Aforador y distribuidor de caudal de orificio circular en tratamiento de agua

Gauge and distributor of circular orifice flow in water treatment

La medición y distribución de caudal inferior a 100 ml/s se dificulta por las reducidas dimensiones implicadas para construir la unidad y garantizar uniformidad, situación presente en sistemas piloto o a escala. El objetivo fue determinar la precisión en la medición de caudal mediante un orificio circular como alternativa para sistemas de potabilización y tratamiento de agua. Se realizaron pruebas con orificios circulares de flujo libre construidos en tuberías midiendo el caudal de forma volumétrica y la carga hidráulica con piezómetro. La ecuación obtenida mediante regresión lineal múltiple para calcular el caudal de salida por el orificio tiene una correlación de 1 y una precisión promedio del 97.1% con desviación estándar de 2.1, y para el caso de descarga desde un tanque, la precisión es del 96.4% y desviación del 1.8. Con las ecuaciones obtenidas para predecir el caudal respecto de la carga hidráulica y el diámetro del orificio es posible medir el flujo con una precisión superior al 95% para caudales inferiores a 135 m/s haciendo del artículo una herramienta para diseño de dispositivos hidráulicos de medición y distribución de caudal.

1. Introducción

La medición del flujo es de vital importancia en la gestión del recurso hídrico tanto en la conservación de las fuentes hídricas como en los casos que se debe potabilizar para hacerla apta para el consumo humano, también para tratar aguas residuales agroindustriales con el objetivo de disminuir el impacto negativo en los cauces donde son vertidas.

En los sistemas de potabilización y tratamiento de aguas residuales, se requieren utilizar unidades piloto para modelar el comportamiento  hidráulico y la medición de indicadores de calidad y contaminación del recurso hídrico. Un caso en que se tiene la necesidad es en el sistema de filtración en múltiples etapas FiME con caudales de operación entre 20 y 30 ml/s y también el sistema de tratamiento de aguas residuales del café con caudales alrededor de 6 ml/s en los reactores anaerobios del sistema y de 10 ml/s para el reactor UASB.

La ecuación teórica para obtener el caudal de salida a través de un orificio de pared delgada con flujo libre es conocida como el principio de Torricelli quien la propuso y según [1] es (ver ec. 1) Donde Cd es el coeficiente de descarga y depende del número de Reynolds, debe obtenerse de figuras en escala logarítmica. H es la carga hidráulica sobre el orificio. D es el diámetro del orificio.

1.1 Planteamiento del problema

En las captaciones y los sistemas de tratamiento, la repartición de caudales normalmente se realiza con vertederos en unidades llamada tanquilla de distribución,  cuyo  tamaño   depende del caudal y del número de unidades requeridas. Se debe construir con la cresta horizontal y las dimensiones iguales para garantizar el nivel y la división uniforme de la cantidad de agua. Las condiciones son difíciles de cumplir al construirse para caudales menores a 100 ml/s, por el tamaño requerido.

En el caso del FiME en la hacienda Majavita, según [2] la  variación  del caudal para un periodo de monitoreo de un año con 15 mediciones se estableció en promedio de 31.1, desviación estándar de 3.0, un  mínimo  de  26.6  y  máximo  de 36.5 en ml/s, dando como  resultado un coeficiente de variación de 10, de  modo que es un valor homogéneo; sin embargo, se da un rango de variación de 10 ml/s correspondiente al 30% del valor medio.