CAPITULO 4 DESARENADOR

CURSO: IRRIGACIONE S

CAPITULO IV: EL DESARENAD OR

CAPITULO IV EL DESARENADOR

4.1 GENERALIDADES. La cantidad de sedimentos en suspensión que lleva el agua puede ocasionar erosión en las paredes de los canales o la deposición de las partículas más finas provocando la reducción de la caja del canal y la consiguiente disminución de su capacidad, en el caso de las maquinarias hidráulicas instaladas en las centrales hidroeléctricas se producen erosiones en las agujas y turbinas que ocasionan altos gastos de mantenimiento o reducción de la producción de energía. El desgaste del equipo mecánico en plantas de alta calidad se puede reducir eliminando partículas de 0.01 a 0.05 mm.

4.2 CAUSAS DEL DESGASTE DEL EQUIPO MECÁNICO. Las principales causas del desgaste de las máquinas de las centrales hidráulicas según N. Faletti son las siguientes: a. - Erosión mecánica o de abrasión. b. - Corrosión química y electroquímica. c. - Corrosión por efecto de la cavitación La erosión mecánica se debe principalmente a la acción de los granos sobre las superficies metálicas de los equipos mecánicos bajo la presión del agua. Esta deformación se presenta en forma de gradas en las agujas y boquillas de las turbinas. La corrosión química es causada por la acción de ácidos provenientes de las sales contenidas en las aguas o radicales ácidos y se intensifica con el comportamiento electro químico de la composición de los diferentes materiales con las que son fabricadas las turbinas que pueden ser bronce al níquel, acero al carbono u otros. Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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Cuando la temperatura del agua alcanza la tensión del vapor se forman bolas gaseosas que en contacto con las superficies metálicas producen la llamada corrosión por cavitación. Las causas anteriores hacen necesario que se instale en la misma toma o aguas abajo estructuras llamadas desgravadores y desarenadores, con objeto de evacuar los materiales gruesos transportados por el agua y eliminar también las partículas finas que estén en suspensión en el agua. La eliminación de los sedimentos en suspensión son más exigentes en los proyectos de plantas de tratamiento para potabilizar el agua y en las Centrales Hidroeléctricas de alta caída, pero son menos exigentes en los proyectos de Irrigación donde, puede ser conveniente en algunos casos conducir en los primeros años sedimentos finos para mejorar los suelos arenosos especialmente en los proyectos de la costa peruana que tiene extensos arenales. Es usual diseñar los desarenadores para eliminar un limite inferior del tamaño de las partículas, sin embargo es mejor controlar el grado de desarenamiento, (relación entre la concentración después y antes de la desarenación). Los desgravadores son estructuras que generalmente se instalan entre la toma y los desarenadores y tienen por objeto eliminar las gravas antes de que puedan ingresar a los desarenadores.

4.3 ESTUDIOS NECESARIOS PARA EL DISEÑO DEL DESARENADOR Durante el periodo de avenidas, las aguas de los ríos transportan material sólido en suspensión y de fondo que fluctúan entre el 80 % y el 90 % del total del año. En ese lapso de tiempo las turbinas de las centrales hidroeléctricas sufren el desgaste prematuro y acelerado de sus piezas metálicas, igualmente los vasos de almacenamiento reducen su capacidad y vida útil y los canales de irrigación se colmatan de sedimentos o en el peor de los casos se erosionan y en algunos casos quedan inhabilitados. Con el objeto de escoger el tipo más conveniente de desarenador se efectúan los siguientes estudios de:

a. Topografía: Los desarenadores requieren áreas planas para la ubicación de sus diversas estructuras, como de suficiente altura para instalar las pozas y conductos de purga para la eliminación de los sedimentos (6 a 10 metros encima del río). Las áreas de ubicación de estas estructuras para su operación inspección, y mantenimiento deben ser de fácil acceso.

b. Geología: Para la selección del tipo de desarenador se realizan estudios geológicos y de mecánica de suelos para conocer las formaciones geológicas y las propiedades de los terrenos y material rocoso en una profundidad de 10 metros. Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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En el caso de materiales sueltos se prefieren pozas profundas, en materiales duros o rocosos serán convenientes pozas de poca profundidad para disminuir costos.

c. Hidrología: La información hidrológica debe referirse al periodo de avenidas y a las mediciones de sedimentos para conocer los volúmenes en suspensión y de los sólidos de fondo.

d. Análisis de Sólido: El análisis mineralógico de los sólidos en suspensión y de los sólidos de fondo es muy Importante para el diseño de las estructuras de evacuación de los sólidos contenidos en las aguas. Es igualmente importante conocer la granulometría y las características de las partículas minerales especialmente de alta dureza, mayores de 5 en la escala de Mhos.

e. Análisis del uso del agua: Depende de los sistemas hidráulicos y del uso del agua la eliminación de un determinado diámetro de partículas. En el caso de las plantas de tratamiento de agua potable, la turbiedad del agua debe ser mínima por lo cual además de desarenadores se usan floculadores En el caso de los pro yectos de irrigaci ón basta elimin ar partículas m ayores de 0.5 mm , dado que podría ser aconsejable el transportar arcillas y limos para mejorar los suelos de áreas desérticas. En cambio en los proyectos de hidroeléctricas de alta caída el desgaste de rodetes, agujas y turbinas ocasiona gastos de mantenimiento grandes por lo cual se prefiere eliminar materiales finos hasta de 0.1 mm.

