DESARENADORES.pdf

Doce ocente :

Ing. Arb Arbulú Ram Ramos J osé

A lumnos: lumnos:

Vílche Vílchez Monte ontenegr negro o Francisco Francisco J ahir Vílchez Montenegro Paúl J onathan

Ciclo :

2012  – I Lambayeque, Octubre del 2012 

Cuando se capta el agua de un río, inevitablemente estaremos captando tamb ta mbié ién n sedi sedime ment ntos os en susp suspen ensi sión ón y de arr arrastr astre. e.

Este material ocasiona perjuicios a las obras:

Una gran gran parte parte del material material sólido sólido va depositán depositándose dose en el fondo de los canales, disminuyendo su sección. Esto aumenta el costo anual de O y M. y produce mole molest stas as int interru errupc pcio ione ness en el serv servic icio io.. Si los canales sirven sirven a las CC.HH. CC.HH. La arena arena arrastrada arrastrada por el agua pasa a las turbinas, desgastándolas, tanto más rápidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una reducción del rendimiento y a veces exige xige repos eposic icio ione ness frec frecue uent ntes es y cost costos osas as

Se utilizan en tomas para acueduct cto os, en centrales hidroeléctricas (pequeñas), plantas de tratamiento y en sistemas industriales Estructuras que permiten eliminar ciertas partículas más finas de los sólidos, que se encuentran en suspensión en la masa fluida. Estructura hidráulica que sirve para separar (decantar) y remover (evacuar), las partículas finas en suspensión que lleva el agua de un canal.

•

•

• •

Lograr la decantación de una parte de las partículas sólidas, acarreadas en suspensión por la corriente de un canal. Se busca crear en el desarenador  velocidades bajas y disminuir el grado de turbulencia. Conseguir la purga del material sólido decantado. Lograr que los sólidos sedimentados se dirijan hacia las ventanas, orificios o conductos de purga.

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. Dis istr trib ibuc ució ión n unifo iforme rme del cau caudal dentr entro o de cada ada nave nave,, esto esto es impor importa tant nte e en el momen momento to de purga 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.

Lo que determina la evolución del desarenador  es

la

forma

como

son

evacuados

los

sedimentos que se acumulan de la sedimentación, en un primer momento se efectuaba la limpieza mecá mecán nic icam amen ente te para para lueg uego pasa pasarr a la limp limpiieza hidráulica.

CÁMARAS DE  DECANTACIÓN: 







En un inicio se usaban estas estr estruc uctu turras form formad adas as por por tasas, donde la decantación y la extracción de los depósitos eran dos operaciones sucesivas. La decantación era posible al tener velocidades muy pequeñas. La evacuación de sedimentos era era mecá mecáni nica ca,, razón azón por por la cual se le llamaba cámara de extracci extracción ón mecánica. mecánica. Actua Actualm lmen ente te ning ningún ún dise diseño ño cont contemp empla la este este criter criterio io..

DESARENADORES : 



En el diseño del desarenador, el objetivo no solamente es que se pro produzc duzcaa la la sedi sedim menta entaci ción ón y luego se puede efectuar la limpieza limpieza hidráulicam hidráulicamente ente,, sino que sedimenten partículas hasta un cierto diámetro, según sea el uso que se desee dar al agua. Los desarenador d esarenadores es propiamente propiamente dichos, son aquellos en los cuales las operaciones de decantación y extracción de los depósitos son operaciones simultáneas.

Los desarenadores están compuestos por cinco partes, como se muestra en el esquema siguiente:

 Tra  Trans ición de entrada La cual une el canal con el desarenador 

Cámara de s edime imenta ntación En la cual las partículas sólidas caen al fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal. La sección transversal de un desarenador, se diseña para velocidades que varían entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una una profun profundid didad ad media media de de 1.5 m y 4 m. Observar Observar que que para para una una vel eloc ocid idad ad el eleg egiida y un ca cau udal dal dad dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa. La forma de la sección transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal simple o compuesta.

