Canal de Parshall


El canal Parshall es un dispositivo medidor de flujo de canal abierto que fue desarrollado para medir el flujo de aguas superficiales y los flujos de riego. El canal Parshall es una estructura hidráulica fija . Se utiliza para medir la tasa de flujo volumétrico en descargas industriales, líneas de alcantarillado municipal y flujos afluentes / efluentes en plantas de tratamiento de aguas residuales. El canal Parshall acelera el flujo a través de una contracción de las paredes laterales paralelas y una caída en el piso en la garganta del canal. En condiciones de flujo libre, la profundidad del agua en una ubicación específica 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 ciertas situaciones (comúnmente derechos de agua). [1]

El diseño del canal Parshall está estandarizado bajo 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 22 tamaños estándar de canales Parshall, que cubren rangos de flujo de 0,005 a 3,280 cfs (0,1416 a 92,890 l / s). [2]

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

Una versión modificada del canal Venturi es el canal Parshall. 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 a través de una contracción de las paredes laterales paralelas y una caída en el piso en la garganta del canal. En condiciones de flujo libre, la profundidad del agua en una ubicación específica aguas arriba de la garganta del canal se puede convertir en una tasa de flujo.

La descarga de flujo libre se puede resumir como

Dónde

  • Q es caudal
  • C es el coeficiente de flujo libre para el canal
  • H es la cabeza en el punto principal de medición
  • n varía con el tamaño del canal (por ejemplo, 1,55 para un canal de 1 pulgada)

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 desaparece, el canal está operando en un régimen de "flujo sumergido" y la descarga está dada por

Dónde es la "corrección de inmersión" y se encuentra utilizando tablas predeterminadas para una geometría de canal en particular.

El canal Parshall es un dispositivo calibrado empíricamente, por lo que la interpolación entre los tamaños enumerados no es una forma precisa de hacer canales de tamaño intermedio. Los canales no son modelos a escala unos de otros. Se han desarrollado 22 tamaños estándar de canales Parshall, que cubren rangos de flujo de 0,005  cfs [0,1416  l / s] a 3,280  cfs [92,890  l / s]. [5]

Las transiciones de inmersión para los canales Parshall varían de 50% (1-3  en tamaños) a 80% (  tamaños de 10 a 50 pies), [6] más allá del cual se deben tomar medidas de nivel en los puntos de medición primario y secundario y una inmersión Se debe aplicar corrección a las ecuaciones de flujo.

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

No todos los canales de 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 de derrame libre en todos los índices de flujo esperados, lo que aumenta la caída a lo largo de todo el sistema de canal. 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. [7]

Las diferencias entre los canales Venturi y Parshall incluyen: reducción del ángulo de convergencia 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). [8]

  • Los canales de Parshall requieren una caída en la elevación a través del canal. Para acomodar la caída en un canal existente, el canal debe elevarse por encima del piso del canal (elevando el nivel del agua corriente arriba) o se debe modificar el canal corriente abajo.
  • Al igual que con los vertederos , los canales también pueden afectar a la fauna local. Algunas especies o ciertas etapas de la vida de la misma especie pueden estar bloqueadas por canales debido a velocidades de nado relativamente lentas o características de comportamiento.
  • En los canales de tierra, pueden producirse derivaciones aguas arriba y socavación aguas abajo.
  • Los canales Parshall de menos de 3 pulgadas de tamaño no deben usarse en flujos sanitarios sin pantalla.

  • ASTM D1941 - 91 (2013) Método de prueba estándar para la medición de flujo de agua en canal abierto con el canal Parshall
  • ISO 9826: 1992 Medición de flujo de líquido en canales abiertos - Canales Parshall y SANIIRI

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 un cono general en la salida similar al medidor venturi . [9] Debido a su tamaño, es habitual que estos medidores estén abiertos a su entorno como un río o arroyo y, por lo tanto, 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 buen ejemplo a través de 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.


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 en la 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 hizo Parshall incluyen: [10]

  • Disminuir el ángulo de convergencia de las paredes de entrada.
  • Alargando la garganta
  • Disminuir el ángulo de divergencia de la pared de salida.
  • Introduciendo una gota por la garganta del canal

En 1930, el canal mejorado fue nombrado canal de medición Parshall por el Comité de Irrigación de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE) en reconocimiento a los logros de Parshall. Parshall también fue honrado como miembro vitalicio de la ASCE. [11]

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

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 corta paralela que se inclina hacia abajo y la sección aguas abajo diverge uniformemente y se inclina hacia arriba a una pendiente. 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 a 50 pies (0,005  pies 3 / sa 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 recolectar 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) se encuentra en la entrada del canal, dos tercios de la longitud de la sección convergente desde la cresta del canal. El punto secundario de medición (Hb) se encuentra 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 de Parshall

La descarga de flujo libre se puede resumir como

dónde

  • Q es caudal
  • C es el coeficiente de flujo libre para el canal
  • H a es la cabeza en el punto principal de medición
  • n varía con el tamaño del canal (por ejemplo, 1,55 para un canal de 1 pulgada)

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 la cabeza debe ser igual.