4.4 FUNCIÓN DEL DESARENADOR. El desarenador es la estructura que ayuda a potabilizar el agua de consumo humano, mediante la eliminación de partículas en suspensión mayores de cierto diámetro, y también, para el mejor aprovechamiento de las aguas en las hidroeléctricas y en los proyectos de riego, evitando daños en las estructuras. La eliminación de los materiales acarreados en un flujo comprende dos tareas que deben realizar los desarenadores: 1. La decantación de los materiales en suspensión. 2. La evacuación de los materiales depositados. La prim era etapa se efectúa obligando a los flujos de agua a fluir con una velocidad baja, de tal manera que el flujo pierda su capacidad de transporte y decante los materiales en suspensión.

Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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La segunda etapa consiste en eliminar los materiales depositados, al inicio esta acción se realizaba por medios mecánicos (palas mecánicas) y en la actualidad se eliminan los materiales gruesos aprovechando la energía del agua. Los desarenadores propiamente dichos son estructuras hidráulicas donde las dos operaciones se efectúan, tanto la de decantación como la eliminación de los materiales depositados en forma simultánea. Los desgravadores son también llamados trampas de piedras se diseñan con el objeto de eliminar principalmente las piedras que pudieran haber sido transportadas hasta el canal de derivación, su diseño se muestra en la Figura No 4.1.

FIG. No 4.1 ESQUEMA DE UN DESARENADOR INTERMITENTE

4.5 CLASIFICACIÓN DE LOS DESARENADORES: Los desarenadores generalmente se clasifican en: 1. En función de su operación: Desarenadores de lavado continuo: Es aquel en 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. En función de la velocidad de escurrimiento: De baja velocidad: v < 1 m/s (0.20 – 0.60 m/s) De alta velocidad: v > 1 m/s (1 a 1.5 m/s). 3. Por la disposición de los desarenadores. En serie: Formado por dos o más depósitos construidos uno continuación de otro. En paralelo: Formado por dos o más depósitos construidos paralelamente y diseñados para una fracción del caudal derivado. Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

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4. Por la ubicación de los orificios de purga: Pueden ser desarenadotes de orificios frontales, laterales y de fondo.

FIG. 4.2 NAVES DEL DESARENADOR CC.HH MANTARO

4.6 ELEMENTOS DE UN DESARENADOR Para cumplir su función, el desarenador se compone de los siguientes elementos: TRA NSICIÓN DE ENTRAD A:

Es la estructura que une el canal con el desarenador. CAM ARA DE SEDIMENTACIÓN:

Es la estructura en la cual las partículas sólidas caen al fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal. Según Dubuat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son: 

Para arcillas

: 0.081 m/seg.



Para arena fina

: 0.160 m/seg.



Para arena gruesa

: 0.216 m/seg.

De acuerdo con lo anterior, la sección transversal de un desarenador, se diseña para velocidades que varían entre 0.1 m/seg a 0.40 m/seg, con una profundidad media de 1.5 m a 4.00 m. La sección transversal puede ser rectangular o trapezoidal; por facilidad constructiva se escoge el rectangular.


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Con el objeto de facilitar el lavado, concentrando las partículas hacia el centro, conviene que el fondo tenga una caída hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1: 8. VERTEDERO:

Al final de la cámara 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 desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. Su dimensionamiento se realiza mediante la ecuación de Francis: Q



C . L.h 3 / 2

(Ec. 4.1)

Donde: Q : Caudal m3/seg. C : 1.84 (para vertederos de cresta aguda). C : 2.00 (para vertederos de perfil Greager). L

: Longitud de la cresta (m).

h

: Carga sobre el vertedero (m)

Siendo el área hidráulica sobre el vertedero: A = L x h La velocidad por la ecuación de continuidad será: v

C . L.h 2

Q 



A



L.h

C .h

1/ 2

(Ec. 4.2)

y la carga sobre el vertedero: h



v ( )2 C

(Ec. 4.3)

De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el máximo valor de h no debería pasar 25 cm. Casi siempre el ancho de la cámara del desarenador no es suficiente para construir el vertedero recto y perpendicularmente a la dirección del agua. Por eso se le ubica en curva que comienza en uno de los muros laterales y continúan hasta cerca de la compuerta de desfogue. COMPUERTA DE LAVA DO:

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% . El incremento de la profundidad obtenida por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de calculo, si no que el volumen adicional obtenido se lo toma como deposito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos.