Vertedero Al fin final de la cá cáma mara ra se cons onstruy truyee un verte ertede derro sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal, hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. Mientras más pequeña es la velocidad de paso por  el vertedero, menos turbulencia causa en el desa desare rena nado dorr y meno menoss mate materi rial alees en susp suspen ensi sión ón arrastra. La velocidad velocidad límite para evitar turbulencias es 1 m/s.

Comp ompuerta de lav lavado Sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo, para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuerte del 2 al 6% Es nece necessario ario hace hacerr un es estu tud dio de la canti antid dad y tamaño de sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador  y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y eficaz esta velocidad debe ser de 3 - 5 m/s.

Canal directo Por el cual se da servicio mientras se está lavando el desarenador. El lavado se efectúa generalmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparación o insp inspeecc cció ión, n, es nec eces esaario rio sec ecar ar la cámar ámaraa del desarenador, el canal directo que va por su contorno, permite que el servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada se colocan dos compuertas, una de entrada al desarenador y otra al canal directo. En el caso de ser el desarenador de dos o más cámaras, el canal directo ya no es necesario pues una de las cámaras trabaja con el caudal total mientras la otra se lava.



Des Des arena renadore dores s de lava lavado continuo

Es aquel en el que la sedi se dime ment ntac ació ión n y ev evac acua uaci ción ón son dos operaciones simultáneas.



Desar sarenadore ores (intermitente)

de

Es aquel que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados. Son el tipo más común y la operación de lavado se procura realizar en el meno menorr tie iemp mpo o posi posibl blee con el objeto de reducir  al mínimo las pérdidas de agua.

lav lavado

discon scontinu inuo

 





De baja baja velocida locidad

v < 1 m/s Recomendable: 0.20 - 0.60 m/s

De alta lta velocida locidad

v > 1 m/s Recomendable: 1.00 - 1.50 m/s

En Serie

Formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro.

En Paralelo

Formado por dos o más depósitos distri distribui buidos dos paralel paralelam ament ente e y diseñado diseñadoss para una fracción del caudal derivado.

Para Para sele selecc ccio iona narr la ubic ubicac ació ión n del del desa desare rena nado dorr de debe deben n tene tener  r  en cuenta las siguientes recomendaciones: 

Lo más cercano posible a la bocatoma.



Cota topográfica que permita evacuar los sedimentos de purga al río.



Lo más cercano al río.



Zona Zona plan plana a



Fuera de una zona de derrumbes o inundación.

para para

evit evitar ar fuert fuertes es movi movimi mien ento toss de tier tierra ra..



En gene genera ral,l, a meno menorr velo veloci cida dad d y may mayor long longititud ud del del desa desare rena nado dorr es may mayor la efic eficie ienc ncia ia de deca decan ntaci tación ón.. Lo mismo mismo puede puede deci decirs rse e con respec respecto to a las part partícu ículas las sólidas: mientras más pequeñas sean, su probabilidad de decantación es menor.



Las Las part partíícula culass muy muy fina finas, s, cuya cuya for forma se pare parece ce noto notori riam amen ente te de la esférica, decantan más difícilmente.



Se trabaj trabaja a con con valor valores es medios medios y por lo tanto tanto hay hay que acepta aceptarr erro errores res,, que en algunos casos pueden ser de magnitud considerable.



El diseño debe considerarse necesariamente el conocimiento detallado acerca del tipo de partículas sólidas que se desea elim elimin inar ar:: tama tamaño ño,, cant cantid idad ad y cali calida dad. d. Es indi indisp spen ensa sabl ble, e, el estu estudi dio o de las las prop propie ieda dade dess físi física cass de los los sóli sólido doss para para obte obtene nerr pará paráme metr tros os que que sean útiles en el diseño.



