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ÚN EJEMPLO ESPECIFICADO DE DESARENADORES
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DESARENADORES
Ing. Giovene Prez Campomanes
4.1 INTRODUCCION
2
La cantidad de sedimentos en suspensin que lleva el
agua puede ocasionar erosin en las paredes de los
canales o la deposicin de las partculas mas finas
provocando la reduccin de la caja del canal y la
consiguiente disminucin de su capacidad, en el caso
de las maquinarias hidrulicas instaladas en las
centrales hidroelctricas, se producen las erosiones
en la agujas y turbinas que ocasionan altos gastos de
mantenimiento o en otros reduccin de la produccin
de energa.
En la sesin de hoy, vamos a dar a conocer toda la
parte teora del tema de desarenadores concluyendo
con su diseo.
34.2 Definiciones:
Son obras hidrulicas que sirven para separar
(decantar) y remover( evacuar) despus, el
material slido que lleva el agua de un canal.
Estructura que permite eliminar ciertas partculas
que se encuentran en suspensin en la masa
fluida.
4Hay que tener en cuenta.
Para los proyectos de irrigacin basta
eliminar partculas >0.50 mm.
Para proyectos hidroelctricos basta eliminar
partculas hasta 0.25 mm.
5ESQUEMA GENERAL
4.3 Ubicacin
El rea de la localizacin debe ser suficientementeextensa para permitir la ampliacin de las unidades
durante el perodo de diseo del sistema.
El sitio escogido debe proporcionar suficienteseguridad a la estructura y no debe presentar riesgo de
inundaciones en los periodos de invierno.
Garantizar que el sistema de limpieza pueda ser porgravedad y que la longitud de desage de la tubera no
sea excesiva.
Lo ms cerca posible del sitio de la captacin.
El fondo de la estructura debe estar preferiblemente porencima del nivel fretico.
4.4 Principios de funcionamiento
4.4.1 Hidrulicos
Distribucin uniforme del caudal en las navesdesarenadoras.
Lneas de corriente paralelas, por lo tanto sinvrtices de eje vertical u horizontal.
No causar remanso en el canal aguas arriba.
Distribucin uniforme del caudal dentro decada nave, esto es importante en el momento de
purga de la nave.
4.4.2 Sedimentolgicos
Sedimentacin de los materiales en suspensin.
Evacuacin al exterior de los depsitos.
Limpieza uniforme de las naves desarenadoras.
No existencia de zonas imposibles de limpiarlas en lasnaves.
Transicin de entrada sin sedimentacin.
Eficiencia adecuada.
94.5 Causas del desgaste del equipo mecnico:
Las principales causas son del desgaste de las
centrales hidroelctricas son:
a. Erosin mecnica o de abrasin:
b. Corrosin qumica y electroqumica:
c. Corrosin por efecto de la cavitacin:
11
4.6 Estudios necesarios para el diseo del
desarenador:
a. Topografa:
b.Geologa:
c. Hidrologa:
d. Anlisis de slidos:
e. Anlisis del uso del agua:
12
Es una estructura que ayuda a potabilizar el agua
de consumo humano, mediante la eliminacin
de partculas en suspensin esta misma funcin
se considera en los aprovechamientos
hidroelctricos y en el riego, dado que evita
cuantiosos daos en las estructuras.
13
La eliminacin de los materiales acarreados
en un flujo comprende dos tareas o fases que
deben realizar los desarenadores:
a. La decantacin de los materiales en
suspensin.
b. La evacuacin de los materiales
depositados.
Deposicin de sedimentos
Canal de purga
S %
15
4.7 Clases de desarenadores:
4.7.1 En funcin de su operacin:
Desarenadores de lavado continuo: Es aquel en elque la sedimentacin y evacuacin son dos
operaciones simultaneas.
Desarenadores de lavado discontinuo:(intermitente) que almacena y luego expulsa los
sedimentos en movimientos separados.
4.7 2. En funcin de la velocidad de escurrimiento:
De baja velocidad v1 m/s ( 1-1.5 m/s)
16
La forma del desarenador, puede ser cualquiera aun
que generalmente se escoge una rectangular o
trapezoidal simple o compuesta.
