universidad técnica de machala facultad de ciencias agropecuarias

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
I
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
II
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.
III
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
DIRECTOR DE TESIS
Sr. Carlos Alberto Márquez Pizarro
AUTOR
IV
La responsabilidad del contenido del presente
trabajo de investigación es única y exclusiva
de su autor.
Carlos Alberto Márquez Pizarro
V
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
VI
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
VII
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
VIII
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
IX
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1: Calculo de medición de caudal en el vertedero rectangular
Cuadro 2: Calculo de medición de caudal en el vertedero cuadrado
23
Cuadro 3: Calculo de medición de caudal en el vertedero triangular
24
X
22
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
XI
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Recolección de datos
18
Tabla 2: Presentación de resultados
18
XII
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
34
Foto 6: Tomando tiempo de llenado de la probeta
Foto 7: Tipos de vertederos con los que se trabajó
XIII
34
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:
1
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.
2
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/
3
:
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.
4
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 = Q 2
2.4 ECUACIÓN DE BERNOULLI (Conservación de la energía)
5
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.
6
 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
7
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
8
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
9
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 Tierra
4
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
10
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.
11
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.
12
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:
13
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
14
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:
15
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.
16
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 triangular
5
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:


5
= ángulo del vértice del triángulo
= aproximadamente a 0.58 variando ligeramente con la carga y el ángulo de la
abertura.5
http://es.wikipedia.org/wiki/Vertedero_de_pared_delgada
17
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)
1
2
3
4
Volúmen final
(lts
)
Volúmen
colectado (lts)
Tiempos promedios
registrados (seg)
Fuente: Guías de laboratorio de Hidráulica I
Tabla 2: Presentación de resultados
Lectura #
Caudal (l/s)
Caudal (l/min) Caudal (gpm)
Fuente: Guías de laboratorio de Hidráulica I
XVIII
18
Caudal
(gal/dia)
Caudal
(m3/seg)
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
XIX
19
 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.
XX20
En base al planteamiento anterior, se debe desarrollar lo siguiente:

3.5
Determinar el caudal medio, utilizando el método volumétrico.
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
XXI
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
XXII
Cuadro 1: Cálculo de medición de caudal en el vertedero cuadrado
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Promedio
Banco Hidráulico
Carga sobre el
vertedero H(cm)
Volumen
(cm3)
Tiempo (seg)
Caudal
Real(QR)
(cm3/seg)
0,022
0,022
0,022
0,027
0,027
0,027
0,035
0,035
0,035
0,035
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
4,15
4,33
4,51
4,32
4,22
4,02
3,07
2,71
2,51
2,33
0,000120
0,000115
0,000110
0,000116
0,000118
0,000124
0,000163
0,000185
0,000119
0,000215
Caudal
teórico
(QT)
(cm3/seg)
0,000963
0,000963
0,000963
0,000131
0,000131
0,000131
0,000193
0,000193
0,000193
0,000193
Cd
0.1246
0.1194
0.1142
0.0885
0.0901
0.0949
0.0845
0.0959
0.1031
0.1112
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
XXIII
23
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Promedio
Banco Hidráulico
Carga sobre el
vertedero H,(cm)
Volumen
(cm3)
Tiempo (seg)
Caudal
Real(QR)
(cm3/seg)
0,006
0,006
0,006
0,008
0,008
0,008
0,010
0,010
0,010
0,010
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
3,05
3,43
3,87
2,07
2,47
2,45
1,68
1,43
1,83
1,61
0,00016
0,00015
0,00013
0,00024
0,00020
0,00020
0,00030
0,00035
0,00027
0,00031
Caudal
teórico
(QT)
(cm3/seg)
0,00014
0,00014
0,00014
0,00021
0,00021
0,00021
0,00030
0,00030
0,00030
0,00030
20
Cd
1,17096
1,07143
0,92285
1,15022
0,96395
0,96395
0,98427
1,16550
0,91075
1,03520
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.
24
XXIV
Cuadro 3: Cálculo de medición de caudal en el vertedero triangular
N
Banco Hidráulico
Carga sobre el
vertedero H(cm)
Volumen
(cm3)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,026
0,026
0,026
0,029
0,029
0,029
0,030
0,030
0,030
0,030
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
Caudal
Tiempo (seg) Real(QR)
(cm3/seg)
3,27
3,83
3,85
3,08
2,91
2,91
2,17
2,28
2,38
2,45
0,000153
0,000131
0,000129
0,000162
0,000172
0,000172
0,000231
0,000219
0,000219
0,000204
Caudal
teórico
(QT)
(cm3/seg)
0,000148
0.000148
0.000148
0.000195
0.000195
0.000195
0.000212
0.000212
0.000212
0.000212
Cd
1.032
0.875
0.868
0.815
0.865
0.865
1.081
1.029
1.029
0.959
Ecuación de comparación de caudal de un vertedero triangular
XXV
25
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.
XXVI26
5.
1.
RECOMENDACIONES
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.
XXVII
27
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
XXVIII
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
XXIX
9. BIBLIOGRAFÍA
1.
ANDREW S.1992. Hidráulica Básica. Editorial Limusa. México.
2.
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trabajo propio. Revista de Formación e innovación Educativa universitaria. p. 5567.
3.
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4.
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5.
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6.
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7.
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8.
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30
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9.
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del 2013. http://www.ftc.uni.edu.ni/pdf/guias_laboratorio/hidraulica.pdf.
10.
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ECU RED 2014, Boletín de Ciencia de la Tierra. Recuperado el 14 de Agosto del 2014.
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http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medidores/vertederos/vertederos.html
31
XXXI
APÉNDICE
32
XXXII
Foto 2: Modelo de Banco Hidráulico
33
XXXIII
Foto 3: Colocación de vertedero
Foto 4: Realizando medición en el vertedero rectangular.
XXXIV
34
Foto 5: Funcionamiento del vertedero cuadrado
XXXV
35
Foto 6: Tomando tiempo de llenado de la probeta.
Foto 7: Tipos de vertederos con los que se trabajo
36
XXXVI
XXXVII
XXXVIII
XXXIX
XL