Caudal-informe.docx

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL TÉCNICAS DE MONITOREO PRACTICA No. 2.- MEDICIÓN DE CAUDALES 1. DATOS GENERALES INTEGRANTES:

CÓDIGOS:

Barrionuevo Carlos

2415

Brito Ismael

2519

Figueroa Isaac

2508

Gavilanes Amy

2523

Orellana Génesis

2514

Palacios Amelia

2574

Ramírez Stefany

2531

Suquillo Leslie

2586

Villafuerte Lizeth

2511

GRUPO #2

CURSO: 7mo “B”

FECHA DE REALIZACIÓN 10/12/2018

FECHA DE ENTREGA 14/01/2019

2. OBJETIVOS: 2.1 GENERAL:  Determinar el método más adecuado para la medición de caudal dependiendo de la fuente de agua y de las condiciones de muestreo. 2.2 ESPECÍFICOS:  Recolectar datos necesarios para el cálculo de un caudal  Explicar la diferencia entre el método del flotador y el método volumétrico para la determinación del caudal.  Calcular el valor numérico de las variables asociadas para el cálculo del caudal del canal de agua del Parque Sesquicentenario.  Comprender la metodología a emplear en la determinación experimental del caudal de un canal de agua. 3. INSTRUCCIONES: El caudal es la cantidad o volumen de agua que pasa por una sección determinada en un tiempo dado. El caudal pues, está en función de la sección a travesar por la velocidad de agua. Se expresa en litros o metros cúbicos por segundo (L/s o 𝑚3 /s). 





Método del correntómetro: en este método la velocidad de agua se mide por medio del correntómetro que mide la velocidad en un punto dado de la masa de agua. Por razones de seguridad, se sugiere el uso de este método solo en curso de agua cuyo tirante no sea mayo a 60 cm, ya que la fuerza de la corriente presenta un serio peligro para el monitor. Método del flotador: el método del flotador 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, este método se emplea en los siguientes casos: excesiva velocidad del agua que dificulta el uso que dificulta el uso del correntómetro cuando peligra la vida del que efectúa el aforo o la integridad del correntómetro. Método volumétrico: se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente para colectar el agua.

4. MARCO TEÓRICO Y REFERENCIAL 4.1 MARCO TEÓRICO:  CAUDAL Se le denomina caudal hidrológico, al volumen de la masa de agua que transita por el cauce de un río en un espacio de tiempo especificado. Se le llama de esta manera, para

diferenciarlo de un caudal de agua que transita en una sección hidráulica cerrada o abierta Como por ejemplo lo son canales y tuberías. Esta información es de gran importancia y de gran utilidad. Esto debido a que, por medio de esto, se permite determinar el comportamiento de los niveles de masa de agua en el cauce de un río durante largos periodos de tiempo. (Salas, 2011)

Gráfico 1: Medición de caudal. (Huilca, 2009) Los niveles de agua en un rio se toman por medio de un aforo; que no es más que medir la velocidad de agua que transita por una sección del cauce de un río. O también por un tramo del mismo. La idea, es obtener la velocidad del agua que transita. Todo para que al definir la sección que estamos estudiando, podamos obtener el producto de estos dos valores. Y de esta manera definir el volumen de agua que transita por allí. (Huilca, 2009) MÉTODOS PARA MEDIR CAUDALES 1. Método volumétrico La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. La corriente se desvía hacia un canal o tubería que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro. Para los caudales de más de 4 l/s, es adecuado un recipiente de 10 litros de capacidad que se llenará en segundos. Para caudales mayores, un recipiente de200 litros (Turriles) puede servir para corrientes de hasta 50 1/s. El tiempo que se tarda en llenarlo se medirá con precisión, especialmente cuando sea de sólo unos pocos segundos. La variación entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dará una indicación de la precisión de los resultados. (Suarez, 2013) Se deben realizar por lo menos 5 pruebas para obtener un caudal promedio. Nunca se debe llenar todo el turril, sólo hasta cierta altura, por lo que se deberá tener dentro del turril una escala que indique cuál es el volumen. El proceso para calcular el caudal con este método es el siguiente: Conocer el volumen del contenedor. [V] Medir el tiempo de llenado. [t]

