VERTEDEROS HIDRAULICOS
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1. DEFINICION
Se llama vertedero a un dispositivo hidráulico que consiste en una
escotadura a través de la cual se hace circular el caudal que se
desea determinar, también actúan como aliviadores en reservorios,
pozas
Es un dique o pared que intercepta la corriente, causando una
elevación del nivel aguas arriba, y que se emplea para control de
nivel o para medición de caudales.
Son aquellas aberturas practicadas en las cercanías de la superficie
al final de los canales o en los bordes superiores de los reservorios y
destinados a permitir el flujo de agua por rebose.
1.1 COMPONENTES DE UN VERTEDERO
Umbral: borde superior del vertedero, sobre el cual pasa o discurre
el flujo a medir.
Ancho del umbral o cresta (b).
Altura del umbral (P): distancia vertical desde el fondo del canal hasta el borde del umbral.
Carga sobre el vertedero o altura de la napa (H): es el espesor de la lámina de carga medida desde el umbral hasta la superficie libre del agua.
Distancia donde se realiza la lectura de la carga , igual o mayor que 4h.
1.2 PRINCIPALES FUNCIONES
DE UN VERTEDERO
Control del nivel en embalses, canales,
depósitos, estanques, etc.
Aforo o medición de caudales.
Elevar el nivel del agua
Evacuación de crecientes o derivación de un
determinado caudal a estas estructuras se las
denomina aliviaderos.
2. CLASIFICACIÓN DE LOS
VERTEDEROS
2.1.- SEGÚN EL ESPESOR DE LA PARED
2.1.1.- Vertederos de pared delgada Este tipo de
vertedero es el más usado, especialmente como
aforador, debido a su fácil construcción e instalación.
En los vertederos de pared delgada el contacto entre el
agua y la cresta es solo una línea, es decir, una arista.
La utilización de vertederos de pared delgada está
limitada generalmente a laboratorios, canales pequeños
y corrientes que no lleven escombros y sedimentos. Los
tipos más comunes son el vertedero rectangular y el
triangular.
2. CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS
2.1.2.- Vertederos de pared gruesa
Los vertederos de cresta ancha tienen menor capacidad de descargar para igual carga de agua que los vertederos de cresta delgada y su uso más frecuente es como estructuras de control de nivel.
En los vertederos de pared gruesa el contacto entre el agua y la cresta es un plano. El flujo se adhiere a la cresta.
2.2.- SEGÚN LA ALTURA
RELATIVA DEL UMBRAL
2.2.1.- Vertedero libre
Este es un criterio de clasificación muy importante. En el
vertedero libre el nivel de aguas abajo es inferior al de la
cresta.
2.2.- SEGÚN LA ALTURA
RELATIVA DEL UMBRAL 2.2.2.- Vertedero sumergido
Un vertedero está sumergido cuando el nivel de aguas abajo es superior de la cresta del vertedero. La condición de sumergencia no depende del vertedor en sí, sino de las condiciones del flujo. Un mismo vertedero puede estar sumergido o no, esto depende del caudal que se presente. Y su formula para calcular el caudal es:
2.3.- SEGÚN LA FORMA
2.3.1.- Vertedero rectangular: Es una de las secciones
más comunes.
VERTEDERO RECTANGULAR DE PARED DELGADA
- TIPOS DE VERTEDERO RECTANGULAR DE PARED DELGADA
a) Vertederos sin contracción lateral, si el ancho de la
abertura del vertedero es igual al ancho del canal. La
ecuación del caudal es:
b) Vertederos con contracción lateral, longitud de la
cresta es menor que el ancho del canal. La ecuación del
caudal es:
2.3.- SEGÚN LA FORMA 2.3.2.- VERTEDERO DE SECCIÓN TRIANGULAR: Este vertedero se
emplea mucho para medir caudales pequeños inferiores a 6 lts/seg.
Se usa comúnmente con un ángulo de vertedero igual a
2
Con la superficie del líquido en la posición dibujada a trazos, la Aplicación del teorema de Bernoulli entre A y una banda elemental de dy de altura en el chorro conduce, para condiciones ideales, a
( 0 + VA2 + y ) – sin pérdidas = ( 0 + Vch2 + 0 )
2g 2g
donde VA representa la velocidad media de las partículas que se aproximan a la abertura
Así, la Vch ideal =
En vertederos grandes la altura de velocidad es despreciable y entonces Vch =
y (ideal) dQ = dA Vch = x dy
)2/²(2 gVyg A)2/²(2 gleVdespreciabyg A
g2
Por semejanza de triángulos Introduciendo un coeficiente de descarga para obtener el caudal real se tiene Integrando y sustituyendo …(1) El coeficiente c no es constante. Comprende numerosos factores no incluidos en la derivación tales como la tensión superficial, viscosidad, distribución no uniforme de la velocidad, flujos secundarios y otros. Un vertedero en V corriente es el que tiene una abertura de 90°. En este caso, la expresión (1) se transforma en , en donde, para alturas de carga superiores a 0.3 m , un valor medio de c es 0.60 aproximadamente.
