Camara de Carga y Desarenador

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE LOS ANDES FACUL ACU LTAD DE INGE I NGENIE NIERIA RIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

PRESENTACION

El agua es el recurso natural básico por excelencia, sin el cual sería impensable impensable la vida tal como la conocemos, y en la que se basa cualquier posible desarrollo de la sociedad. Es por ello que las obras de captación y transporte de agua han sido las primeras que ha abordado el hombre hombre,, alte altera rando ndo necesa necesari riame ament ntee el entor entorno no natura natural.l. El papel papel que que juega juegann las las infraestructuras de agua en el desarrollo es pues, fundamental. Actualmente este tipo de infraestructuras deben ser diseadas y gestionadas por profesionales t!cnicos con un alto grado de formación en ingenieria civil hidraulica, tanto del ámbito privado como de la administración, que sean competentes y sepan aplicar las t!cnicas más avan"adas y eficientes, logrando que las obras cumplan las funciones para las que fueron diseadas en forma eficiente y racional# captación, transporte, almacenamiento, regulación y distribución.

INTRODUCCION CURSO: OBRAS HIDRAULICAS 2016-I

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$os antiguos romanos y griegos griegos aprovechaban aprovechaban la energía energía del agua% utili"aban utili"aban ruedas hidráulicas para moler trigo. &in embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga retrasó su aplicación generali"ada hasta el siglo '((. )urante la edad media, las grandes ruedas hidráulicas de madera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos. $as presas y los canales eran necesarios para la instalación de ruedas hidráulicas sucesivas cuando el desnivel era mayor de cinco metros. $a construcción de grandes presas de contención todavía no era posible% el bajo caudal de agua durante el verano y el otoo, unido a las heladas en invierno, obligaron a sustituir las ruedas hidráulicas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón. $os canales son conducciones a superficie libre que se utili"an en sistemas de suministro de agua y en sistemas de drenaje de aguas lluvias. En los sistemas de suministro de agua los canales pueden emplearse entre la captación y el tanq tanque ue sedi sedime ment ntad ador or,, y lueg luegoo entr entree el desa desare renad nador or y el tanq tanque ue de alma almace cena nami mien ento to.. *osteriorme *osteriormente, nte, dependiendo dependiendo de la forma como se programe la distribución distribución del agua a partir del tanque de almacenamiento, se utili"an tuberías o combinaciones de tuberías y canales. $os sistemas de drenaje de aguas lluvias constan de un canal principal y una serie de ramales secundarios y terciarios que captan en sus recorridos los caudales de escorrentía que se generan en sus áreas de influencia. Algunas estructuras que se construyen en los canales son las siguientes# •

+ompuertas y ertederos, para derivaciones, medición de caudales y control de niveles.

•

-ransiciones, para empalmar tramos de diferente sección transversal.

•

&ifones &ifones y Acueductos, Acueductos, o puentes, puentes, para atravesar corrientes corrientes naturales naturales y cru"ar por depresiones del terreno.

•

-neles, para atravesar obstáculos naturales.

•

/ampas, escalones y disipadores de energía, para controlar las velocidades en canales de alta pendiente, entre otros.

CURSO: OBRAS HIDRAULICAS 2016-I

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DESARROLLO DEL TRABAJO INDICADO CÁMARA DE CARGA Definición: $as cámaras de carga son el primer receptor del agua del desarenador desde donde se distribuyen distribuyen a las tuberías for"adas for"adas que la conducen hacia las turbinas. turbinas. Está diseada para actuar como una reserva de agua para mantener la presión de caída en la tubería for"ada y requi requier eree una entrad entradaa cont contin inua ua de agua agua del del canal canal para para mant mantene enerr su nivel nivel máxi máximo. mo. 0ormalmente, se instala una gran rejilla coladera que cubre la "ona de entrada de agua a la tubería for"ada para impedir la entrada de detritus en la misma. Es esencial una limpie"a frecuente de la rejilla coladera de la cámara de carga, ya que un caudal reducido de agua debido a una rejilla obstruida puede conducir a presiones reducidas en la tubería de presión. $a cámara de carga acta como un ltimo desarenador y su diseo debe contar con una válv válvul ulaa de purga purga en la compu compuert ertaa de sali salida, da, para poder poder sacar sacar y elim elimin inar ar todos todos los los sedimentos de la base de la misma. $a mayoría de ellas cuenta tambi!n con un vertedero para desviar el exceso de agua. En algunos diseos de cámara de carga, se ha instalado una válvula de purga de aire en el punto en que la tubería for"ada se une con la cámara de presión. El propósito de esta válvula es eliminar el aire de la tubería for"ada durante su puesta en funcionamiento y como precaución contra la formación de un posible vacío si, por alguna ra"ón, la entrada de la tubería for"ada se bloquea.

