035 500 2,71 0,000185 0,000193 0.0959

9 0,035 500 2,51 0,000119 0,000193 0.1031

10 0,035 500 2,33 0,000215 0,000193 0.1112

Promedio 0.10264

Ecuación de comparación de caudal de un vertedero cuadrado

4.2. CÁLCULO DE MEDICIÓN VERTEDERO RECTANGULAR

Es un dispositivo utilizado para controlar y medir pequeños caudales de líquidos en canales

abiertos. Consta básicamente de un corte de forma y acabado geométricamente bien

definidos, practicando en una plancha resistente, por la cual escurre el líquido,

manteniendo la superficie libre.

Se dice que el flujo es uniforme si la profundidad de flujo es la misma en cada sección del

canal, el flujo uniforme puede ser permanente cuando, la profundidad del flujo no cambia

durante el intervalo de tiempo, y puede ser flujo no permanente cuando la superficie del

agua fluctuara de un tiempo.

Cuadro 2: Cálculo de medición de caudal en el vertedero rectangular

23

XXIV

N Banco Hidráulico

Carga sobre el vertedero H,(cm)

Volumen (cm3)

Tiempo (seg) Caudal

Real(QR) (cm3/seg)

Caudal teórico

(QT) (cm3/seg)

Cd

1 0,006 500 3,05 0,00016 0,00014 1,17096

2 0,006 500 3,43 0,00015 0,00014 1,07143

3 0,006 500 3,87 0,00013 0,00014 0,92285

4 0,008 500 2,07 0,00024 0,00021 1,15022

5 0,008 500 2,47 0,00020 0,00021 0,96395

6 0,008 500 2,45 0,00020 0,00021 0,96395

7 0,010 500 1,68 0,00030 0,00030 0,98427

8 0,010 500 1,43 0,00035 0,00030 1,16550

9 0,010 500 1,83 0,00027 0,00030 0,91075

10 0,010 500 1,61 0,00031 0,00030 1,03520

Promedio 1.033908

Ecuación de comparación de caudal de un vertedero rectangular

4.3. CÁLCULO DE MEDICIÓN VERTEDERO TRIANGULAR

El vertedero triangular consiste en un corte en forma de “V” efectuado en una plancha

metálica fina; la bisectriz del ángulo del corte debe ser vertical y equidistante a los lados del

canal de aproximación.

La plancha que se utiliza para hacer el vertedero, debe ser plana, de acabado liso y uniforme.

La superficie metálica que constituye la cresta del vertedero y los costados laterales del corte

aguas arriba, deben quedar perpendiculares a la dirección del flujo de agua.

20

24

XXV

Cuadro 3: Cálculo de medición de caudal en el vertedero triangular

N Banco Hidráulico

Carga sobre el vertedero H(cm)

Volumen (cm3)

Tiempo (seg) Caudal

Real(QR) (cm3/seg)

Caudal teórico

(QT) (cm3/seg)

Cd

1 0,026 500 3,27 0,000153 0,000148 1.032

2 0,026 500 3,83 0,000131 0.000148 0.875

3 0,026 500 3,85 0,000129 0.000148 0.868

4 0,029 500 3,08 0,000162 0.000195 0.815

5 0,029 500 2,91 0,000172 0.000195 0.865

6 0,029 500 2,91 0,000172 0.000195 0.865

7 0,030 500 2,17 0,000231 0.000212 1.081

8 0,030 500 2,28 0,000219 0.000212 1.029

9 0,030 500 2,38 0,000219 0.000212 1.029

10 0,030 500 2,45 0,000204 0.000212 0.959

Ecuación de comparación de caudal de un vertedero triangular

25

XXVI

CONCLUSIONES

1. Se cumplió el objetivo principal que era diseñar y construir un banco de pruebas para

ensayos de pérdidas de carga en tuberías y accesorios.

2. Al estudiar el paso del caudal por el vertedero, se concluye que puede disminuir la

velocidad por efectos de fricción dependiendo del material con que está construido

estado en que está la misma (nueva, usada o muy usada), la longitud y la velocidad de

circulación del flujo.

3. Se observó en el banco de pruebas que antes de realizar la lectura del volumen del

fluido se necesita tiempo para estabilizar el llenado y esto a la vez permita obtener una

lectura precisa en tiempo real.

4. Antes de realizar los cálculos se debe seleccionar una bomba que garantice

confiabilidad y seguridad, con objeto que la bomba trabaje al límite o por debajo de lo

deseado.

26

XXVII

5. RECOMENDACIONES

1. Es recomendable que los vertederos vayan bien atornillados para que no haya alguna

filtración de agua y así poder hacer una correcta medición.

2. El medidor debe instalarse en una región estable, existente aguas arriba del vertedero.

3. Se recomienda que el nivel del agua, aguas abajo del vertedero esté, como mínimo, a

0.10 m abajo del punto más bajo del corte “V.

4. Al momento de tomar el tiempo con el cronómetro hacerlo con la mayor precisión

posible, ya que esto influye mucho para obtener un buen resultado del caudal real.

5. La regleta debe ser colocada en la cara aguas arriba de la estructura del vertedero, a

suficiente distancia hacia un lado para que se encuentre en agua tranquilas. El cero de la

regla del vertedero o de la regleta debe enrasarse con la cresta del vertedero.

