TRABAJO PRÁCTICO Nº 7 : DESARENADORES

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1 TRABAJO PRÁCTICO Nº 7 : DESARENADORES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA SAN JUAN BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA – SEDE TRELEW CÁTEDRA : CONSTRUCCIONES HIDRÁULICAS TRABAJO PRÁCTICO Nº 7 : DESARENADORES

2 Definición Los desarenadores , son obras hidráulicas que sirven para separar (decantar) y remover (evacuar) después, el material sólido que lleva el agua de un canal. El material sólido que se transporta ocasiona perjuicios a las obras: 1.- Una gran parte del material sólido va depositándose en el fondo de los canales disminuyendo su sección. Esto aumenta el costo anual de mantenimiento y produce molestas interrupciones en el servicio del canal. 2.- Si los canales sirven a plantas hidroeléctricas , la arena arrastrada por el agua pasa a las turbinas desgastándolas tanto mas rápidamente cuanto mayor es la velocidad .Esto significa una disminución del rendimiento y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas.

3 Clases de desarenadores
1.- Por su operación: Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentación y evacuación son dos operaciones simultáneas. Desarenadores de lavado discontinuo, (intermitente), que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados. 2.- Por la velocidad de escurrimiento Baja velocidad v < 1 m/s (Recomendable: m/s). Alta velocidad v > 1 m/s (Recomendable: m/s). 3.- Por disposición de desarenadores En serie, formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro En paralelo, formado por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y diseñados para una fracción del caudal derivado.

4 ESQUEMA GENERAL DE UN DESARENADOR DE LAVADO INTERMITENTE O DISCONTINUO

5 Son el tipo más común y la operación de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible con el objeto de reducir al mínimo las pérdidas de agua. Fases del desarenamiento • Fase de sedimentación • Fase de purga (evacuación) Los elementos básicos de este tipo de desarenador son los siguientes: • Transición de entrada • Cámara de sedimentación • Vertedero • Sistema o compuerta de purga • Canal directo o by-pass

6 CRITERIOS DE DISEÑO En general, a menor velocidad y mayor longitud del desarenador es mayor la eficiencia de decantación. Lo mismo puede decirse con respecto a las partículas sólidas. Mientras más pequeñas sean, su probabilidad de decantación es menor. Las partículas muy finas, cuya forma se parece notoriamente de la esférica, decantan más difícilmente. Se trabaja con valores medios y por lo tanto hay que aceptar errores, 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 eliminar: tamaño, cantidad y calidad. Es indispensable, el estudio de las propiedades físicas de los sólidos para obtener parámetros que sean útiles en el diseño. El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años.

7 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 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 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 3 y 6. DIMENSIONAMIENTO El dimensionamiento de esta obra se fundamenta en dos condiciones: I .- Deberá permitir la retención del material sólido que tenga diámetros mayores al diámetro máximo permitido por las condiciones de escurrimiento de la estructura de conducción. (Fase de Sedimentación) II.- Los sedimentos atrapados deberán ser rápidamente evacuados durante las operaciones de limpieza. (Fase de evacuación)

8 TRANSICION DE ENTRADA:
Une el canal con la cámara de sedimentación propiamente dicha. La transición debe ser proyectada de la mejor forma posible, pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal. Para el diseño de la transición de entrada se recomienda que el ángulo de divergencia medido a nivel de la superficie libre no supere los 12º 30` ( según Bureau of Reclamation ). En tal sentido, la longitud requerida de la transición puede determinarse mediante la siguiente fórmula: 𝐿 𝑡 = 𝑇 1 − 𝑇 2 2 ∗𝑡𝑔 ( 12º 30´) Donde 𝐿 𝑡 = Longitud de la transición 𝑇 1 = Ancho del desarenador a nivel de la superficie libre 𝑇 2 = Ancho del canal a nivel de la superficie libre