El peri period odo o de dise diseño ño,, teni tenien endo do en cuen cuenta ta crit criter erio ioss econ econó ómico micoss y técnicos es de 8 a 16 años.



El periodo de operación es de 24 horas por día.



Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada. La transición debe tener un ángulo de divergencia suave no mayor de 12° 30´.





La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar menor turbulencia y arrastre de material (Krochin,V=1m/s).



La llegada del flu flujo de agua a la zona de transición no debe proyectarse en curva pues produce velocidades altas en los lados de la cámara.



La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20.



La sedimentación de arena fina (d 0.7 mm

8.25 6.12 1.28

PÁG. 31

3.4) La experiencia generada por Sudry La cual se muestra en el nomograma en la figura, la misma que permite calc calcul ular ar la veloc elocid idad ad de sedi sedime ment ntac ació ión n w (en (en m/s) m/s) en func funció ión n del diámetro (en mm) y del peso específico del agua ( w en gr/cm³).

Velocidad de sedimentación de granos de arena en agua

3.5) La fórmula de Scotti – Folglieni

Donde: w = velocidad de sedimentación (m/s) d = diámetro de la partícula (m) Para el cálculo de w  de diseño se puede obtener el promedio de los ws con los métodos enunciados anteriormente. anteriormente. En algu alguno noss caso casoss pued puede e ser ser reco recome mend ndab able le estu estudi diar ar en el laboratorio la fórmula que rija las velocidades de caída de los granos granos de un proyect proyecto o específico.

PÁG. 33

CÁLCUL CULO DE LAS LAS DIME DIMENSI NSION ONES ES DEL DEL TANQUE ANQUE 4. CÁL 4.1 Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedi sedime ment ntac ació ión, n, se puede puede plant plantea earr las sigu siguie ient ntes es rela relaci cion ones es::

PÁG. 34

4.2 4.2 Cons Consid ider eran ando do los los efec efecto toss reta retard rdat ator orio ioss de la turb turbul ulen enci ciaa

Con el agua en movimiento la velocidad de sedimentación es menor, e igual a w  – w’ , donde w'  es la reducción de velocidad por efectos de la turbulencia.

PÁG. 35

Tabla : Coeficiente para el cálculo c álculo de desarenadores de baja velocidad  Velocidad de K escurrimiento (m/s) 1.25 0.20 1.50 0.30 2 0.50

Tabla : Coeficiente para el cálculo cálcu lo de desarenadores de alta velocidad 

Dimensiones de las partículas a eliminar d (mm) 1 0.50 0.25  – 0.30

K 1 1.3 2 PÁG. 37

El proceso de cálculo se puede realizar de la l a siguiente manera: 

Asumiendo una profundidad (por ejemplo h = 1.50 m) 

Aplicando la teoría de simple sedimentación: Calcular

la longitud con la ecuación:

 L  K  Calcular

hv w

el ancho de desarenador con la ecuación:

b

Q hv PÁG. 38

Calcular

el tiempo de sedimentación con la ecuación:

t   Calcular

 Q * t 

la capacidad del tanque con la ecuación:

V 

w

el volumen de agua conducido en ese tiempo con la ecuación:

V Verificar

h

 bhL

Cons Consid ider eran ando do los los efec efecto tos s reta retard rdat ator orio ios s de la turb turbul ulen enci cia: a: Calcular α

según Bastelli et al:   

0.132 h

PÁG. 39

Calcular w’  según

Levín:

w '   v Calcular w’  según

w'  Calcular

Eghiazaroff: v

5.7  2.3h

la longitud L utilizando la ecuación (5):  L 

hv w  w'

para valores de w' obtenidos de las ecuaciones de Bastelli y Eghiazaroff  Calcular L , corregida

 L  k 

según la ecuación (9):

hv w

PÁG. 40

De

los valores de L obtenidos, elegir uno de ellos.

Definido

desarenador. h, b, y L se tienen las dimensiones del tanque desarenador.