6. La carga hidráulica mínima para vertederos triangulares es de 6 cm y para rectangulares

2 cm, a fin de evitar que la lámina de agua quede adherida a la solera.

7. Siempre debe darse preferencia al uso de vertederos rectangulares para caudales

estimados superiores a 300 L/s, por poseer coeficientes de caudal mejor definidos y

mayor precisión en el cálculo de los caudales.

8. Para caudales estimados inferiores a 30 L/s, los vertederos triangulares con ángulos de

corte de 90° son los que ofrecen mayor precisión.

27

XXVIII

6. RESUMEN

La hidráulica es la parte de la física, estudia la mecánica de los fluidos. Su estudio es

posibilita analizar las leyes que rigen el movimiento de los líquidos y las técnicas para el

mejor aprovechamiento de las aguas. También, mediante el cálculo matemático, el diseño de

modelos a pequeña escala y la experimentación con ellos, es posible determinar las

características de construcción que deben de tener presas, puertos, canales, etc.

Los laboratorios juegan un papel muy importante en la Educación Superior como un lugar en

el que los estudiantes puedan aplicar los conocimientos teóricos a situaciones reales. Sin

embargo, estos son bastante modestos y permiten solo la implementación de dispositivos muy

básicos. En este sentido, los programas de teóricos se pueden usar para complementar las

prácticas de hidráulica y aplicar en la práctica los conceptos.

Se construyó el banco hidráulico y se instaló en el laboratorio de Ecología y Bioensayos de la

Carrera de Ingeniería Acuacultura.

El banco hidráulico compuesto de un tanque de almacenamiento y un sistema provisional que

previa la alineación permite realizar aforos para determinar el caudal que circula por el

vertedero según su figura a la salida del depósito.

Se considera que es necesario contar con este tipo de equipos, en virtud de que se puedan

alcanzar los objetivos propuestos para los programas académicos y de igual modo los

estudiantes de la carrera de ingeniería acuícola puedan relacionar la teoría con la práctica,

para eso se construyó un banco hidráulico el cual permite apoyar a los docentes y alumnos

para medir el gasto, caudal y la velocidad del flujo que circula por las compuertas

(vertederos).

Con el Banco Hidráulico se pretende aportar a los conocimientos fundamentales a nivel de

laboratorio en la formación del Ingeniero Acuicultor.

Palabras claves: hidráulica, banco hidráulico, fluidos, flujo, aforos, vertederos, gasto, caudal,

velocidad, cálculo matemático, presas, puertos, canales, compuertas.

28

XXIX

8. SUMMARY

Hydropower is the part of physics, studying fluid mechanics. Their study is possible to

analyze the laws governing the motion of liquids and techniques for better utilization of the

waters. Also, by mathematical calculation, the design of small-scale models and experiment

with them, you can determine the design characteristics that must have dams, harbors and

canals.

The laboratories play an important role in higher education as a place for students to apply

theoretical knowledge to real situations. However, these are quite modest and only allow the

implementation of very basic devices. In this sense, theoretical programs can be used to

complement the practical hydraulic and apply in practice the concepts. Hydraulic bench was

constructed and installed in laboratory bioassays Ecology and Aquaculture Race Engineering.

The hydraulic bench consists of a storage tank and a provisional pre-alignment system that

allows appraisals to determine the flow through the spillway according to your figure to the

tank outlet.

It is considered necessary to have this type of equipment, under which they can achieve the

objectives for academic programs and similarly students career aquaculture engineering can

link theory with practice, for it was built a hydraulic bench which allows support the teachers

and students to measure spending, flow and speed of flow through the gates (landfill).

With hydraulics bench is to provide fundamental knowledge in the laboratory in the formation

of farmer Engineer.

Keywords: hydraulic, hydraulic bench, fluid flow gauging, landfills, spending, flow, speed,

mathematical calculation, dams, harbors, canals, sluices.

29

XXX

9. BIBLIOGRAFÍA

1. ANDREW S.1992. Hidráulica Básica. Editorial Limusa. México.

2. BARRIO, R, PARRANDO, J, BLANCO E Y FERNÁNDEZ, J. 2011. Introducción

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trabajo propio. Revista de Formación e innovación Educativa universitaria. p. 55-

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3. CASTRO, M. 2005. Diseño y construcción de un banco hidráulico para pruebas de

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4. BAÑOS, G. 2008. Folleto: Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Vertedero Rectangular

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5. MOTESDEOCA, D y TOAPANTA, E. 2005. Diseño y construcción del banco

hidráulico para mediciones de caudal. Ecuador.

6. ROBERT, L. 2006. Pearson Educación Mecánica de fluidos. Sexta edición, México.

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30

XXXI

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http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medidores/vertederos/vertederos.html

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31

XXXII

APÉNDICE

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XXXIII

Foto 2: Modelo de Banco Hidráulico

33

XXXIV

Foto 3: Colocación de vertedero

Foto 4: Realizando medición en el vertedero rectangular.

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XXXV

Foto 5: Funcionamiento del vertedero cuadrado

35

XXXVI

Foto 6: Tomando tiempo de llenado de la probeta.

Foto 7: Tipos de vertederos con los que se trabajo

36

XXXVII

XXXVIII

XXXIX

XL