3. Diseño de Desarenadores-ucv

DISEÑO DE DESARENADORES

MSc.Ingº JOSE ARBULU R.

DESARENADOR Cuando se capta agua de un río, inevitablemente estaremos captando también sedimentos en suspensión y de arrastre.

Los

desarenadores tienen la importante misión de eliminar las partículas indeseadas que se encuentran en suspensión en el agua.

 Posteriormente,

mediante una adecuada operación, los sedimentos son arrojados al río.

NECESIDAD DE UN DESARENADOR Evitar:

• Desgaste acelerado de turbinas de centrales hidroeléctricas

• Obstrucción tecnificado

de sistemas de riego

• Erosión

de estructuras hidráulicas posteriores al desarenado

Obstrucción tuberías

EROSIÓN EN PISOS

NECESIDAD DE UN DESARENADOR

• Reducción

de la capacidad de los canales con el consecuente riesgo de inundación .

• Imposibilidad del consumo directo del agua, etc SEDIMENTO ACUMULADO

PLANTA TRATAMIENTO AGUA POTABLE

UBICACION El

área de la localización debe ser suficientemente extensa para permitir la ampliación de las unidades.

El

sitio debe proporcionar suficiente seguridad.

Garantizar

que el sistema de limpieza pueda ser por gravedad.

 Lo

más cerca posible del sitio de la captación.

FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE UN DESARENADOR

 El Fundamento Principal del

Diseño es disminuir la velocidad del agua, para que logren sedimentar las partículas en suspensión en una estructura que sea capaz a la vez, de ser limpiada en forma rápida y económica.

 A estas estructuras se les

conoce con el desarenadores.

nombre

de

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

HIDRÁULICAMENTE:  Distribución

uniforme del caudal en las naves desarenadoras.  Líneas de corriente paralelas, por lo tanto sin vórtices de eje vertical u horizontal.  No causar remanso en el canal aguas arriba.  Distribución del caudal dentro de cada nave, esto es importante en el momento de purga de la nave.

SEDIMENTOLÓGICAMENTE:  Sedimentación de los materiales en suspensión.  Evacuación al exterior de los depósitos.  Limpieza uniforme de las naves desarenadoras.  No existencia de zonas imposibles de limpiarlas en las

naves.  Transición de entrada sin sedimentación.  Eficiencia adecuada.

FUNCIONES  Lograr

decantación de las partículas sólidas acarreadas en suspensión por la corriente de un canal.

 Conseguir

la purga del material sólido decantado.

 Buscar

crear en el desarenador velocidades bajas y disminuir el grado de turbulencia.

 Evacuar

por gravedad los sedimentos depositados en las naves desarenadoras .

ELEMENTOS DE UN DESARENADOR Qe

Qs

Transicióndeentrada

Transicióndesalida Navesdeldesarenador

Deposiciónde sedimentos

S% Canal depurga

1.

Canal de Ingreso

2.

Transición de entrada.

3.

Naves Desarenadoras

4.

Transición de Salida

5.

Sistema de Purga

Velocidades en el canal de ingreso y en las naves del

Desarenador Majes.

Desarenador

Velocidad Canal de ingreso

Velocidad en naves Desarenadoras

Majes

3.1 m/s

0.5 m/s

La elección del número de naves •

Continuidad del servicio de desarenado.

•

Limpieza hidráulica del desarenador.

•

Reglas de operación simples.

•

Razones económicas.

•

Disponibilidad en el mercado compuertas y de su sistema de izaje.

de

Continuidad de Servicio

• Las

naves de un desarenador tienen que ser limpiadas con frecuencia

• Mientras

dure esta operación la nave permanece cerrada y por lo tanto, en el caso extremo, de tener una sola nave se cortará el servicio en un 100%.

• Otra

razón es que si una de las compuertas sufre un desperfecto, tenemos la misma situación anterior.

Nivel de seguridad de permanencia del servicio según el número de naves de un desarenador.

Numero de naves

Servicio permanentemente asegurado

1

0%

2

50%

3

66%

4

75%

5

80%

Canal de Purga Cumple 2 funciones principales:

• Canalizar

el agua dentro de la nave para que tenga mayor capacidad de arrastre

• Indicarnos

el momento en que se debe limpiar el desarenador.

• La limpieza de un desarenador se hace cuando el canal de purga de las naves se encuentre lleno de sedimentos.

• Pendiente usual:

S = 2%.

Conducto de Purga

• Función:

evacuar los sedimentos depositados en las naves desarenadoras al río.

• Pendiente : S= 2% - 3% • La pendiente de este conducto debe ser igual o mayor que la del canal de purga de las naves

• con

la finalidad de no causar remanso y evitar sedimentación.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDUCTOS DE PURGA DE ALGUNOS DESARENADORES.

