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canal Parshall

El canal Parshall es un dispositivo de medición de flujo de canal abierto que fue desarrollado para medir el flujo de agua superficial y el flujo de riego. El canal , una estructura hidráulica fija , se utiliza para medir el caudal volumétrico en descargas industriales, líneas de alcantarillado municipales y flujos de afluentes/efluentes en plantas de tratamiento de aguas residuales. El canal Parshall acelera el flujo mediante una contracción de ambas paredes laterales paralelas y una caída en el suelo en la garganta del canal. En condiciones de flujo libre, la profundidad del agua en un lugar específico aguas arriba de la garganta del canal se puede convertir en una tasa de flujo. Algunos estados especifican el uso de canales Parshall, por ley, para determinadas situaciones (comúnmente derechos de agua). [1]

El diseño del canal Parshall está estandarizado según ASTM D1941, ISO 9826:1992 y JIS B7553-1993. Los canales no están patentados y las mesas de descarga no están protegidas por derechos de autor.

Se han desarrollado un total de veintidós tamaños estándar de canales Parshall, que cubren rangos de flujo de 0,005 a 3280 cfs (0,1416 a 92 890 L/s). [2]

Las transiciones de inmersión para los canales Parshall varían del 50% (tamaños de 1 a 3 pulgadas) al 80% (tamaños de 10 a 50 pies), [3] más allá del cual se deben tomar mediciones de nivel tanto en el punto de medición primario como en el secundario, y un Se debe aplicar la corrección de inmersión a las ecuaciones de flujo . El punto secundario de medición (Hb) de un canal Parshall se encuentra en la garganta; medir Hb puede resultar difícil ya que el flujo en la garganta del canal es turbulento y propenso a fluctuaciones en el nivel del agua. Normalmente, el 90% se considera el límite superior para el cual son prácticas las correcciones para el flujo sumergido. [4]

Canales Parshall (derecha) junto con otros tipos de medidores de flujo
Diagrama de un canal Parshall, que muestra los regímenes operativos de flujo libre y flujo sumergido.

El canal Parshall es una versión modificada del canal Venturi . El canal Parshall, que lleva el nombre de su creador, el Dr. Ralph L. Parshall del Servicio de Conservación de Suelos de EE. UU. , es una estructura hidráulica fija que se utiliza para medir el caudal volumétrico en aguas superficiales, plantas de tratamiento de aguas residuales y aplicaciones de descarga industrial. El canal Parshall acelera el flujo contrayendo tanto las paredes laterales paralelas como una caída en el piso en la garganta del canal. En condiciones de flujo libre, la profundidad del agua en un lugar específico aguas arriba de la garganta del canal se puede convertir en una tasa de flujo.

La descarga de flujo libre se puede resumir en esta ecuación:

Dónde

Cuando la profundidad aguas abajo es lo suficientemente alta como para que la transición al flujo subcrítico avance aguas arriba hacia la garganta y el salto hidráulico desaparezca, el canal está operando en un régimen de "flujo sumergido", y la descarga está dada por la función

¿Dónde está la "corrección de inmersión" y se encuentra utilizando tablas predeterminadas para una geometría de canal particular?

El canal Parshall es un dispositivo calibrado empíricamente, por lo que la interpolación entre los tamaños enumerados no es una forma precisa de crear canales de tamaño intermedio. Estos canales no son modelos a escala entre sí.

En condiciones de laboratorio, se puede esperar que los canales Parshall presenten precisiones dentro del ±2%, aunque las condiciones de campo hacen que las precisiones superiores al 5% sean dudosas.

No todos los canales Parshall tienen la sección de divergencia de recuperación de energía. Estos canales, llamados canales Montana , o canales Parshall de sección corta , deben tener una descarga libre de derrames en todos los caudales esperados, lo que aumenta la caída a lo largo de todo el sistema de canales. Los cálculos de medición son los mismos que para el flujo libre en un canal Parshall estándar, pero no se puede ajustar el flujo sumergido. [5]

Las diferencias entre el canal Venturi y Parshall incluyen: reducción del ángulo convergente de entrada, alargamiento de la sección de garganta, reducción del ángulo de divergencia de descarga e introducción de una gota a través de la garganta (y posterior recuperación parcial en la sección de descarga). [6]

Desventajas

Estándares

Un canal venturi es similar al canal Parshall, sin la base contorneada, pero la sección transversal suele ser rectangular, la entrada más corta y hay una forma cónica general en la salida similar al medidor venturi . [7] Debido a su tamaño, lo habitual es que estos medidores estén abiertos al entorno como un río o arroyo y por ello este tipo de medición se denomina medición de caudal en canal abierto. Los canales Parshall son mucho más eficientes que los canales estándar y generan una onda estándar para realizar una medición.