Usando las ecuaciones, resolveremos Q.

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

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

Reordenando y sustituyendo en las ecuaciones anteriores, obtenemos

O

Como sabemos que Q = v⋅y⋅b y v = gy c a profundidad crítica, podemos usar estas relaciones para resolver la descarga.

Desglosado más abajo, nos damos 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 lo tanto, para una aproximación aproximada podemos decir

Esta ecuación se simplifica a:

  • En pies 3 / s:
  • En m 3 / s:

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

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

Flujo libre: cuando no hay "agua de retorno" para restringir el flujo a través de un canal. Solo 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. Se produce un efecto de acumulación de remanso en un canal sumergido. Para un cálculo de flujo se necesita una medición de profundidad tanto aguas arriba como aguas abajo.

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

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

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

  • Q es el caudal (pies 3 / s)
  • C es el coeficiente de flujo libre para el canal (consulte la Tabla 1 a continuación)
  • H a es la cabeza en el punto principal de medición (pies)

(Vea la Figura 1 arriba)

  • n varía con el tamaño del canal (consulte la Tabla 1 a continuación)

Tabla de descarga del canal Parshall para condiciones de flujo libre: [12]

Para el flujo sumergido, se debe tomar una profundidad de flujo aguas arriba (H a ) y aguas abajo (H b ). Vea las ubicaciones de H a y H b en la Figura 1. [12]

Si H b / H a es mayor o igual a S t, entonces es 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:

  • Q net = Q flujo libre - corrección Q
  • Corrección Q = M (0.000132 H a 2.123 e 9.284 St)

dónde:

  • S, H b / H a
  • M, factor multiplicador

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

Problema de ejemplo de flujo libre del canal Parshall:

Usando 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 in = 6 pies, C = 24 yn = 1.59.

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

Entonces, si hay una profundidad de 3 pies, la tasa de flujo es ≈ 140 pies 3 / s

Calcule la descarga usando 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 una 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:

Usando 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 obtener una referencia de las ubicaciones H a 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, es un flujo sumergido.

Q net = Q flujo libre - corrección Q
Q = CH a n

De la Tabla 1: Ancho de garganta = 36 in = 3 pies, C = 12 yn = 1.57.

Q flujo libre = 12 × (1,5 pies) × 1,57 = 22,68 pies 3 / s
Corrección Q = M × 0.000132 × Ha × 2.123 × 10 9.284 × 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 × 10 9,284 ) × (0,93) = 4,21 pies 3 / s
Q neto = 22,68 pies 3 / s - 4,21 pies 3 / s = 18,5 pies 3 / s

Se utiliza una amplia variedad de materiales para fabricar canales Parshall, que incluyen: [13]

  • Fibra de vidrio [14] (aplicaciones de aguas residuales debido a su resistencia a la corrosión)
  • Acero inoxidable [15] (aplicaciones que implican altas temperaturas / corrientes de flujo corrosivas)
  • Acero galvanizado [16] (derechos de agua / riego)
  • Concreto (grandes anchos de garganta Parshall 144 pulg [3,66 m] y más)
  • Aluminio [17] (aplicaciones portátiles)
  • Madera (medición de flujo temporal)
  • Plástico (PVC o policarbonato / Lexan) (docencia / investigación de laboratorio)

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 (160–600 pulgadas). [18]

En la década de 1960, varias empresas diferentes comenzaron a ofrecer comercialmente canales Parshall. Estos fabricantes suelen producir canales de un solo tipo de material (normalmente plástico reforzado con vidrio o acero), aunque actualmente algunos ofrecen canales Parshall en una variedad de materiales.