𝑸=

𝒗 𝒕

Gráfico 2: Método volumétrico para caudales menores a 4 L/s. (Suarez, 2013) 2. Método del flotador Este método consiste en medir las velocidades superficiales en un tramo de un río donde el régimen sea laminar. Posteriormente se calcula la superficie transversal del río, y multiplicando el sumatorio de cada una de las velocidades y superficies, se calcula el caudal total. Recordando que: Q = V *S Para usar este método necesitaremos: 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Un objeto que flote. Unas estacas para aguantar las líneas paralelas. Unas líneas paralelas, pueden ser un par de cañas. Un metro o una vara para medir la profundidad. Un reloj con cronometro. Hoja de registro.

En primer lugar, se fijan dos líneas paralelas en un tramo rectilíneo del río que sean perpendiculares al flujo. La distancia entre las líneas debe ser de 1m o superior, cuanto mayor sea la distancia más precisa serán las mediciones de tiempo. La caña situada más arriba se divide en tramos equidistantes (en nuestro caso, 6 tramos de 50cm). Se coge un objeto que flote (un trozo de madera o un tapón de botella) y se lanza el flotador 10 veces desde cada uno de los puntos, y con un cronometro se toman los tiempos que tarda en recorrer la distancia entre las líneas paralelas. De esta forma y realizando una simple operación [v=s/t] se halla la velocidad superficial en cada tramo. En segundo lugar, para el cálculo de la superficie transversal del río, se mide

el ancho del río y el calado en cada uno de los puntos o marcas de la caña. Suponiendo un lecho del cauce bastante regular, se puede asemejar el cálculo del área del cauce al de un trapecio. En este caso, dividimos el cauce en 5 áreas y despreciamos los valores de los extremos cuya velocidad superficial del agua es muy próxima a 0. (Dorelas, 2017)

Gráfico 3: Variables para el cálculo de caudal. (Dorelas, 2017) Por último, para calcular el caudal de agua (en m3/s), se multiplica la velocidad media del agua (en m/s) por la superficie transversal del río (en m2). CAUDALÍMETROS. Un caudalímetro es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico. Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido. También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros. 1) Mecánicos visuales (de área variable) (rotámetros). - Se trata de un cono transparente invertido con una bola plástica en su base. El fluido a la circular impulsa la bola hacia arriba, a mayor caudal más sube la bola. La gravedad hace bajar la bola al detenerse el flujo. El cono tiene unas marcas que indican el caudal. (Ulloa, 2016) 2) Mecánico de molino. - Consisten en un molino cuyas aspas están transversales a la circulación de fluido. El flujo hace girar el molino cuyo eje mueve un contador que acumula lecturas. 3) Electrónicos de molino. - Sus partes mecánicas consisten en un molino con aspas transversales a la circulación de flujo, el molino tiene en un extremo un imán permanente. Cuando este imán gira genera un campo magnético variable que es leído por un sensor de efecto de campo magnético (sensor de efecto Hall),