Se puede encontrar un ejemplo en Google Earth: 50°58'41.34"N, 5°51'36.81"E, altitud del ojo 200 m. Esto está en Geleenbeek , cerca de Geleen en los Países Bajos.

Desarrollo

A partir de 1915, el Dr. Ralph Parshall del Servicio de Conservación de Suelos de EE. UU. alteró el canal Venturi subcrítico para incluir una caída de elevación a través de la garganta del canal. Esto creó una transición de condiciones de flujo subcrítico a condiciones de flujo supercrítico a través de la garganta del canal.

Las modificaciones al canal Venturi que realizó Parshall incluyen: [8]

En 1930, el Comité de Irrigación de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE) denominó canal de medición Parshall al canal mejorado en reconocimiento a los logros de Parshall. Parshall también fue honrado como miembro vitalicio de la ASCE. [9]

Función

Diagrama de un canal Parshall que muestra el funcionamiento de flujo libre y flujo sumergido (con paredes de ala de entrada/salida opcionales y pozos tranquilizantes)

El canal Parshall actúa esencialmente como una constricción, un escalón descendente y luego una expansión: la sección aguas arriba es uniformemente convergente y plana, la garganta es una sección paralela corta que se inclina hacia abajo, y la sección aguas abajo es uniformemente divergente y se inclina hacia arriba hasta un elevación final que es menor que la elevación inicial aguas arriba. El ancho de la garganta determina el tamaño del canal; Se han desarrollado 22 tamaños estandarizados, que van desde 1  pulgada hasta 50 pies (0,005  pies 3 /s a 3280  pies 3 /s).

Hay dos condiciones de flujo que pueden ocurrir en un canal Parshall: flujo libre y flujo sumergido. Cuando existen condiciones de flujo libre, el usuario solo necesita tomar una medición de altura (Ha, el punto principal de medición) para determinar la descarga. Para flujo sumergido, se requiere una medición de altura secundaria (Hb) para determinar si el canal está sumergido y el grado de inmersión.

El punto principal de medición (Ha) está ubicado en la entrada del canal, a dos tercios de la longitud de la sección convergente desde la cresta del canal. El punto secundario de medición (Hb) está ubicado en la garganta del canal.

Se produce un salto hidráulico aguas abajo del canal para condiciones de flujo libre. A medida que el canal se sumerge, el salto hidráulico disminuye y finalmente desaparece a medida que las condiciones aguas abajo restringen cada vez más el flujo que sale del canal.

Animación de un canal Parshall

La descarga de flujo libre se puede resumir como

dónde

Derivación

Un canal Parshall se basa en el principio de conservación de la energía. La suma de la energía cinética y potencial en un punto dado debe ser igual a la energía en cualquier otro punto a lo largo de la corriente. La energía total o cabeza debe ser igual.

Usando las ecuaciones, resolveremos para Q.

Donde E 1 es la energía en Ha , E 2 en la cresta del canal y E 3 en H b , respectivamente.

Dado que E 2 está ubicado en la cima del canal donde hay una caída pronunciada, se producen condiciones de flujo críticas.

Reordenando y sustituyendo en las ecuaciones anteriores, obtenemos

O

Dado que Q = v⋅y⋅b y v = gy c en la profundidad crítica, se pueden utilizar estas relaciones para resolver la descarga.

Desglosado más abajo, dándose cuenta de que

Y

Dado que esto se mide aguas arriba, donde el flujo es subcrítico, se puede afirmar que y 1 ≫ v 2 /2g

Por tanto, para una aproximación aproximada;

Esta ecuación se simplifica a:

Estas dos ecuaciones finales son muy similares a las ecuaciones Q = CH an que se utilizan para los canales Parshall. De hecho, cuando se miran las tablas de canales, n tiene un valor igual o ligeramente mayor que 1,5, mientras que el valor de C es mayor que (3,088 b 2 ), pero aún en una estimación aproximada. Las ecuaciones derivadas anteriores siempre subestimarán el flujo real ya que tanto los valores derivados de C como de n son más bajos que sus respectivos valores del gráfico.

Para la ecuación del canal Parshall utilizada para calcular el caudal, ambos valores empíricos C y n son constantes conocidas (con varios valores para cada tamaño de canal Parshall), dejando Ha (profundidad aguas arriba) como la única variable que debe medirse. De manera similar, en la ecuación de conservación de energía, se necesita y 1 (o la profundidad del flujo).