9 CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN o TANQUE DESARENADOR
Es la nave en la que las particular sólidas decantan debido a la disminución de la velocidad de flujo producida por el aumento de la sección transversal. Se ha visto que con velocidades medias superiores a 0,5 m/seg los granos de arena no pueden detenerse en una superficie lisa como lo es el fondo de un desarenador. Según Dubuat las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias, son: Para la arcilla 𝑣 𝐿 =0,0081 𝑚/𝑠𝑒𝑔 Para la arena fina 𝑣 𝐿 =0,16 𝑚/𝑠𝑒𝑔 Para la arena gruesa 𝑣 𝐿 =0,216 𝑚/𝑠𝑒𝑔

10 De acuerdo a lo anterior la sección transversal de un desarenador se diseña para velocidades que varían entre 0,1 m/s, y 0,4 m/s. La profundidad media varía entre 1,5 y 4 m. Normalmente la relación ancho /altura (b/h) útil del desarenador se encuentra entre 2 y 3. La forma de la sección transversal generalmente es rectangular o trapezoidal. Con el objeto de facilitar el lavado concentrando las partículas hacia el centro conviene que el fondo no sea horizontal sino que tenga una caída hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1:8.

11 En el Diseño Hidráulico de la cámara de sedimentación normalmente se sigue el siguiente procedimiento: I) Diámetro de las partículas a sedimentar: debe seleccionarse de modo de garantizar que toda partícula mayor o igual al diámetro de diseño adoptado quede retenida de manera efectiva por la(s) cámara(s) de sedimentación. En el caso de centrales hidroeléctricas, el diámetro de diseño usualmente se selecciona de acuerdo a la altura de caída de la central: H = 100 – 200 m  d = 0.6 mm H = 200 – 300 m  d = 0.5 mm H = 300 – 500 m d = 0.3 mm H = 500 – 1000 m  d = 0.1 mm H > 1000 m d = 0.05 mm

12 El diámetro de diseño también puede ser seleccionado en función al tipo de turbina a utilizar. En este caso, se tiene: Turbina Kaplan: 1 – 3 mm Turbina Francis: 0.3 a 1 mm Turbina Pelton: 0.1 a 0.3 mm EI valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantas hidroeléctricas es de 0,25 mm.

13 Con respecto a los Desarenadores con fines de irrigación La mayor parte de estos desarenadores se diseñan para extraer, de la masa fluida, partículas iguales o mayores a 0,2 mm. En la siguiente tabla observaremos una clasificación del suelo por el tamaño de sus partículas y concluiremos que la finalidad del desarenador es garantizar que gravas, arena gruesa y arena media no entren al sistema de riego. Nombre Tamaño en mm Arcilla menor que 0,002 Lino Fino 0,002 a 0,006 Lino Medio 0,006 a 0,02 Limo Fino 0,02 a 0,06 Arena Fina 0,06 a 0,2 Arena Media 0,2 a 0,6 Arena Gruesa 0,6 a 2 Grava 2 a 100

14 a d (mm) 51  0,1 44 0,1 -1 36 > 1

15 III) Calculo de la velocidad de sedimentación w
La velocidad de sedimentación, en medios en reposo, w, puede determinarse mediante la aplicación de los siguientes métodos: a) Tabla de Arkangelski: Proporciona directamente el valor estimado de la velocidad de sedimentación, a partir del tamaño de partícula: d (mm) 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,70 0,80 1,00 2,00 3,00 5,00 w (cm/ seg) 0,178 0,692 1,56 2,16 2,70 3,24 3,78 4,32 4,86 5,40 5,94 6,48 7,32 8,07 9,44 15,29 19,25 24,90

16 b) Experiencias de Sellerio: Se presentan en el siguiente gráfico, el cual permite igualmente hallar la velocidad de sedimentación en función del tamaño de partícula. Como puede observarse en el gráfico ,la recta determinada por Sellerio pasa por el origen y, además, para d = 1mm se tiene que w = 10 cm/s; con lo cual, la pendiente de la recta es 10. De esta manera, la velocidad de sedimentación para cualquier tamaño de partícula puede obtenerse, según este método, con la relación: w (cm/s) = 10 * d (mm)

17 La fórmula de Owens se expresa mediante la siguiente relación:
c) Fórmula de Owens: La fórmula de Owens se expresa mediante la siguiente relación: 𝑤=𝑘 ∗ 𝑑 𝜌 𝑠 −1 donde: w = velocidad de sedimentación, en m/s d = diámetro de la partícula, en m 𝜌 𝑠 = peso específico del material, en g/cm3 k = constante que varía de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos.