La primera simplifica considerablemente la
construccin pero es relativamente cara pues las
paredes deben soportar la presin de la tierra
exterior y se disean como muros de
sostenimiento.
La segunda es hidrulicamente mas eficiente y mas
econmica pues las paredes trabajan con simple
revestimiento.
17
4.7.3. Por la disposicin de los desarenadores:
En serie: Formado por dos o mas depsitosconstruidos uno a continuacin del otro.
En paralelo: Formado por dos o mas depsitosdistribuidos paralelamente y diseados por una
fraccin del caudal derivado.
18
4.8 Elementos de un desarenador
El desarenador se compone de los siguientes
elementos:
a. Transicin de entrada: La cual une el canal con
el desarenador.
b. Cmaras de sedimentacin: En la cual las
partculas solidas caen al fondo, debido a la
disminucin de la velocidad producida por el
aumento de la seccin transversal.
19
Las velocidades limites por debajo de las cuales el
agua cesa de arrastrar diversas materias son:
para la arcilla < 0.081 m/s
Para la arena fina < 0.16 m/s
Para la arena gruesa < 0.216 m/s
Un desarenador se disea con velocidades que
varan entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una profundidad
media de 1.5 m a 4 m.
Una mayor profundidad implica un ancho mano o
viceversa.
20
21
Conviene que el fondo no sea horizontal si no que tenga
una cada hacia el centro, la pendiente transversal
usualmente escogida es de 1:5: a 1:8
c. Vertedero: Al final de la cmara se construye un
vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal.
Las capas superiores son las que primero se limpian, es
por esto que la salida del agua, se hace por medio de un
vertedero que debe trabajar con descarga libre.
Como mximo se admite que la velocidad pueda llegar a
v = 1 m/s.
22
De donde:
h = carga sobre el vertedero ( m).
C = 1.84 para vertedero de cresta aguda
C = 2.0 para vertederos de perfil Creager
v = velocidad
De donde para los valores indicados de v y C, se
pueden concluir que el mximo valor de h, no
debera pasar de 25 cm.
23
d. Compuerta de 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 necesario hacer un estudio de la cantidad y tamao de
sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada
capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con
demasiada frecuencia.
En el lavado de los ltimos 10 % de los sedimentos es
generalmente largo y requiere de cantidades demasiado
grandes de agua. Por esto, estos restos generalmente no
se toman en cuenta.
24
Las compuertas de lavado deben disearse para un
caudal igual al trado por el canal mas el lavado
que se obtiene dividiendo el volumen del desarenador
para el tiempo de lavado. Se debe efectuar en forma
rpida y eficaz esta velocidad debe ser de 3-5 m/s.
Naves del desarenador
Transicin de entrada
Qe Qs
Transicin de salida
Naves del desarenador
Transicin de entrada
Qe Qs
Naves del desarenador
Transicin de entrada
Qe Qs
Transicin de salida
25
e. Canal directo: Por el cual se da servicio mientras
se esta lavando el desarenador. El lavado se
efecta generalmente en un tiempo corto, pero por
si cualquier motivo, reparacin o inspeccin, es
necesario secar la cmara del desarenador, el canal
directo que va por el contorno, permite que el
servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada
se colocan 02 compuertas, una de entrada al
desarenador y otra al canal directo.
4.9 Criterios de diseo
La altura de agua en el desarenador debe sertal que no cause remanso en el canal deingreso, de lo contrario provocara sedimentacinen el canal.
El clculo del desarenador se realiza con unproceso simple, como se ver posteriormente, sinembargo es de gran importancia calcularcorrectamente la velocidad de cada.
De presentarse turbulencia y vrtices en el
desarenador, el valor de velocidad de cada
disminuira considerablemente y por
consiguiente disminuira la eficiencia.
El aumento de la concentracin de
sedimentos hace que el valor de velocidad de
cada aumente, por lo que si tenemos valores
de concentracin en el desarenador mayores a 2
gr/l, debemos considerar una mayor longitud
de naves desarenadoras.