Flujo libre versus flujo sumergido

Flujo libre: cuando no hay un “remanso” que restrinja el flujo a través de un canal. Sólo es necesario medir la profundidad aguas arriba para calcular el caudal. Un flujo libre también induce un salto hidráulico aguas abajo del canal.

Flujo sumergido: cuando la superficie del agua aguas abajo del canal es lo suficientemente alta como para restringir el flujo a través de un canal, existen condiciones de canal sumergido. En un canal sumergido se produce un efecto de acumulación de agua estancada. Para calcular el caudal es necesaria una medición de profundidad tanto aguas arriba como aguas abajo.

Aunque comúnmente se piensa que ocurre a caudales más altos, el flujo sumergido puede existir en cualquier nivel de flujo, ya que es una función de las condiciones aguas abajo. En aplicaciones de corrientes naturales, el flujo sumergido es frecuentemente el resultado del crecimiento vegetativo en las orillas del canal aguas abajo, la sedimentación o el hundimiento del canal.

Representación del diagrama EY de flujo libre

Arriba se ilustra un diagrama E – Y sin unidades y cómo cambian la energía y la profundidad del flujo a lo largo de un canal Parshall. Las dos líneas azules representan los valores de q, q 1 para el flujo antes de la constricción y q 2 representa el valor en la constricción (q = Q/b = pies 2 /s, o flujo sobre el ancho en un canal rectangular). Cuando ocurre una constricción (disminución del ancho) entre E 1 y E 2 , el valor q cambia (y se convierte en la nueva profundidad crítica), mientras que la energía sigue siendo la misma. Luego el canal experimenta un escalón descendente que resulta en una ganancia de energía. Esta ganancia de energía es igual al tamaño del paso (o Δz). A partir de esto, se utilizan los principios de conservación de la energía para desarrollar un conjunto de cálculos para predecir el caudal.

Valores de descarga del canal Parshall

Para flujo libre, la ecuación para determinar el caudal es simplemente Q = CH a n donde:

(Ver Figura 1 arriba)

Tabla de descarga del canal Parshall para condiciones de flujo libre: [10]

Para flujo sumergido, se debe tomar una profundidad de flujo aguas arriba (H a ) y aguas abajo (H b ). Ver ubicaciones de H a y H b en la Figura 1. [10]

Si H b /H a es mayor o igual a St entonces se trata de un flujo sumergido. Si hay flujo sumergido, es necesario realizar ajustes para que el canal Parshall funcione correctamente.

La descarga (Q) se puede encontrar usando las siguientes ecuaciones y tabla:

dónde:

(Nota: todos los valores de Q están en pies 3 /s, Ha está en pies y M varía en unidades)

Ejemplo

Problema de ejemplo de flujo libre del canal Parshall:

Utilizando la ecuación de flujo libre del canal Parshall, determine la descarga de un canal de 72 pulgadas con una profundidad, Ha, de 3 pies.

De la Tabla 1: Ancho de garganta = 72 pulgadas = 6 pies, C = 24 y n = 1,59.

Q = 24 Ha 1,59 para un canal Parshall de 72 pulgadas

Entonces, si hay una profundidad de 3 pies, el caudal es ≈ 140 pies 3 /s

Calcule la descarga utilizando la ecuación de descarga derivada que se muestra arriba (Ecuación 5). Esta ecuación se derivó utilizando los principios de energía específica y solo sirve como estimación de la descarga real del canal Parshall. Nuevamente, las ecuaciones 5 y 6 siempre subestimarán el flujo real ya que tanto los valores C como n derivados son más bajos que sus respectivos valores gráficos derivados empíricamente.

Q = (6 pies) × (3,088) × (3 pies) × 1,5 = 96 pies 3 /s

Problema de ejemplo de flujo sumergido del canal Parshall:

Utilizando las ecuaciones de flujo del canal Parshall y las Tablas 1-3, determine el tipo de flujo (flujo libre o flujo sumergido) y la descarga para un canal de 36 pulgadas con una profundidad aguas arriba, Ha, de 1,5 pies y una profundidad aguas abajo, H b de 1,4 pies. Para referencia de las ubicaciones Ha y H b , consulte la Figura 1.

De la Tabla 2, la transición de inmersión del canal Parshall (St) para un canal de 36 pulgadas = 3 pies es 0,7. Dado que H b /H a es mayor o igual a 0,7, se trata de un flujo sumergido.

Q neto = Q flujo libre – Corrección Q
Q = CH un norte

De la Tabla 1: Ancho de garganta = 36 pulgadas = 3 pies, C = 12 y n = 1,57.