Para

facilidad del lavado, al fondo del desarenador se le dará una pendiente del 2%. Esta inclinación comienza al finalizar la transición.

PÁG. 41

CÁLCUL CULO DE LA LONGIT NGITU UD DE TRAN TRANSI SICI CIÓN ÓN 5. CÁL La transición debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal, para el diseño se puede utilizar la fórmula de Hind:

 L 

T1  T 2 2tg 12.5º

donde: T1 = espejo de agua en el canal T2= espejo de agua del desarenador 

6.

CÁL CÁLCUL CULO DE LA LONGIT NGITU UD DEL DEL VE VER RTE TEDE DER RO

 Al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastra. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s y como como se indi indicó có ante anteri rior orme ment nte, e, esta esta veloc elocid idad ad pone pone un lími límitte al valo valor  r  máximo de la carga sobre el vertedero h, el cual es de 0.25 m.

6.1 Cálculo de L Para un h = 0.25 m, C = 2 (para un perfil Creager) o C = 1.84 (cresta aguda), y el caudal conocido, se despeja L, la cual es: Q  L  3 Ch 2 Por lo general la longitud del vertedero L, es mayor que el ancho del desarenador b por lo que se debe ubicar a lo largo de una curva circular, que comi comie enza nza en uno uno de los los muro muross lat latera erales les y con continú tinúa a hast asta la compuerta de lavado.

6.2 Cálculo del ángulo central longitud del vertedero

α

y el radio R con que se traza la

En la figura, se muestra un esquema del tanque del desarenador donde se muestran los elementos α, R y L

1) Cálculo de α Se sabe que:

2  R



 L

360º



 

De donde:  L 

2 R 360



 R  

180

Despejando R se tiene:  R 

180 L

..................(10)

 

De la Figura, tomando el triángulo OAB, se tiene: t iene:

cos cos   

R b  R

PÁG. 45

De donde:

 R cos    R  b b



R(1



cos  )

Despejando R se tiene:  R 

b

.................(11)

(1  cos  )

Igualando R de las ecuaciones (10) y (11) se tiene: b



1  cos 

180 18 0L  

Donde la incógnita es α :  

1



180 L b

.................(12)

PÁG. 46

Como en la ecuación (12) L y b son conocidos, el segundo miembro es constante:

C  

180 L 180 L  

Por lo que la ecuación (12) se puede escribir:

  f ( ) 

 

1  cos  

 C 

.................(13)

El valor de α se encuentra resolviendo por tanteos la ecuación (13).

2) Cálculo de R R se calcula utilizando la ecuación (10)

 R 

180 L 180 L  

6.3 Cálculo de la longitud de la proyección longitudinal del vertedero (L1) De la Figura, tomando triángulo OAB, se tiene:  sen



 L1  R



L1

6.4 Cálculo de la longitud promedio (Lm)  Lm



 L1  L2 2

6.5 Cálculo de la longitud total del tanque desarenador:

 LT



Lt



L  Lm



Rsen Rsen 

el

Donde: LT: longitud lon gitud total. Lt: longitud de la transición de entrada. L: longitud del tanque. Lm: longitud promedio por efecto de la curvatura del vertedero.

7.

CÁLCULOS COMPLEMENTARIOS 7.1 Cálculo de la caída ca ída del fondo:

 Z 

L * S 

7.22 Cálc 7. Cálcul ulo o de la profu rofund ndid idad ad del del desa desare rena nado dorr fren frente te a la compuerta de lavado:

 H

 h  Z 

7.3 Cálculo de la altura de cresta del vertedero con respecto al fondo:

hc



H   0.25

7.4 Cálculo de las dimensiones de la compuerta de lavado: Suponiendo una compuerta cuadrada de lado L, el área será A=L², la compuerta funciona como un orificio, siendo su s u ecuación:

Q  Cd  A0 2 gh

7.5 Cálculo de la velocidad de salida: v

Q 

 A0