La operacin del desarenador es otra faseimportante, por ejemplo, si dejamos
acumularse demasiados sedimentos dentro de
la nave, estaramos reduciendo el rea de
decantacin por consiguiente el valor de la
velocidad aumenta y disminuye la eficiencia.
La pendiente longitudinal de la navedesarenadora debe ser aproximadamente de
2%, lo cual garantiza una buena capacidad de
arrastre de sedimentos depositados.
4.10 Desarenadores de velocidades bajas.
En un inicio se usaban stasestructuras formadas por tazas,
donde la decantacin y la extraccin
de los depsitos eran dos
operaciones sucesivas.
La evacuacin de sedimentos eramecnica, razn por la cual se les
llamaba cmaras de extraccin
mecnica.
Luego se pens en utilizar la mismaagua para efectuar la limpieza y
surgieron las llamadas cmaras de
evacuacin hidrulica, que
constituyeron un verdadero avance
4.11 Desarenadores de velocidades altas.
Con la aparicin de lasgrandes centrales
hidroelctricas y surgiendo
necesidad de mantener
secciones de ciertas
dimensiones, sobretodo en
tneles, se piensa en
velocidades de hasta 1.0 y
1.5 m/s, lo que tambin limita
la eliminacin de partculas
hasta de 0.5 mm, en los
llamados desarenadores con
velocidades altas.
31
4.12 Ecuaciones bsicas para el diseo de los
desarenadores:
Los principales elementos a determinar son:
a. Longitud de cada.
Donde:
v = velocidad critica de sedimentacin.
w = velocidad de cada de las partculas en aguas tranquilas.
Q = b.h.v , luego I = f ( b,h,v,w)
32
b. Velocidad de sedimentacin: La velocidad de
sedimentacin (w), queda relacionada, segn Sudry, por el
peso especifico del agua con cierta concentracin de
sedimentos, el dimetro de las partculas a precipitar dando
la velocidad de sedimentacin en cm/ seg.
c. Velocidad critica del flujo: Esta depende del tamao de
estas, tal como se expresa con la formula de Camp, cuya
expresin de la velocidad critica es:
En ( cm/ seg).
33
4.13 Consideraciones para el diseo hidrulico:
4.13.1 Calculo del dimetro de las partculas:
Dimetro de partculas (d) que son retenidas en el desarenador
Altura de cada (H) ( m)
0,6 100-200
0,5 200-300
0,3 300-500
0,1 500-1000
34
Dimetro de partculas(d) a eliminar en el desarenador
Tipo de turbina
1-3 Kaplan
0,4-1 Francis
0,2-0,4 Pelton
4.13.2 Calculo de la velocidad del flujo v en el tanque:
La velocidad de un desarenador se considera lenta, cuando
esta comprendida entre 0.20 m/s, 0.60 m/s.
Se puede calcular utilizando la formula de Camp.
35
Donde :
d = dimetro ( mm)
a = constante en funcin del dimetro
4.13.3 Calculo de la velocidad de cada w (en aguas
tranquilas).
Para este efecto existen varias formulas empricas, tablas
y nomogramas, algunas de las cuales consideran :
a d(mm)
51 < 0,1
44 0,1 -1
36 > 1
36
Peso especifico del material a sedimentar: gr/cm3.(medible).
Peso especifico del agua turbia :gr/cm3.(medible).
La formula de Owen:
Donde:
w = velocidad de sedimentacin ( m/s)
d = dimetro de partculas ( m)
= peso especifico del material (m/s).
k = Constante que varia de acuerdo con la forma y naturaleza
de los granos .
37
Forma y naturaleza k
Arena esfrica 9,35
Granos redondeados 8,25
Granos cuarzo d>3
mm 6,12
Granos cuarzo d>0,7
mm 1,28
La experiencia generada por Sudry: La que permite calcular
la velocidad de sedimentacin w( m/s), en funcin del dimetro
( en mm) y el peso especifico del agua ( ), en gr/cm3.
La formula de Scotti Foglieni:
38
Donde:
w = velocidad de sedimentacin ( m/s)
d = dimetro de la partcula ( m)
Para los clculos de w de diseo, se puede obtener el
promedio de los , con los mtodos anunciados.