Q flujo libre = 12 × (1,5 pies) × 1,57 = 22,68 pies 3 /s
Corrección Q = M × 0,000132 × Ha × 2,123 × 109.284 ×S

Donde S = H b /H a = 1,4 pies/1,5 pies = 0,93

De la Tabla 3, M = 2,4 para un tamaño de canal de 3 pies

Corrección Q = 2,4 × (0,000132) × (1,5 pies) × (2,123 × 109,284 ) × (0,93) = 4,21 pies 3 /s
Q neto = 22,68 pies 3 /s – 4,21 pies 3 /s = 18,5 pies 3 /s

Construcción

Se utiliza una amplia variedad de materiales para fabricar canales Parshall, que incluyen: [11]

Los canales Parshall más pequeños tienden a fabricarse con fibra de vidrio y acero galvanizado (según la aplicación), mientras que los canales Parshall más grandes tienden a fabricarse con fibra de vidrio (tamaños de hasta 144 pulgadas) u hormigón (160 a 600 pulgadas). [dieciséis]

En la década de 1960, varias empresas diferentes comenzaron a ofrecer comercialmente canales Parshall. Por lo general, estos fabricantes han producido canales a partir de un solo tipo de material (generalmente plástico reforzado con vidrio o acero), aunque actualmente unos pocos ofrecen canales Parshall en una variedad de materiales.

Instalación

El enfoque inicial del Dr. Parshall fue el uso de su canal homónimo para medir flujos en canales de irrigación y otras aguas superficiales. Sin embargo, con el tiempo, el canal Parshall ha demostrado ser aplicable a una amplia variedad de flujos de canales abiertos, incluidos:

Desventajas

Variaciones

Con el tiempo se han desarrollado dos variaciones del canal Parshall: el canal Montana y el canal Parshall de sección corta (USGS/portátil). [22]

canal de montana

El canal Montana omite las secciones de garganta y descarga del Parshall. [23] Al omitir estas secciones, el canal se acorta a más de la mitad manteniendo las características de flujo libre del Parshall del mismo tamaño. Con la eliminación de la garganta y la sección de descarga, el canal Montana tiene poca resistencia a la inmersión y, al igual que el canal H, debe usarse donde hay descarga libre de derrames en todas las condiciones de flujo. El canal de Montana se describe en el Manual de medición de agua de la Oficina de Reclamación de EE. UU. [24] y dos estándares técnicos MT199127AG [25] y MT199128AG [26] de la Universidad Estatal de Montana (tenga en cuenta que la Universidad Estatal de Montana actualmente ha retirado ambos estándares para su actualización/revisión).

Canal Parshall de sección corta (portátil USGS)

El Parshall de sección corta (a veces denominado USGS o Parshall portátil) omite la sección de descarga del canal. Diseñado originalmente por Troxell y Taylor en 1931 y publicado bajo "Venturi Flume" como un memorando de la oficina de la Subdivisión de Agua Subterránea, USGS, el diseño nuevamente llamó la atención de los usuarios potenciales en el artículo de Taylors "Portable Venturi Flume for Measurement". Small Flows en 1954. [27] Esta modificación, suministrada por la Instalación de Instrumentación Hidrológica del USGS, está disponible en dos tamaños: el original de 3" y el recientemente agregado de 6".

Kilpatrick señala que la descarga de esta modificación del canal Parshall es ligeramente mayor que la de un canal Parshall estándar del mismo tamaño. [29] Esto se ha atribuido a posibles variaciones de tolerancia de fabricación más que al funcionamiento real del canal en sí y se advierte a los usuarios que verifiquen las dimensiones del canal antes de proceder con la recopilación de datos. Al igual que con cualquier canal Parshall, los canales que varían de las dimensiones estándar deben clasificarse individualmente.

Cuando se utiliza para medir caudales, el aluminio es el material de construcción típico, principalmente debido a su peso ligero.