Partes: •

•

-apón# Es el accesorio de maniobra que facilita la limpie"a del tanque sedimentador, cumpliendo la función de compuerta, por lo que tambi!n permite controlar el ingreso de agua. /ejilla# Evita que los sólidos flotantes ingresen a la tubería de presión, ya que pueden afectar el funcionamiento de las máquinas. &ituadas en varios puntos a lo largo del canal se encuentran encuentran una serie de rejillas coladeras coladeras que impiden que caigan a los mismos restos de vegetación y grandes piedras. $as rejillas coladeras están hechas de barras de metal paralelas espaciadas de modo uniforme y se colocan normalmente en posición inclinada. )e esta manera será más fácil recoger las hojas y detritus de la misma. )ependiendo del empla"amiento, las rejillas coladeras deberán limpiarse regularmente, y en algu alguno noss caso casoss será será nece necesa sari rioo desm desmon onta tarl rlas as para para limp limpia iarl rlas as apro apropi piad adam amen ente te.. /ecientemente se han introducido en el mercado rejillas coladeras de plástico duro. Además de su poco peso, que facilita el proceso de poner y quitar la rejilla, las barras pueden fabricarse con perfiles aerodinámicos para reducir turbulencias y minimi"ar las p!rdidas de carga.


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Fnción: $as principales funciones de la cámara de carga o tanque de presión son# permitir la conexión entre el sistema de conducción y la tubería de presión, producir la sedimentación y elimin eliminaci ación ón de materi materiales ales sólidos sólidos que pudiera pudiera transpo transporta rtarr el sistem sistemaa de conducci conducción, ón, impidiendo de esta forma la entrada a la tubería de presión de materiales sólidos, de arrastre y flotantes. -ambi!n debe desalojar el exceso de agua en las horas en que la cantidad consumida por las turbinas es inferior al caudal de diseo..

Dise!": Esta Esta estru estruct ctura ura hidrá hidrául ulic icaa busca busca crear crear un volu volume menn de reser reserva va de agua agua que permi permita ta satisfacer las necesidades de las turbinas y garanti"ar la sumergencia del sistema de conducción de alta presión, manteniendo una altura de agua suficiente que evite, a toda costa, la entrada de aire a estos equipos de generación Esta Estass obras obras deben deben tener tener una una long longititud ud y un ancho ancho adecu adecuado ados, s, sin sin ser demas demasiad iadoo voluminosos o caros. *ara el diseo de la cámara de carga establecemos lo siguiente# El caudal de diseo será el mismo que llega a trav!s del canal El tirante de entrada es equivalente al tirante del canal, de igual manera el ancho de entrada corresponde al ancho del canal.


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)onde# t 1 volumen del tanque de carga 2m34s5 A 1 área del canal de conducción 2m65 i1 pendiente del canal de llegada g 1 aceleración de la gravedad 2m4s65 7,893 es un coeficiente de disminución del volumen A partir del volumen del tanque podemos obtener la constante de capacidad de este, para ello empleamos la siguiente tabla#

Pre #i$ensi"na$ient" #e% tan&e:

)onde# : 1 profundidad del tanque de almacenamiento ; 1 ancho del tanque de almacenamiento $ 1 $argo del tanque de almacenamiento &e considera, para efectos prácticos, que B = L

E# 3

)e esta manera si se tiene un caudal de Vt =

0.693 x 7.56

7.56 m / seg

2

1.73 x 0.005 x 9.8

=4.67 m


3

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En cientos de metros cbicos, será ?,8@ por lo que se utili"a  1 B,C# H =

B=

4.67

√

3

+ 1.8 =3.36 m

4.67 3.36

=

11.80 m

*or tanto, las dimensiones calculadas para la cámara de carga son# *rofundidad 2:cc5 1 3,38 m Ancho 2;5 1 BB,C7 m $ongitud 2$5 1 BB,C7 m )ime )imensi nsione oness que garan garantiti"an "an que el chorr chorro, o, produ product ctoo de la caída caída desde desde el canal canal de conducción, se integre a la cámara de carga sin afectar sus paredes con deterioros imprevistos.