después el circuito electrónico lo convierte en pulsos que transmite a través de un cable. (Sárate & Anónimo, 2018) 4) Electrónicos de turbina. - Una turbina colocada de frente al flujo, encapsulada en las paredes de un tubo, rota proporcionalmente al caudal. La turbina, fabricada con un compuesto de resina y polvo de alnico, genera un campo magnético que es leído y codificado por un sensor de efecto Hall. 5) Diferencial de presión. - Los más comunes. La tubería disminuye su diámetro levemente (por ejemplo, con un plato de orificio) y después regresa a su diámetro original. El fluido obligado a circular por esta reducción disminuye su presión a la salida. La diferencia de presión de antes y después es medida de manera mecánica o electrónica. A mayor diferencia de presión mayor es el caudal. (Sárate & Anónimo, 2018) 6) V-Cone.- El medidor de flujo de presión diferencial V-Cone es una tecnología patentada de medición de flujos con alta precisión, aplicable a gran variedad de fluidos, todo tipo de condiciones y un amplio intervalo de (Ulloa, 2016)flujo de fluidos a través de una tubería. No obstante, las características de desempeño de los V-Cone, muy notables, son el resultado de su exclusivo diseño, que incluye un cono central en el interior del tubo. (Ulloa, 2016) 7) Magnéticos. - Están basados en la fuerza de Lorentz (que experimentan cargas moviéndose en el seno de un campo magnético), de la que se deriva que el voltaje inducido a través de un conductor que se desplaza transversal a un campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor. 8) Vortex. - Está basado en el principio de generación de vórtices. Un cuerpo que atraviese un fluido generará vórtices flujo abajo. Estos vórtices se forman alternándose de un lado al otro causando diferencias de presión, estas son censadas por un cristal piezoeléctrico. La velocidad de flujo es proporcional a la frecuencia de formación de los vórtices. (Ulloa, 2016) 9) Desplazamiento positivo. - Separan el líquido en porciones que llenan un recipiente mientras se desplaza. Después cada porción es contada para medir el caudal. Existen muchas variantes de este sistema. De tornillo, de engranajes, pistones, etc. (Sárate & Anónimo, 2018) 10) Ultrasónicos. - Son alimentados eléctricamente, y es posible encontrar dos tipos según su principio de medición: de efecto Doppler y de tiempo de tránsito; este último consiste en medir la diferencia entre el tiempo que les toma a dos señales

atravesar una misma distancia, pero en sentido contrario utilizando como medio un fluido. (Sárate & Anónimo, 2018) 11) Diferencial de temperatura. - Se colocan dos termistores y en el centro de ellos una pequeña resistencia calentadora. Si ambos termistores leen la misma temperatura el fluido no está circulando. Según aumenta el flujo uno de los termistores lee la temperatura inicial fluido mientras que el otro lee el fluido calentado. Con este sistema no solo se puede leer el caudal, sino que además se sabe el sentido de circulación. (Ulloa, 2016) 12) Medidor de Coriolis. - Los medidores de Coriolis se basan en el principio de las fuerzas inerciales que se generan cuando una partícula en un cuerpo rotatorio se mueve con respecto al cuerpo acercándose o alejándose del centro de rotación. Si una partícula de masa dm se mueve con velocidad constante en un tubo T que está rotando con una velocidad angular w con respecto a un punto fijo P adquiere 2 componentes de aceleración Coriolis. (Ulloa, 2016)

Gráfico 4: Caudalimetro de desplazamiento positivo. (Sárate & Anónimo, 2018) 4.2 MARCO REFERENCIAL: La práctica de “MEDICIÓN DEL CAUDALES” se llevó acabo el día Lunes 10 de Diciembre del 2018 en el canal de agua del parque Sesquicentenario cerca de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo ubicada en la cuidad de Riobamba, en la 1 panamericana Sur km 1 cuyas coordenadas son 78°40ꞌ20″ y una altura de 2815 msnm, 2 como primer punto. 5. ACTIVIDADES POR REALIZARSE 5.1 MATERIALES  Flexómetro  Un objeto flotante  Una barra graduada o un palo con una cinta métrica adherida a el  Cronometro

5.2 PROCEDIMIENTO

Elegir un tramo uniforme del canal, sin interferencias en el curso de agua

por

Piedras o algún otro material

Con la ayuda de una cinta métrica se medira el ancho de la sección y se dividira esta cada 20 cm

Los datos de longitud, ancho y profundidad

Estos datos se hallara el volumen del agua

El extremo superior dejar caer una botella de plástico, en el mejor de los casos se usara un botella de medio litro, con contenido de agua hasta la mitad.