Desarenador

Pendiente del Conducto de purga

Caudal de purga (m3/s)

San Gabán

2.5 %

3

Majes

2.0 %

5

Chavimochic

2.0 %

8

Desarenador Chavimochic

Criterios de diseño 

La altura de agua en el desarenador debe ser tal que no cause remanso en el canal de ingreso, de lo contrario provocaría sedimentación en el canal.



Se debe calcular correctamente la velocidad de caída.

Criterios de diseño  De presentarse turbulencia y vórtices en el desarenador, el valor de velocidad de caída disminuiría considerablemente.  El aumento de la Concentración de sedimentos hace que la velocidad de caída aumente.  Para concentración mayores a 2 gr/l, en el desarenador, considerar una mayor longitud de naves desarenadoras.

… Criterios de diseño  Buena operación del desarenador: Porque demasiados sedimentos dentro de la nave, reducen el área de decantación por consiguiente el valor de la velocidad aumenta y disminuye la eficiencia.  La pendiente longitudinal de la nave desarenadora debe ser aproximadamente de 2%  Lo cual garantiza una buena capacidad de arrastre de sedimentos depositados.

EFICIENCIA DE UN DESARENADOR • Condición fundamental de funcionamiento : eficiencia

requerida. No se logra por :

• Deficientes reglas de operación. • Las partículas que ingresan son de menor diámetro que el de diseño. • Formación de vórtices a la entrada del desarenador. • Poca longitud de las naves • Formación de curvas de remanso. • Mal diseño hidráulico y sedimentológico.

Vertederos al final de las naves. Estos obligan a que los caudales menores presenten remansos aguas arriba.

EFICIENCIA DE UN DESARENADOR



Muchos diseñadores utilizan fórmulas de velocidad de caída que sólo está en función del diámetro de la partícula.



Debido a esto, es frecuente encontrar que la mayoría de estructuras hidráulicas fallen por errores en la determinación de la longitud de la nave desarenadora.

Se pueden observar los vertederos al final de las naves desarenadoras, antes de su cambio por secciones con orificios.

DIMENSIONAMIENTO DEL DESARENADOR Los desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partículas, es decir, que partículas de un diámetro superior al escogido deben decantarse. Para el dimensionamiento del desarenador se siguen los siguientes pasos:

I ) Seleccionar el diámetro de la partícula Desarenadores con fines de irrigación : Clasificación del suelo por el tamaño de sus partículas.

Desarenadores para Centrales Hidroeléctricas

II) • Determinar la velocidad horizontal Vd Velocidad de suspensión teórica o velocidad máxima critica de sedimentación de acuerdo a CAMP:

donde: d = diámetro granular a = coeficiente en dependencia de d

III Determinar la velocidad de caída de la partícula (w) STOKES w, es la velocidad de sedimentación de un grano en agua sin movimiento. d, es el diámetro del mismo. F, fuerza que tienda a hacerlo moverse n, coeficiente de viscosidad dinámica

HAZZEN para diámetros menores de 0,1 mm Siendo: g, aceleración de la gravedad R’, densidad del material a sedimentar R, densidad del fluido donde se sedimenta el grano

HAZEN Expuso en forma similar a la fórmula de STOKES, pero para diámetros mayores de 0,1 mm.

D, OWENS Estudió experimentalmente la velocidad de caída de las partículas en agua calma , encontrando la formula : d , diámetro del grano (m). Y , Peso específico (gr/cm3). K , es una constante que varia de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos.

SELLERIO Demostró por experiencias con granos de arena en movimiento en el agua la inaplicabilidad de la ley de Stokes para diámetros mayores de 0,1 mm

SUDRY

BOSTERLI Abaco que relaciona los tiempos profundidades de sedimentación

GUICCIARDI

de

caída

con

las

CORONADO FRANCISCO Con arena del río Mantaro, en el Perú, de pesos específicos entre 2,69 gr./cc y 2,75 gr./cc y diámetros entre 0,149 mm. y 0,59 mm. estudió la sedimentación en agua tranquila

RUBEY 2  s    362    gd 2  6 3   d d

w : velocidad de caída ( m/seg) s: densidad de la partícula ( kg/m3)  : densidad del agua ( kg/m3) u: viscosidad dinámica ( m2/seg) d: diámetro de la partícula (m) g: aceleración de la gravedad (m/s2)

RUBEY 2  s    36 2  gd  2 2  6    3   d d

w : velocidad de caída ( m/seg) s: densidad de la partícula ( kg/m3)  : densidad del agua ( kg/m 3) u: viscosidad dinámica ( m2/seg) d: diámetro de la partícula (m) g : aceleración de la gravedad (m/s2)

IV. Determinación de la profundidad del tanque (H): 1.5 m  H  4.00 m V. Longitud de sedimentador (L): L = (H x V)/W

Velikanov. Basándose en el cálculo de probabilidades determinó la longitud de sedimentación “l” en metros en flujo con turbulencia. h, altura de caída en m w, velocidad de sedimentación en agua calma en m/s v, velocidad del flujo en m/s

l 

2

 v

2



h  0.2 7.51w 2



2

Utilizando Coeficientes de corrección “K”: L = K (h x v / w)