Referencias

  1. ^ "Manual de medición de agua USBR - Capítulo 8 - CANALES, Sección 10. Canales Parshall". USB.gov. Archivado desde el original el 14 de junio de 2003 . Consultado el 15 de abril de 2013 .
  2. ^ "Canales Parshall para medición de flujo". Flujo de canal abierto. Archivado desde el original el 15 de agosto de 2016 . Consultado el 15 de abril de 2013 .
  3. ^ "Características de flujo de los canales Parshall". Flujo de canal abierto. Archivado desde el original el 15 de agosto de 2016 . Consultado el 15 de abril de 2013 .
  4. ^ "Sumersión del canal Parshall". Flujo de canal abierto. Archivado desde el original el 11 de agosto de 2016 . Consultado el 15 de abril de 2013 .
  5. ^ "Montana Flumes - ¿Qué son?". openchannelflow.com. Archivado desde el original el 19 de enero de 2015 . Consultado el 21 de abril de 2015 .
  6. ^ "El canal Venturi mejorado" (PDF) . digitool.library.colostate.edu . Consultado el 21 de abril de 2015 .[ enlace muerto permanente ]
  7. ^ de Sa, DO (2001). Fundamentos de instrumentación para el control de procesos. Taylor y Francisco. pag. 9.ISBN 9781560329015. Consultado el 21 de abril de 2015 .
  8. ^ Parshall, Ralph (1928). El canal Venturi mejorado (PDF) . Fort Collins, CO: Colegio Agrícola de Colorado.[ enlace muerto permanente ]
  9. ^ "Guía de la colección Ralph L. Parshall". Archivado desde el original el 4 de octubre de 2014 . Consultado el 4 de abril de 2013 .
  10. ^ abc "Manual de medición de agua USBR - Capítulo 8 - CANALES, Sección 10. Canales Parshall". Archivado desde el original el 10 de abril de 2013 . Consultado el 15 de abril de 2013 .
  11. ^ "Medición de campo de la erosión y escorrentía del suelo - Capítulo 4 Caudal". Fao.org. Archivado desde el original el 1 de agosto de 2013 . Consultado el 15 de abril de 2013 .
  12. ^ "Fibra de vidrio - FRP - Canales Parshall". www.openchannelflow.com . Archivado desde el original el 16 de octubre de 2016 . Consultado el 7 de enero de 2020 .
  13. ^ "Canales Parshall de acero inoxidable". www.openchannelflow.com . Archivado desde el original el 19 de octubre de 2016 . Consultado el 7 de enero de 2020 .
  14. ^ "Canales Parshall de acero galvanizado". www.openchannelflow.com . Archivado desde el original el 13 de agosto de 2023 . Consultado el 7 de enero de 2020 .
  15. ^ "Canales Parshall de aluminio". www.openchannelflow.com . Archivado desde el original el 13 de agosto de 2023 . Consultado el 7 de enero de 2020 .
  16. ^ "Grandes canales Parshall". www.openchannelflow.com . Archivado desde el original el 4 de octubre de 2020 . Consultado el 7 de enero de 2020 .
  17. ^ "No se quede atascado: flujos sanitarios en canales". Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2016 . Consultado el 3 de septiembre de 2016 .
  18. ^ "Manual de medición de agua, Capítulo 8, Sección 10". Archivado desde el original el 14 de junio de 2003 . Consultado el 26 de marzo de 2013 .
  19. ^ "Canales Parshall". Archivado desde el original el 30 de agosto de 2016 . Consultado el 3 de septiembre de 2016 .
  20. ^ "Práctica recomendada para el uso de canales Parshall y canales Palmer-Bowlus en plantas de tratamiento de aguas residuales". Nepis.epa . EPA600/2-84-186: 5 de noviembre de 1984. Archivado desde el original el 2 de junio de 2014 . Consultado el 16 de abril de 2013 .
  21. ^ "Tamaños de canal Parshall no estándar". Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2016 . Consultado el 3 de septiembre de 2016 .
  22. ^ "Canales Parshall portátiles del USGS". Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2016 . Consultado el 3 de septiembre de 2016 .
  23. ^ "Dimensiones del canal de Montana". Archivado desde el original el 28 de agosto de 2016 . Consultado el 3 de septiembre de 2016 .
  24. ^ "Manual de medición del agua". Archivado desde el original el 1 de octubre de 2014 . Consultado el 26 de marzo de 2013 .
  25. ^ "MT199127AG". Archivado desde el original el 1 de junio de 2014.
  26. ^ "MT199128AG". Archivado desde el original el 1 de junio de 2014.
  27. ^ http://pubs.usgs.gov/of/1963/0063/report.pdf Archivado el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine [ URL básica PDF ]
  28. ^ "Proyecto de instrumento de instalación de instrumentación hidrológica del USGS: canal Parshall modificado de seis pulgadas (portátil)". Agua.usgs.gov. Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 3 de septiembre de 2016 .
  29. ^ Kilpatrick; Schneider. "Técnicas de Investigación de Recursos Hídricos". Usgs.gov (3, Capítulo A14). Archivado desde el original el 11 de diciembre de 2011 . Consultado el 16 de abril de 2013 .

enlaces externos

Otras lecturas