Mayor exactitud se realizará 10 mediciones y se determinara el tiempo promedio

6. DATOS Largo del canal

20 metros

Ancho del canal 2,64 metros

t1 t2 t3 t4

Datos del tiempo 37,79 37,43 37,06 39,54

t6 t7 t8 t9

43,09 38,37 35,05 38,69

35,95

t5

1 2 3 4 5 6 7

34,96

t10

Datos de profundidad del canal cada 20cm Profundidad (cm) Profundidad (cm) 74 77 8 78 77,5 9 76 43 10 83 39,5 11 82,5 54 12 83 63,5 13 84 62 14

7. CALCULOS Y RESULTADOS 7.1 CALCULOS

Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Suma Promedio

Tiempo (s) 37.79 37.43 37.06 39.54 35.95 43.09 38.37 35.05 38.69 34.93 377.9 37.79

Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Suma Promedio

Ancho (m) 2.8 Velocidad promedio (m/s) 0.53

Profundidad (m) 0.74 0.78 0.76 0.83 0.825 0.83 0.84 0.77 0.775 0.43 0.395 0.54 0.635 0.62 9.77 0.697857143

Área (m2) A= b*h 1.954 Coeficiente fc 0.8

Caudal (m3/s) Q=A*v*fc 0.828496

7.2 RESULTADOS Mediante el método del flotador se pudo calcular la velocidad con la que transcurre el 𝑚 agua de la superficie mediante flotadores, arrojo un resultado de 0.53 𝑠 de velocidad promedio que posteriormente será utilizado para el cálculo del caudal. El área de sección fue medida mediante la profundidad de todo el tramo de la sección transversal cada 20 cm, el resultado del área fue 1.954 m2. Con los datos obtenidos se pudo calcular el caudal que fue 0.82

𝑚3 𝑠

, el caudal tiene un

resultado bajo ya que hay presencia de material sedimentado en el fondo del canal. 8. ANÁLISIS 8.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS El método del flotador es útil cuando el caudal del río o arroyo es pequeño y el agua está tranquila, analizando los resultamos podemos ver que tanto el resultado del área y del caudal son valores pequeños y que corresponden con estas características, este método consiste en medir las velocidades superficiales en un tramo de un río donde el régimen sea laminar, esto también se pudo comprobar al realizar la practica ya que no se tuvo problema alguno al recuperar el cuerpo utilizado como flotador para realizar las repeticiones ya que las aguas eran tranquilas. Posteriormente se calcula la superficie transversal del río, y multiplicando el sumatorio de cada una de las velocidades y superficies, se calcula el caudal total que en nuestro caso nos dio un resultado de 0.82

𝑚3 𝑠

8.2 TIPO DE MUESTREO Se realizó un muestreo instantáneo o puntual es decir obtuvimos una muestra representativa, tomada de una masa de agua de forma aleatoria en relación a una determinada característica medible en este caso caudal. La toma de la muestra se la realizo en base a la norma ISO 5667-1 la cual se define los lineamientos, principios y directrices de las técnicas de muestreo mencionando que es crucial la preparación de la muestra, teniendo en cuenta el qué, para qué, cuándo, dónde y cómo, también siempre que sean representativas o así lo permita o exija la normativa de referencia deben tenderse a tomar muestras puntuales, la importancia de la formación y entrenamiento del personal que realice tomas de muestra y medida de caudal y la importancia de no acceder a espacios confinados sin aplicar el protocolo adecuado que garantice la seguridad en el trabajo. 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 9.1 CONCLUSIONES  Se logró determinar el método más adecuado para medición de caudales el cuál fue el método del flotador.  Se recolecto todos los datos necesarios para el cálculo del caudal del canal de agua del parque “Sesquicentario”, obteniendo la profundidad el tiempo y en área del mismo.  Se explicó y entendió la diferencia que existe entre el método del flotador y el volumétrico para la determinación del caudal , la cual es que el método del flotador se calcula la velocidad del agua que corre en el canal del parque Sesquicentenario, además este método es sencillo pero inexacto , mientras que el método volumétrico es también sencillo y a diferencia del anterior es exacto y confiable pero siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que el recipiente llene todo el volumen de agua ese método se lo realizo en una poza de agronomía de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.  Se pudo entender la metodología que conlleva el determinar experimentalmente el caudal de un río, misma que consistió en realizar una serie de mediciones de la profundidad del río alrededor de todo su ancho, lo propio para el tirante o altura. Tras obtener las medias aritméticas de cada serie de datos de sus variables correspondientes y aplicar la ecuación Q=V * A se pudo obtener el valor del caudal para dicha sección. 9.2 RECOMENDACIONES  Para la medición de caudales es necesario tomar las profundidades en varios puntos del canal donde se está midiendo el caudal en lo cual se recomienda que en las tomas de profundidades se haga cada 20 cm o menos para un mejor calculo.  Se recomienda utilizar varios flotadores con el mismo peso y densidad para ahorrar tiempo.