18 d) Experiencias de Sudry: se sintetizan en el nomograma siguiente que permite calcular la velocidad de sedimentación w (en m/s) en función del diámetro d (en mm) y del peso específico del agua ( en gr/cm3).

19 e) La fórmula de Scotti-Folglieni: se expresa como: 𝑤=3,8 ∗ 𝑑 +8,3 ∗ 𝑑 donde: w = velocidad de sedimentación, en m/s d = diámetro de la partícula, en m Para el cálculo de w de diseño, se puede obtener el promedio de los w con los métodos enunciados anteriormente.

20 Cálculo de las dimensiones del tanque
a) Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentación Caudal : 𝑄=𝑣 ∗𝐴=𝑣 ∗𝑏 ∗ℎ con h : altura del estanque b : ancho del estanque

21 La longitud del tanque de sedimentación es 𝐿= ℎ ∗𝑣 𝑤
Velocidad de caída : 𝑤= ℎ 𝑡 𝑐 ⇒ 𝑡 𝑐 = ℎ 𝑤 tc : tiempo de caída Velocidad de sedimentación : 𝑣= 𝐿 𝑡 𝑠 ⟹ 𝑡 𝑠 = 𝐿 𝑣 ts : tiempo de sedimentación Aplicando la teoría de simple sedimentación ,para que una partícula sedimente en la longitud L , se debe cumplir : 𝑡 𝑐 ≤ 𝑡 𝑠 en el igual nos queda 𝑡 𝑐 = 𝑡 𝑠 ⇒ ℎ 𝑤 = 𝐿 𝑣 La longitud del tanque de sedimentación es 𝐿= ℎ ∗𝑣 𝑤

22 b) Considerando los efectos retardatorios de la turbulencia
Las velocidades de sedimentación determinadas por cualquiera de los métodos anteriores (w), deben ser corregidas para tomar en cuenta la turbulencia de la corriente, pues si bien la velocidad de flujo en un desarenador es baja, de todos modos el medio fluido no se encuentra en reposo. De este modo, el valor de la velocidad de sedimentación a utilizar es menor , e igual a w – w´, donde w´ es la reducción de la velocidad por efectos de la turbulencia, por lo tanto : 𝐿= ℎ ∗𝑣 𝑤−𝑤´

23 Velocidad del escurrimiento [m/seg]
Valores de w´ • Según Eghiazaroff: 𝑤´= 𝑣 5,7+2,3 ℎ 𝑤´ = 𝑚 𝑠𝑒𝑔 Según Levin 𝑤´=∝∗𝑣 𝑤´ = 𝑚 𝑠𝑒𝑔 Donde ∝ = 0,132 ℎ ℎ = 𝑚 P/Desarenadores de baja velocidad se puede tomar 𝐿=𝐾 ℎ ∗𝑣 𝑤 Velocidad del escurrimiento [m/seg] K 0,20 1,25 0,30 1,50 0,50 2,00

24 Dimensiones de las part. a eliminar
P/ desarenadores de altas velocidades, entre 1,00 m/s a 1,50 m/s, Montagre, precisa que la caída de los granos de 1 mm están poco influenciados por la turbulencia, el valor de K en términos del diámetro. Se recomienda que la altura útil de un desarenador se encuentre entre 1.5 m y 4 m. Si al efectuar los cálculos se determinara un valor de H mayor a 4 m, es recomendable distribuir el caudal total en un número mayor de cámaras de sedimentación . Dimensiones de las part. a eliminar d [mm] K 1,00 0,50 1,30 0,25 – 0,30 2,00

25 VERTEDERO Al final de la cámara de sedimentación se dispone un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. El vertedero debe operar con descarga libre y se recomienda que la velocidad no supere 1 m/s. Si se obtuviera valores mayores de velocidad de descarga, ello podría deberse a la existencia de un caudal elevado en la cámara de sedimentación , por lo que se recomendaría incrementar el número de cámaras, para así repartir el caudal en varias naves.