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$a altura mínima entre el eje de ingreso a la tubería y el nivel de agua en la cámara puede calcularse por medio de la siguiente expresión recomendada por algunos autores#

)onde# :min 1 altura mínima de agua sobre el eje de la tubería 2m5  v 1 velocidad media en la tubería de presión 2m4s5  ) 1 diámetro interno de la tubería 2m5  + 1 constante que varía segn algunos autores entre 7.3 y 7.? o 7.D y 7.@


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DESARENADOR DEFINICI'N $os desarenadores son obras hidráulicas que sirven para separar 2decantar5 y remover 2evacuar5 despu!s, el material sólido que lleva el agua de un camal. El material sólido que se transporta ocasiona perjuicios a las obras# na gran gran part partee del del mate materi rial al sóli sólido do va depo deposi sitá tánd ndos osee en el fond fondoo de los los cana canale less  na disminu disminuyend yendoo susecci susección. ón. Esto Esto aumenta aumenta el costo costo anual anual de manteni mantenimie miento nto y produce produce molestas interrupciones en el servicio de canal.  &i los canales sirven a plantas hidroel!ctricas, la arena arrastrada por el agua pasa a las

turbinas desgastándolas tanto más rápidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una disminución del rendimiento y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas.

CLASES DE DESARENADORES *or la disposición de los )esarenadores#  En serie, formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro.

distribuidos paralelamente paralelamente y diseados para  En paralelo, formado por dos o más depósitos distribuidos una fracción del caudal derivado.


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DESARENADORES DE LA(ADO INTERMITENTE &on el tipo más comn y la operación de lavado se procura reali"ar en el menor tiempo posible con el objeto de reducir al mínimo las p!rdidas del agua. El desarenador tiene como finalidad la separación y eliminación de partículas sólidas como la arcilla, arenas finas y gruesas que son transportadas en el escurrimiento de agua. $a separación de las partículas sólidas retenidas se lo reali"a antes de que ingrese el agua a la conducción principal, con la finalidad de evitar que se produ"can sedimentos en la conducción y desgaste desmedido del equipo electromecánico.

ELEMENTOS BÁSICOS DE UN DESARENADOR

•

Fona de entrada


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• • •

Fona de desarenación Fona de salida Fona de depósito y eliminación del material sedimentado

B. -ransici -ransición ón de entrada, entrada, la cual une el canal con con el desarenador desarenador.. 6. +áma +ámara ra de sedim sediment entac ació ión, n, en la cual las parti particu cular lar sólid sólidas as caen al fond fondo, o, debido debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal. &egn )ubuat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son# • • •

para la arcilla 7.7CB m4s para arena fina 7.B87 m4s para la arena gruesa 7.6B8 m4s

)e acuerdo acuerdo a lo anterio anteriorr, la sección sección transv transvers ersal al de un desarena desarenador dor,, se disea disea para velocidades que varían entre 7.B m4s y 7.? m4s, con una profundidad media de B.D m y ? m. >bservar que para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa. $a forma de la sección transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una una rect rectan angu gula larr o una una trap trape" e"oi oida dall simp simple le o comp compue uest sta. a. $a prim primer eraa simp simplilififica ca considerableme considerablemente nte la construcción, construcción, pero es relativamente relativamente cara pues las paredes deben se sopor soporta tarr la presi presión ón de la tier tierra ra exte exteri rior or y se dise disean an por lo tant tantoo como como muros muros de sostenimiento. $a segunda es hidráulicamente más eficiente y más económica pues las paredes trabajan como simple revestimientos. +on el objeto de facilitar el lavado concentrando las partículas hacia el centro conviene que el fondo no sea hori"ontal sino que tenga una caída hacia el centro. $a pendiente transversal usualmente escogida es de B#D a B#C. 3.

ertedero, ertedero, al final final de la cámara cámara se construye construye un vertedero vertedero sobre el cual cual pasa el agua limpia limpia hacia el canal. $as capas superiores son las que primero se limpian es por esto que la


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salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. -ambi!n mientras más pequea es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastra. +omo máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v 1 B m4s. ?. +ompuerta +ompuerta de lavado, sirve sirve para desalojar desalojar los materiales depositados depositados en el fondo. *ara facilitar elmovimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradientefuerte del 6G al 8G. El incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de cálculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depósitos para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamao de sedimentos que trae el agua para asegura una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencias. *ara lavar una cámara del desarenador se cierran las compuertas gran velocidad arrastrando la mayor parte de sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue pasando al canal sea a trav!s del canal directo o a trav!s de otra cámara del desarenador. na ve" que esta vacía la cámara, se abre parcialmente las compuertas de admisión y el agua agua que entr entraa circ circul ulaa con con gran gran velo veloci cida dadd sobre sobre los los sedi sedime ment ntos os que han quedad quedado, o, erosionándolos y completando el lavado. Heneral Heneralment mente, e, al lavar lavar un desaren desarenador ador se cierra cierrann las compuert compuertas as de admisión admisión.. &in embargo, para casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive con estas compuertas abiertas. *or este motivo las compuertas de lavado deben disearse para un caudal igual al traído por el canal más el lavado que se obtiene dividiendo el volumen del desarenador para el tiempo de lavado. :ay que asegurarse que el fondo de la o las compuertas compuertas este más alto que el punto del río al cual se conducen las aguas del lavado y que la gradiente sea suficiente para obtener una velocidad capa" de arrastrar las arenas. CURSO: OBRAS HIDRAULICAS 2016-I