  

Se sugiere tomar el tiempo como mínimo 10 veces para una medición de caudal más preciso y correcto. Se recomienda tener un objeto lo más largo y firme posible para poder medir las profundidades. Es necesario la utilización de botas para agua en caso de entrar al canal para recoger los flotadores utilizados.

10. RESUMEN Para la realización de esta práctica nos trasladamos a un canal del río Chibunga que está ubicado en la calle Milton Reyes, cerca de la puerta lateral de la ESPOCH. Primero se eligió el tramo del canal en el cual se va a realizar el estudio, se mide el largo y el ancho del mismo, tanto de la parte donde inicia como donde termina. Lo primero fue lanzar un envase con agua hasta la mitad, al canal y medir el tiempo que demora en llegar desde el inicio al final del canal y se realizaron 10 mediciones en total para una mayor exactitud. En la segunda parte de la práctica se utilizó una cinta métrica con la cual se dividió el ancho del canal en secciones de 20 centímetros y se midió la profundidad en cada una de ellas. Al final se realizaron un total de 14 mediciones de profundidad. 11. BIBLIOGRAFÍA

Dorelas, F. (2017). Como medir el caudal de un río con el “Método del Flotador”. Obtenido de Ppsdom: http://ppsdom.org/como-medir-el-caudal-de-un-rio-con-el-metodo-del-flotador/ Huilca, Á. (2009). Determinación de caudales. Obtenido de Ingenieriacivil: http://ingenieriacivil.tutorialesaldia.com/determinacion-de-caudales-maximos-con-elmetodo-racional/ Robles, R. (2007). Canales cerrados, medición. Obtenido de Aguamarket: http://www.aguamarket.com/diccionario/terminos.asp?Id=4112 Salas, R. (2011). ¿Qué es un Caudal en Hidrología? Obtenido de Respuestastips: https://respuestas.tips/que-es-un-caudal-en-hidrologia/ Sárate , L., & Anónimo. (2018). Caudalímetro. Obtenido de Omega: https://es.omega.com/prodinfo/caudalimetros.html Suarez, M. (2013). MEDICION DE CAUDALES (AFOROS). Obtenido de Scribd: https://es.pdfcoke.com/doc/105255484/MEDICION-DE-CAUDALES-AFOROS Ulloa, R. (2016). Caudalímetro. Obtenido de Acomee: https://www.acomee.com.mx/CAUDALIMETRO.pdf

12. ANEXOS

(a)

(b)

NOTAS a) medición de las dimensiones del canal. b) medición de la profundidad en un tramo. c) lectura del valor que obtuvo. d) toma del primer tiempo que se tardó en transcurrir el flotador.

CATEGORÍA DEL DIAGRAMA

□ □ □ □ □

APROBADO CERTIFICADO INFORMACIÓN POR CALIFICAR POR APROBAR

(d)

(c) ESPOCH FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL LABORATORIO DE TÉCNICAS DE MONITOREO REALIZADO POR: Barrionuevo, Brito, Figueroa, Gavilanes, Orellana, Palacios, Ramírez, Suquillo, Villafuerte.

MEDICIÓN DE CAUDALES LÁMINA

ESCALA

FECHA

1

1:1

2019/01/14