39
La longitud, aplicando a la teora de simple
sedimentacin es:
Considerando los efectos retardarios de la
turbulencia: con el agua en movimiento la velocidad
de sedimentacin es menor, e igual a w - w , donde
w, es la reduccin de la velocidad por efectos de la
turbulencia.
Luego la ecuacin anterior queda expresada as:
40
Eghiazaroff: expresa la reduccin de velocidad como:
Levin: relaciono esta reduccin con la velocidad de flujo con
un coeficiente.
Bestelit: Consideran:
En el calculo de los desarenadores de bajas velocidades , se
puede realizar una correccin, mediante el coeficiente K, que
varia de acuerdo a las velocidades de escurrimiento en el
tanque, es decir:
41
En el calculo de los desarenadores de bajas
velocidades, se puede realizar una correccin,
mediante el coeficiente K, que varia de acuerdo a las
velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:
Donde k, se obtiene de la tabla 6.5
Velocidad de
escurrimiento
(m/s)
k
0,2 1,25
0,3 1,5
0,5 2
42
dimensiones de las partculas a eliminar
(m/s)k
1 1
0,5 1,30,25 -0,30 2
En los desarenadores de altas velocidades, entre 1 m/s a
1.50 m/s, Montagne, precisa que la cada de los granos de
1 mm estn poco influenciados por la turbulencia, el valor
de K en trminos del dimetro, como se muestra en la tabla
adjunta.
El largo y el ancho de los tanques pueden en general,
construirse a mas bajo costo que las profundidades, en el
diseo se deber adoptar la mnima profundidad
practica, la cual para asumirse entre 1.50 a 4.00 m.
43CENTRAL HIDROELCTRICA CARHUAQUERO
44
4.15 Proceso de calculo de las dimensiones del
tanque:
4.15.1 asumiendo una profundidad por ejemplo de h
= 1.50m).
4.15.1.1 Aplicando la teora de simple sedimentacin:
Calcular la longitud con la ecuacin
Calcular el ancho del desarenador con alecuacin:
45
Calcular el tiempo de sedimentacin con la
ecuacin :
Calcular el volumen de agua conducido en ese
tiempo con la ecuacin :
Verificar la capacidad del tanque con la
ecuacin :
46
4.15.2 Considerando los efectos retardarios de la
turbulencia :
Calcular, segn Bastelli et al:
Calcular w, segn Levin:
47
Calcular w , segn Eghiazoroff:
Calculo de L:
Para los valores de w obtenidos de las ecuaciones de
Bestelli y Eghiazaroff:
Calcular L, corregido :
48
De los valores de L, obtenidos, elegir uno de ellos.
Definido h, b y L; se pueden obtener las
dimensiones del tanque :
Nota: Para facilitar el lavado, al fondo del
desarenador se la dar una pendiente del 2%, esta
inclinacin comienza al finalizar la transicin.
49
4.15.3 Calculo de la longitud de la transicin:
La transicin debe ser hecha lo mejor posible, pues la
eficiencia de la sedimentacin depende de la
uniformidad de la velocidad en la seccin transversal,
para el diseo se puede utilizar la formula de Hind:
De donde:
L = longitud de la transicin
T1 = espejo del agua en el desarenador
T2= espejo del agua en el canal
50
51
52
4.15.4 Calculo de la longitud del vertedero.
Al final de la cmara se construye un vertedero sobre
el cual pasa el agua limpia hacia el canal.
Mientras mas pequea es la velocidad de paso por el
vertedero, menos turbulencia causa en el
desarenador y menos materiales en suspensin
arrastra.
Como mximo se admite que la velocidad pueda
llegar a v = 1 m/s. y como se indico anteriormente,
esta velocidad pone un limite al valor mximo de la
carga h sobre el vertedero, el cual es de 0.25 m.
53
Calculo de L:
Para un h = 0.25m , C = 2.1 ( para un perfil
Creager).
C = 1.84 ( cresta aguda) y el caudal conocido,
se despeja L, la cual es:
54
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 comienza en uno de los muros
laterales y continua hasta la compuerta de
lavado, como se muestra en la figura 6.2.