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&e consideran que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y efica" esta velocidad debe ser de 3 I D m4s.

CLASIFICACI'N EN FUNCI'N DE OPERACI'N DESARENADOR DE LA(ADO CONTINUO Es aquel en el que la sedimentación y evacuación son dos operaciones simultáneas, la función del desarenador de lavado continuo es dividir el agua que ingresa al desarenador en dos capas, la primera situad al fondo que contiene sedimentos más pesados y que encausa a una galería galería longitudinal de pequea sección, y la otra situada encima de la anterior capa descrita para producir sedimentación. $as capas de agua son separadas mediante una reja de vigas de hormigón o de madera en la dirección del agua.

DESARENADOR DE LA(ADO LA(ADO DISCONTINUO O INTERMITENTE Es aquel que recolecta los sedimentos en suspensión y los que están en el fondo del canal, para la limpie"a se reali"a la evacuación por medio de un canal o tubería de desagJe que se hará en el menor tiempo posible, o en este caso se construirá 6 o más cámaras desarenadoras, o un canal de paso directo. &e recomienda que esta estructura se ubique inmediatamente despu!s de la captación, luego de un canal para obtener una CURSO: OBRAS HIDRAULICAS 2016-I

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velocidad de conducción uniforme. Kigura 0o.B.? Este tipo de desarenador se compone fundamentalmente de# transición de entrada, cámara de sedimentación, vertedero de salida, compuerta de lavado, transición de salida, canal directo

CLASIFICACI'N EN FUNCI'N DE LA (ELOCIDAD DE ESCURRIMIENTO

De Ba)a (e%"ci#a# ( * + M,S -./0. 1 ./2. M,S3 *uede *uede asegur asegurar ar la elim elimin inaci ación ón de partí partícul culas as de 7,BD 7,BD mm de diáme diámetr tro, o, se caracteri"a por la forma de tolva con fuertes taludes de su sección transversal, por sus orificios de purga poco espaciados entre B a 6 m y con secciones decrecientes aguas abajo, por sus vanos de evacuación auxiliar y vanos de aislamiento que permiten la limpie"a de los tanques y por unos vanos de gran dimensión ubicado aguas arriba como trampa de gravas. Heneralmente el consumo de agua en la purga varía entre el DG al B7G del gasto derivado.

De A%ta (e%"ci#a# ( 4 + M,S -+/.. 1 +/5. M,S3 CURSO: OBRAS HIDRAULICAS 2016-I

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Esta velocidad es suficiente para arrastrar el material depositado hacia los orificios de purga situados en el extremo aguas abajo de la estructura. El consumo de agua puede considerarse comprendido entre el 6G y el B7G del gasto derivado. *resenta dificultades en la selección de la velocidad de dimensionamiento ya que su límite inferior de aproximadamente B m4s reduce la eliminación de partículas en general menores a 7,D7 mm de diámetro, con velocidades menores se puede provocar la decantación que no sucede con estas velocidades

CLASIFICACI'N POR LA DISPOSICI'N DE LOS DESARENADORES *or disposición encontramos en serie que se forma por dos o más cámaras construidas una a continuación dela otra, en paralelo que se forma por dos o más depósitos distribuidos uno a lado del otro y diseados para una fracción del caudal derivado y los de disposición mixta que es la combinación de dos o más desarenadores en serie construidos paralelamente con capacidad para una fracción del gasto derivado.