26 El caudal sobre el vertedero se determina con la fórmula:
𝑄=𝐶 ∗ 𝐿∗ 𝐻 donde: Q : caudal, en m3/s C : coeficiente de descarga: - C = 1,84 en el caso de cresta aguda y - C = 2,0 para el caso de perfil Creager L : longitud de la cresta, en m 𝐻 0 :carga sobre la cresta del vertedero, en m. Área hidráulica sobre el vertedero 𝐴=𝐿 ∗ 𝐻 0 , en m2 Velocidad 𝑣= 𝑄 𝐴 = 𝐶 𝐿 𝐻 𝐿 ℎ =C 𝐻 , en m/seg Carga sobre el vertedero 𝐻 0 = 𝑣 𝐶 2 = =0,25 𝑚=25 𝑐𝑚 Obs: si tomamos el valor de v y C max verificamos que el H0 es de 25 cm

27 Calculo de la longitud del vertedero : Para un 𝐻 0 = 0,25 m, C = 2,00 (para un perfil Creager) o C = 1,84 (cresta aguda), y el caudal conocido, se despeja L, la cual es: 𝐿= 𝑄 𝐶 ∗ 𝐻 En 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 continúa hasta la compuerta de lavado. Cálculo de  ⇒ 𝛼 1− cos 𝛼 =𝐾 Donde 𝑘= 180 ∗𝐿 𝜋 ∗𝑏 ( se obtiene por iteración ) Cálculo de R ⇒𝑅= 180 ∗𝑙 𝜋 ∗ 𝛼

28 Cálculo de la longitud de la proyección longitudinal del vertedero ⇒ 𝐿 1 =𝑅 ∗𝑠𝑒𝑛 𝛼 Cálculo de la longitud promedio , por efecto de la curvatura del vertedero ⇒ 𝐿 𝑝𝑟𝑜𝑚. = 𝐿+ 𝐿 1 2 Cálculo de la longitud total del tanque del desarenador 𝐿 𝑇 = 𝐿 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠. +𝐿+ 𝐿 𝑝𝑟𝑜𝑚. h Ltrans. Lprom

29 CALCULOS COMPLEMETARIOS
Cálculo de la caída de fondo ∆𝑍 =𝐿 ∗𝑆 Donde ∆𝑍 : Diferencias de cotas del fondo del desarenador 𝐿= 𝐿 𝑇 − 𝐿 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠. 𝑆 : Pendiente del fondo del desarenador ( del 2 % al 6 %) Cálculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado H =ℎ+∆𝑍 h = profundidad de diseño del desarenador

30 Cálculo de la altura de la cresta del vertedero con respecto al fondo
ℎ 𝑐 =𝐻−0,25 Donde H = profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado 𝐻 0 :carga sobre la cresta del vertedero, 0,25 m.

31 COMPUERTA DE LAVADO Por la cual se desalojan los materiales depositados en el fondo. Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador generalmente se le da una gradiente fuerte del 2 al 6 %. EI incremento de profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el calado de cálculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depósito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos.

32 Cálculo de las dimensiones de la compuerta de lavado
Suponiendo una compuerta cuadrada, que funciona como un orificio: 𝑄= 𝐶 𝑑 ∗𝐴 0 ∗ 2 ∗𝑔 ∗ℎ Donde Q = Caudal a descargar por el orificio 𝐶 𝑑 = Coeficiente de descarga, en este caso se toma igual a 0,60, para un orificio de pared delgada. 𝐴 0 =Área del orificio, en este caso igual al área de la compuerta ℎ= Carga sobre el orificio , desde la superficie del agua hasta el centro del orificio.

33 Cálculo de la velocidad de salida de la compuerta
𝑣= 𝑄 𝐴 0 Donde 𝑣= Velocidad de salida por la compuerta, debe estar comprendida entre 3 y 5 m/s, para asegurar una purga eficiente y por otro lado, prevenir cualquier efecto erosivo en el concreto, el cual puede empezar a producirse con velocidades por encima de 6 m/s Q = Caudal a descargar por la compuerta 𝐴 0 =Área del orificio, en este caso igual al área de la compuerta

34 CANAL DIRECTO Por el cual se da servicio mientras se está lavando el desarenador. EI lavado se efectúa generalmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparación o inspección, es necesario secar la cámara 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.