55
56
Calculo de
Calculo de R:
Calculo de la longitud de la proyeccin longitudinal del
vertedero.( L1).
Calculo del Angulo central y el radio R con que se
traza la longitud del vertedero:
57
58
Calculo de la longitud promedio :
Calculo de la longitud total del tanque desarenador:
De donde :
LT = longitud total
Lt = longitud de la transicin de entrada
L = longitud del tanque
Lprom = longitud promedio por efecto de la curvatura del
vertedero
59
4.15.5 Clculos complementarios:
Calculo de la cada del fondo:
Donde:
Diferencia de cotas del fondo del
desarenador.
S = pendiente de fondo del desarenador. ( 2 %).
60
Calculo de la profundidad del desarenador
frente a la compuerta de lavado:
Donde:
= diferencia de cotas del fondo del
desarenador.
h = profundidad de diseo del desarenador
H = profundidad del desarenador frente a la
compuerta de lavado.
61
Calculo de la altura de cresta del vertedero con
respecto al fondo:
Donde:
hc = altura de la cresta del vertedero con respecto al
fondo
H = profundidad del desarenador frente a la compuerta
de lavado.
62
Calculo de las dimensiones de la compuerta de
lavado:
Suponiendo que una compuerta cuadrada de lado l,
el rea ser :
La compuerta funciona como un orificio, siendo su
ecuacin:
63
Donde:
Q = caudal a descargar por el orificio
Cd = coeficiente de descarga = 0.60 para un orificio de pared
delgada
Ao = rea del orificio, en este caso igual al rea A de la
compuerta.
h = carga sobre el orificio, ( desde la superficie del agua
hasta el centro del orificio)
g = aceleracin de la gravedad 9.81 m/s2.
64
Calculo de la velocidad de salida:
Donde:
v = velocidad de la salida por la compuerta, debe ser de 3 a
5 m/s, para el concreto el limite erosivo es de 6 m/s.
Q = caudal descargado por la compuerta
Ao = rea del orificio, en este caso igual al rea A de la
compuerta.
4.14 Problemas presentados y soluciones presentadas
durante el diseo de desarenadores.
a) Las ineficiencias de un desarenador puede generar:
Desgaste acelerado de turbinas de centraleshidroelctricas
Alabes de la turbina pelton de la central
Hidroelctrica del Can del Pato.
Desgaste producido por las
caractersticas altamente
abrasivas de los slidos en
suspensin.
Las ineficiencias de un desarenador puede
generar:
Desgaste acelerado de turbinas de centralesHidroelctricas.
Obstruccin de sistemas de riego tecnificado.
Erosin de estructuras hidrulicas situadas aguasabajo del desarenador.
Reduccin del canal transportado en el canal
Mayores costos de tratamientos del agua
b) Problemas mas frecuentes presentados
durante el diseo:
Remanso en el canal aguas arriba.
Distribucin no uniforme del caudal en las naves
Formacin de vrtices de eje vertical y horizontal
Eficiencias bajas.
Limpieza no uniforme de las navesdesarenadoras.
Transicin de entrada con sedimentosdepositados.
c) Remanso aguas arriba
Vertederos que establecen en
el nivel de agua en las naves
desarenadoras
CAUSA:
Presencia de vertederos en la seccin final de lasnaves desarenadoras.
Consecuencia:
Sedimentacin de partculas en la transicin deentrada y/o en el canal de ingreso.
Eficiencias bajas.
Soluciones:
Establecer diversos niveles de operacin.
Vertederos provistos de orificios.
d) Distribucin no uniforme del caudal
entre las naves:
Causa:
El agua, en la ltima seccin del canal de entrada
tiende a seguir la zona central de la transicin paracontinuar con mayor caudal en las naves centrales
Consecuencias:
Mayor velocidad en las naves centrales
Disminucin de la eficiencia en las naves de mayorgasto
Consecuencias negativas en la operacin de purga desedimentos
Soluciones:
Colocar pantallas deflectoras
Prolongar hacia aguas arriba, las navesdesarenadoras
Prolongacin de las
naves desarenadoras
Pantalla deflectora
e) Formacin de vrtices
Causas:
ngulos muy pronunciados de la rampa alfinal del canal de entrada.