TIPOS DE DE ARENADORES Existen varios tipos de desarenadores, los principales son#


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DESARENADOR LONGITUDINAL:

DESARENADOR DE ('RTICE6

CRITERIOS DE DISE7O  El periodo de diseo, teniendo en cuenta criterios económicos y t!cnicos es de C a B8 aos.  El nmero de unidades mínimas en paralelo es de dos 265 para efectos de mantenimiento. I

El periodo de operación es de 6? horas por día.  El tiempo de retención será entre 6 I 8 horas. CURSO: OBRAS HIDRAULICAS 2016-I

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 $a carga superficial será entre los valores de 6 I B7 m3 4m6 4día  $a profundidad del sedimentador será entre B,D L 6,D m.  $a relación de las dimensiones de largo y ancho 2$4;5 será entre los valores de 3 I 8.  $a relación de las dimensiones de largo y profundidad 2$4:5 será entre los valores de D I 67.  El fondo de la unidad debe tener una pendiente entre D a B7G para facilitar el desli"amiento

del sedimento.  $a velocidad en los orificios no debe ser mayor a 7,BD m4s para no crear perturbaciones dentro de la "ona de sedimentación.  &e debe aboquillar los orificios en un ángulo de BDM en el sentido del flujo.

CONSIDERACIONES PARA EL DISE7O 8IDRÁULICO +6 CÁLCULO CÁLCULO DEL DEL DIÁMETRO DIÁMETRO DE DE LAS PART9C PART9CULAS ULAS A SEDIME SEDIMENT NTAR AR $os desarenadores se disean para un determinado diámetro de partícula es decir, que se supone que todas las particulas de diámetro superior al escogido deben depositarse. *or ejemplo, el valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantas hidroel!ctricas es de 7.6D mm. En los sistema sistemass de riego riego gener general alme ment ntee se acepte acepte hasta hasta d 1 7.D 7.D mm. mm.

En siste sistemas mas

hidroel!ctricos el diámetro puede calcularse en función de la altura de caída como se muestra en la tabla B, o en función del tipo de turbina como se muestra en la tabla 6.


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06 CALCULO DE LA (ELOCIDAD DEL FLUJO V EN EL TANUE $a velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando esta comprendida entre 7.67 m4s a 7.87 m4s. $a elección puede ser arbitraria arbitraria o puede reali"arse reali"arse utili"ando utili"ando la formula de +amp#

;6 CALCULO DE LA (ELOCIDAD DE CA9DA < -EN AGUAS TRANUILAS3 *ara este aspecto, existen varias fórmulas empíricas, tablas y nomogramas, algunas de las cuales consideran#  *eso específico del material a sedimentarse#  *eso específico del agua turbia#

ρ

ρ

gr4cm3 2medible5

gr4cm3 2medible5

Así se tiene#

;6+ Ta=%a ; >re>ara#a >"r Ar?@ane%s?i la misma que permite calcular N 2cm4s5 en función del diámetro de partículas d 2en mm5


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;60 La e>eriencia enera#" >"r Se%%eri" la cual se muestra en el nomograma de la figura 6,la misma que permite calcular cm4s5 en función del diámetro d 2en mm5.

3

LA

F'RMULA

DE


O
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w

2en


donde#  N 1 velocidad de sedimentación 2m4s5  d 1 diámetro de partículas 2m5  p, 1 peso específico del material 2g4crrrO5  k 1 constante que varía de acuerdo con la forma y naturale"a

de los granos, sus valores se muestra en la tabla 8.?

;65 LA F'RMULA DE SCOTTI 1 FOGLIENI

• •

N 1 d 1 diámetro de la partícula 2m5

donde# velocidad de sedimentación 2mis5

*ara el cálculo de w de diseo, se puede obtener el promedio de los enunciados anteriormente.


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Ws

con los m!todos


Di$ ensi "na $ie nt" I

)eterminar

el

área

superficial de

la unidad 2As5, que es el área superficial de la "ona de sedimentación, de acuerdo a la relación#

&iendo# s s

#

elocidad

de

sedimentación

3 2m4s 2m4seg5 eg5 P # +auda +audall de de dise diseo o 2m 2m 4seg5

)eterminar las dimensiones de largo $ 2m5, ancho ; 2m5 y altura h 2m5 de manera tal que se cumplan las relaciones o criterios criterios mencionados anteriormente. anteriormente. +onsiderando +onsiderando el espaciamiento entre la entrada y la cortina o pared de distribución de flujo. )eterminar la velocidad hori"ontal : 2m4seg5 de la unidad mediante la ecuación. El cual debe cumplir con las relaciones mencionadas anteriormente.


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)eterminar el tiempo de retención -o 2horas5, mediante la relación#

)eterminar el nmero de orificios, cumpliendo con los criterios de diseo.

E)e$>%"s a>%icati"s Para e% #ise!" #e n #esarena#"r &e tiene como datos#

+audal de )iseo#

67 lps

)ensidad relativa de la arena#

6,8D

)iámetro de la partícula#

7,76 cm

-emperatura del agua#

67 M+


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Camara de Carga y Desarenador

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