TEORÍAS PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO Dobbins – Camp El grafico nos da el porcentaje de material que se deposita en el desarenador. “W” es la velocidad de caída de los materiales en agua calma, “L” la longitud de caída, V la velocidad media en el desarenador, h, la altura de caída, C, el coeficiente de la fórmula de Chezy, g , la aceleración de la gravedad

Considerando los efectos retardatorios de la turbulencia

EGHIAZAROFF

LEVIN

V W'  5.7  2.3h

W’ = α v

  0.132 h

hv h 3/2v l   1/2 w v h w  0 . 132 v

Cálculo de un Desarenador

   

Adoptar una velocidad de flujo V = 0.5 m/s Encontrar el área transversal del desarenador A=Q/V La altura neta del desarenador es el valor del tirante normal del canal de ingreso. d=H Ancho del Desarenador B=A/H

 Asumir una longitud del desarenador L = 2 B ( valor iterativo)

Cálculo de un Desarenador



Cálculo de la velocidad de caída teórica con eficiencia del 100% wo = VH / L



Confeccionamos Diagrama de Camp

D (mm) D = w = w0 = V =

w ( mm/s)

la

Tabla

w/w0

para 122 w/V

ingresar

al

Eficiencia

Diámetro de las partículas Velocidad de caída de cada partícula Velocidad de caída téorica con 100 % de eficiencia Velocidad del flujo

De no obtener la eficiencia requerida para las partículas objetivo, tendremos que cambiar el valor asumido a la longitud del desaren ador.

Diagrama de CAMP

PROBLEMAS PRESENTADOS Y SOLUCIONES ADOPTADAS EN EL DISEÑO DE LOS DESARENADORES CONSTRUIDOS EN EL PERÚ

RAUL MORALES RUEDA

PROBLEMAS MAS FRECUENTES PRESENTADOS DURANTE EL DISEÑO  REMANSO EN EL CANAL AGUAS ARRIBA  DISTRIBUCIÓN NO UNIFORME DEL CAUDAL EN LAS NAVES  FORMACIÓN DE VÓRTICES DE EJE VERTICAL Y HORIZONTAL  EFICIENCIAS BAJAS  LIMPIEZA NO UNIFORME DE LAS NAVES DESARENADORAS  TRANSICIÓN DE ENTRADA CON SEDIMENTOS DEPOSITADOS.

REMANSO AGUAS ARRIBA CAUSA: - PRESENCIA DE VERTEDEROS EN LA SECCIÓN FINAL DE LAS NAVES DESARENADORAS.

VERTEDEROS QUE ESTABLECEN EL NIVEL DE AGUA EN LAS NAVES DESARENADORAS

CONSECUENCIA: - SEDIMENTACIÓN DE PARTICULAS EN LA TRANSICION DE ENTRADA Y/O EN EL CANAL DE INGRESO - EFICIENCIAS BAJAS

SOLUCIONES: - ESTABLECER DIVERSOS NIVELES DE OPERACIÓN - VERTEDEROS PROVISTOS DE ORIFICIOS

DISTRIBUCIÓN NO UNIFORME DEL CAUDAL ENTRE LAS NAVES SOLUCIONES: - COLOCAR PANTALLAS DEFLECTORAS - PROLONGAR HACIA AGUAS ARRIBA, LAS NAVES DESARENADORAS PROLONGACIÓN DE LAS NAVES DESARENADORAS

PANTALLA DEFLECTORA

FORMACIÓN DE VÓRTICES

TRANSICIÓN DE ENTRADA CON UN GRAN VÓRTICE DE EJE VERTICAL

FORMACIÓN DE VÓRTICES CONSECUENCIAS: - FLUJO TURBULENTO QUE RETRASA LA VELOCIDAD DE CAIDA DE LAS PARTÍCULAS. - EFICIENCIAS BAJAS

SOLUCIÓN: - COLOCAR UNA PANTALLA DEFLECTORA AL INICIO DE LA TRANSICIÓN DE ENTRADA PARA REORIENTAR LAS LÍNEAS DE CORRIENTE.

LIMPIEZA NO UNIFORME DE LAS NAVES DESARENADORAS

SOLUCIONES: - CALCULAR EL ANCHO ÓPTIMO DE LAS NAVES DESARENADORAS. - DISEÑAR GUÍAS DE FONDO Y/O PERALTE EN LOS TRAMOS CURVOS.

GUIAS DE FONDO

DEPOSICIÓN DE SEDIMENTOS AGUAS ABAJO DE LAS NAVES DESARENADORAS

CAUSAS: DESARENADOR MUY CORTO GEOMETRÍA DE TRANSICIÓN NO ADECUADA.

EFICIENCIAS BAJAS SOLUCIÓN: DEPENDIENDO DE LA DEFICIENCIA, SE PUEDEN APLICAR ALGUNA DE LAS SOLUCIONES ANTES EXPUESTAS.

GRACIAS