Transiciones de salida que influyennegativamente hacia aguas arriba.
Distribucin no uniforme del caudal entre lasnaves desarenadoras.
Formacin de vrtices
Transicin de entrada con un gran vrtice de eje vertical
f) Limpieza no uniforme de las naves
desarenadoras
Causas:
Naves desarenadoras son muy anchas Diseo geomtrico de las naves desarenadoras
con curva horizontal
Consecuencias:
En naves anchas, la purga tomara ms tiempo ymayor prdida de agua
En naves diseadas con curva horizontal, lamayor parte del caudal de purga tiende hacia ellado cncavo
Soluciones:
Calcular el ancho ptimo de las navesdesarenadoras
Disear guas de fondo y/o peralte en los tramoscurvos
Guas de fondo
g) Eficiencias bajas
Causas:
Deficientes reglas de operacin
Deficiente diseo hidrulico
Deficiente diseo sedimentolgico:Falta de
investigacin para determinar la velocidad de
cada, reducindose a calcular en la mayora de
casos por simple aplicacin de formulas.
Consecuencias:
Deposicin de sedimentos
Reduccin del rea de decantacin
Suspensin del suministro del servicio para lalimpieza de las naves que no se pueden limpiar
por medios hidrulicos
Altos costos de mantenimiento
Causas :
Desarenador muy corto Geometra de transicin no
adecuada.
Deposicin de sedimentos aguas abajo de
las naves desarenadoras
Limpieza no uniforme de las naves desarenadoras
Consecuencias:
Flujo turbulento que retrasa la velocidad decada de las partculas
Eficiencias bajas
Solucin:
Colocar una pantalla deflectora al inicio de la transicin de entrada para reorientar las
lneas de corriente
82
4.16. PROBLEMA DE APLICACIN
4.16.1 Diseo de un desarenador
Disear un desarenador para sedimentar las partculas
que conduce un canal de riego, diseado en tierra, con
un caudal de 1 m3/s.
El desarenador debe ser de velocidad lenta aplicando:
La teora de la simple sedimentacin El efecto retardador de la turbulencia
Datos:
Peso especifico del material a sedimentar =2.43 gr/cm3
Peso especifico del agua= 1.03 gr/cm3.
83
Desarrollo:
Hallando la Velocidad:
Del cuadro N 09
Se halla a para un dimetro de 1 mm
Sabiendo que L:
84
De donde se asume K: 9.35 del cuadro N 10.
d = 0.0001 m
Despejando los datos se tiene:
Tambin se conoce que:
De donde:
Reemplazando d, se tiene:
85
Hallando L:
Cuando existe la presencia de la turbulencia:
De donde:
Sabiendo que:
v = 0.44 m/s
h = 1.5 m
86
w = 0.048 m/s.
Hallando : = 0.25.
De donde:
w = 0.11 m/s ( Redondeando)
Sabiendo que:
87
Reemplazando datos tenemos:
Para w = 0.249 m/s , h = 1.5 m , v = 0.44 m/s y
w = 0.11 m/s. Y w = 0.048 m/s.
L= 4.75 m y L = 3.28 m
El ancho del desarenador:
El tiempo de sedimentacin:
Volumen de agua conducido:
Capacidad del tanque:
88
Hallando L corregida:
Calculo de la longitud de la transicin:
Para:
T2 = 0.8 m
T1 = 1.50 m
Lt = 0.85 m
89
90
Calculo de la longitud del vertedero:
Hallando el valor de R:
R = 4.5 m.
Calculo de la longitud de la proyeccin longitudinal del vertedero
L1 = 4.4 m.
91
Hallando :
Longitud promedio:
92
Calculo de la longitud total:
Calculo de la cada del fondo:
93
Calculo de la profundidad del desarenador:
H = 1.50 +0.23 = 1.73 m
Calculo de la altura de la cresta:
1.48 m
94
Calculo de las dimensiones de la compuerta de lavado:
Q = 0.28 m3/s
Calculo de la velocidad de salida:
v = 3 m3/s.
95
FIN DEL TEMA