H
yH
b
x H
yHbx
)(
H
b
22tan
2tan2
Hb
dyyyHgcHbQreal
H
2/1
0
)(2)/()(
212/5 tan2
15
8HgcQ
2/536,2 cHQ
2.3.- SEGÚN LA FORMA 2.3.3.- VERTEDERO DE SECCIÓN TRAPEZOIDAL:
Dentro de las secciones trapezoidales el más utilizado es el
llamado vertedor Cipollelti, el cual tiene por característica
que la inclinación de sus paredes son una horizontal por 4
vertical, es decir z =1/4. Su ecuación será:
Fórmula de Kindsvater – Carter
Es una de las fórmulas de mayor confiabilidad. Se aplica a
todos los vertederos rectangulares, con contracciones o sin ellas.
Fue establecida por C. E. Kindsvater y R. W. Carter y data de 1959.
La fórmula es
2
3
))(( 2g3
2KhHKlLCeQ
3.- INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DE VERTEROS Los vertederos instalados para medir caudales deben
reunir una serie de condiciones indispensables para garantizar su confiabilidad. Entre ellas están las siguientes:
1. El primer y el más importante punto para una buena y confiable medición de caudales con un vertedero es la apropiada selección del tipo de vertedero. Así por ejemplo, un vertedero triangular es muy indicado para medir caudales pequeños. En cambio, para medir caudales relativamente altos, un vertedero rectangular sin contracciones podría ser el más indicado.
3.- INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DE VERTEROS
2. Luego viene la correcta selección de la fórmula. Para cada tipo de vertedero existen numerosas fórmulas de origen experimental. Cada una de ellas tiene un rango de aplicación. Mientras el vertedero se encuentre dentro de esos rangos se puede tener una alta aproximación en la medición de caudales. Si el vertedero está fuera de los rangos la confiabilidad del resultado es dudosa.
3.- INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DE VERTEROS
3. Para un vertedero rectangular con contracciones existen ciertas recomendaciones de carácter general
Se observa que la longitud “L” del vertedero, el umbral P y la distancia a las paredes del canal deben ser por lo menos igual al triple de la carga máxima sobre el vertedero.
3.- INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DE VERTEROS
4. La altura del umbral P no debe ser inferior a 0.30m ni a 3
veces la máxima carga sobre el vertedero.
5. La velocidad de aproximación debe mantenerse pequeña. La sección transversal del canal de aproximación [ B*(H+P)] debe ser por lo menos igual a 6 u 8 veces la sección de la napa vertiente LH.
6. Debe tomarse las medidas pertinentes para que la napa vertiente quede perfectamente aireada. En todo su contorno la presión debe ser igual a la atmosférica.
3.- INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DE VERTEROS
7. Si las condiciones de aproximación del flujo no son
tranquilas debe colocarse elementos disipadores de energía como pantallas, ladrillos, huecos, mallas, etc.
8. La carga debe medirse cuidadosamente, fuera del agua en movimiento, mediante una toma adecuada, a una distancia de aproximadamente cuatro veces la carga (4H) de modo q no haya influencia del movimiento rápidamente variado que se origina sobre la cresta del vertedero. Tampoco se debe medir la carga a mayor distancia del vertedero, porque entonces aparecería la influencia debida a la pendiente de la superficie libre del canal.
3.- INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DE VERTEROS
9. Las condiciones aguas abajo deben ser tales que no influyan en la napa.
10. Los vertederos de dimensiones especiales, que no cumplen las condiciones antes señaladas, deben ser cuidadosamente calibrados.
PROBLEMA APLICATIVO En una canal de 6.20 m de ancho en el que el tirante normal es de
1.10 m se instala un vertedero rectangular sin contracciones y con
borde agudo de 0.80m de umbra. La superficie se sobre eleva en 1
m. Determinar el Caudal.
• Ejercicio: El caudal de agua a través de un vertedero triangular de 45° es de 0,020 m3/s. Determinar la altura de carga sobre el vertedero para c=0,580.
;
H=0,263 m
212/5 tan2
15
8HgcQ 2/5)5,22(tan2)580,0(
15
8020.0 Hg
• Ejercicio: Un vertedero triangular tiene un ángulo de 90°. Determinar la altura de carga que producirá 4800 ℓ/m3, c=0,580.
;
H=0,321 m
2/5
4)580,0(36.2
10
4800H2/536,2 cHQ