El enfoque inicial del Dr. Parshall fue el uso de su canal homónimo para medir caudales en canales de riego 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, que incluyen:

  • Canales de riego y acequias
  • Surcos
  • Aguas superficiales (marismas, arroyos, arroyos y ríos)
  • Flujos por tuberías elevados y sobre el nivel del suelo
  • Flujos por tuberías por debajo del nivel del suelo (bóvedas / pozos de hormigón incorporados en pozos de medición empaquetados )

  • Los canales de Parshall requieren una caída en la elevación a través del canal. Para acomodar la caída en un canal existente, el canal debe elevarse por encima del piso del canal (elevando el nivel del agua corriente arriba) o se debe modificar el canal corriente abajo.
  • Al igual que con los vertederos , los canales también pueden afectar a la fauna local. Algunas especies o ciertas etapas de la vida de la misma especie pueden estar bloqueadas por canales debido a velocidades de nado relativamente lentas o características de comportamiento.
  • En los canales de tierra, pueden producirse derivaciones aguas arriba y socavación aguas abajo. Se recomienda el blindaje de los canales ascendentes y descendentes.
  • Los canales Parshall de menos de 3 pulgadas de tamaño no deben usarse en flujos sanitarios sin apantallar, debido a la probabilidad de obstrucciones. [19]
  • El canal de Parshall es un dispositivo empírico. La interpolación entre tamaños no es un método preciso para desarrollar canales Parshall de tamaño intermedio, ya que los canales no son modelos a escala entre sí. [20] [21] [22] Los tamaños de 30 pulgadas [76,2 cm] y 42 pulgadas [106,7 cm] son ​​ejemplos de tamaños intermedios de canales Parshall que se han introducido en el mercado sin el respaldo de investigaciones publicadas sobre su tamaño y caudales. [23]

Se han desarrollado dos variaciones del canal Parshall a lo largo del tiempo: el canal Montana y el canal Parshall de sección corta (USGS / Portable). [24]

Canal de Montana

El canal de Montana omite las secciones de garganta y descarga del Parshall. [25] Al omitir estas secciones, el canal se acorta en más de la mitad, al tiempo que conserva las características de flujo libre del Parshall del mismo tamaño. Con la supresión 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 exista descarga de derrame libre en todas las condiciones de flujo. El canal Montana se describe en el Manual de medición de agua de la Oficina de Recuperación de EE. UU. [26] y en dos normas técnicas MT199127AG [27] y MT199128AG [28] de la Universidad Estatal de Montana (tenga en cuenta que la Universidad Estatal de Montana ha retirado actualmente ambas normas para su actualización / revisión).

Canal Parshall de sección corta (portátil USGS)

El Parshall de sección corta (a veces denominado USGS o Portable Parshall) omite la sección de descarga del canal. Originalmente diseñado por Troxell y Taylor en 1931 y publicado bajo "Venturi Flume" como un memorándum de la oficina de Ground Water Branch, USGS, el diseño volvió a llamar la atención de los usuarios potenciales en el artículo de Taylors "Portable Venturi Flume for Measuring Small Flows en 1954. [29] 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". [30]

Kilpatrick señala que la descarga de esta modificación del canal Parshall es ligeramente mayor que la de un canal Parshall estándar del mismo tamaño. [31] 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 los canales de dimensiones estándar deben tener una clasificación individual.

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

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  2. ^ "Canales Parshall para medición de flujo" . Flujo de canal abierto . Consultado el 15 de abril de 2013 .
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  9. ^ de Sa, DO (2001). Fundamentos de instrumentación para el control de procesos . Taylor y Francis. pag. 9. ISBN 9781560329015. Consultado el 21 de abril de 2015 .
  10. ^ Parshall, Ralph (1928). El canal Venturi mejorado (PDF) . Fort Collins, CO: Colegio de Agricultura de Colorado.
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  13. ^ "Medición de campo de la erosión del suelo y la escorrentía - Capítulo 4 Corrientes" . Fao.org . Consultado el 15 de abril de 2013 .
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  • Imágenes de canales Parshall de fibra de vidrio, acero galvanizado y acero inoxidable

  • ASTM D1941 - 91 (2013) Método de prueba estándar para la medición de flujo de agua en canal abierto con el canal Parshall
  • ISO 9826: 1992 Medición de flujo de líquido en canales abiertos - Canales Parshall y SANIIRI
  • Caudalímetros tipo canal Parshall JIS B7553-1993
  • Bos, Marinus (1989). Estructuras de medición de descargas. Tercera edición revisada. Publicación 20 . Oxford, Reino Unido: Instituto Internacional para la Recuperación y Mejoramiento de Tierras. ISBN 978-9070754150.
  • Grant, Doug; Dawson, Brian (2001). Manual de medición de flujo de canal abierto de la CIUO (5ª ed.). ISBN 978-0962275722.