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Hay que asegurarse que la cota de fondo de las compuertas de lavado esté por encima de la cota del río al cual se conducen las aguas del lavado y que la gradiente sea suficiente para arrastrar las arenas. Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y eficaz esta velocidad debe ser de 3 a 5 m/seg. CANAL DIRECTO:

Sirve para dar servicio mientras se esta lavando el desarenador. 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 por el caudal total mientras la otra se lava.

4.7 ECUACIONES BÁSICAS PARA EL DISEÑO DE LOS DESARENADORES De acuerdo a la teoría simple de sedimentación (w) es velocidad de caída de las partículas en aguas tranquilas y (v) velocidad critica de sedimentación, que depende del tamaño de los granos. a. Lo ng itu d d e Caída:

La longitud de caída de una partícula se relaciona con las anteriores velocidades y se expresa. L = h.v/w

(Ec. 4.4)

Para relacionar la anterior ecuación con las dimensiones mínimas del tanque de sedimentación tendremos que el caudal por unidad de tiempo será: Q



b.h.v

(Ec. 4.5)

luego l f b,h,v ,w 

b. Velocid ad de sedim entación:

Sellerío demostró la inaplicabilidad de la Ley de Stokes para la precipitación de partículas mayores de 0.1 mm.

FIG. 4.3 EXPERIENCIAS DE SELLERIO

En esta ecuación la velocidad de sedimentación w queda relacionada según estudios de Sudry, por el peso específico del agua con cierta concentración de sedimentos, el diámetro de las partículas a precipitar, dando la velocidad de sedimentación en cm/seg. Ver Figura No 4.4.


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FIG. 4.4 VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN DE GRANOS DE ARENA EN AGUA TURBIA SEGÚN SUDRY

c. Velo cid ad crítica d el flu jo

Por otro lado la velocidad crítica (v) de las partículas depende del tamaño de éstas. La fórmula de Camp, para el cálculo de la velocidad crítica v en cm/seg es:

v



a 

(Ec. 4.6)

d

El coeficiente a tiene los valores mostrados en el Cuadro No 4.1. COEFICIENTE DE CAMP

a

d (mm)

36

>1

44

1 - 0.20

51

< 0.1

TABLA No 4.1 COEFICIENTES DE CAMP

FÓRMULA DE VELIKANO V.

Teniendo en cuenta el efecto retardador de la turbulencia que hace más lenta la decantación en agua fluyente la longitud de caída de las partículas según Velikanov es:

L



 2 v 2 

h



7.51.w



0.21

2

2

(Ec. 4.7)

Donde: h

: Altura de caída de las partículas en la poza.



: Depende de la relación de concentraciones antes y después de la sedimentación. El valor de



se da en la curva de la Figura No 4.5.


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FIG. 4.5 RELACIONES DE VELIKANOV w = f (α) PARA DISEÑO DE DESARENADORES

FÓRMULA DE BESTELL I BUCHI

Según Bestelli, Buchi la longitud viene dada por la fórmula: L

v.h 

w



w1

(Ec. 4.8)

Donde: w1 a



a.v

(Ec. 4.9)

0.132

(Ec. 4.10)



1/ 2

h

NORMAS RUSAS.

Se puede relacionar el grado de desarenamiento o garantía de precipitación en % (W) con curvas de función w/v que permiten deducir la relación h/L y fijar las dimensiones del desarenador. Se recomienda utilizar eficiencias entre 95 y 98 %. Ver Figura No 4.6. En general las pozas largas y anchas son más económicas, que las pozas profundas, se prefiere tirantes entre 1.5 y 4.0 metros (altura poza útil) y velocidades menores de 0.60 m/seg.


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FIG. No 4.6 NORMAS RUSAS PARA DISEÑO DESARENADORES

4.8 DIÁMETRO DE PARTÍCULAS POR ELIMINAR En los proyectos de riego generalmente es suficiente eliminar partículas mayores de 0.5 mm y algunas veces es conveniente transportar materiales finos con diámetros menores con la finalidad de mejorar los suelos del proyecto. En desarenadores para centrales hidroeléctricas se considera la siguiente tabla: EN FUNCION DE LA ALTURA DE LA CAIDA DE LA CENTRAL DIAMETRO DE ALTURA CAIDA PARTICUA A ELIMINAR (m) (mm) 100

200

0.6

200

300

0.5

300

500

0.3

500

1000

0.1

TABLA No 4.2 ALTURA DE CAÍDA VERSUS DIÁMETRO DE PARTÍCULAS A ELIMINAR

Otros diseñadores relacionan la partícula por eliminar según el tipo de turbina así:


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PARTICULA POR ELIMINAR SEGÚN TIPO DE TIPO DE TURBINA KAPLAN

DIAMETRO DE PARTICUA A ELIMINAR (mm) 1 a 3

FRACIS

0.4 a 1

PELTON

0.2 a 0.4

TABLA No 4.3 TIPO DE TURBINA VERSUS DIÁMETRO DE PARTÍCULAS A ELIMINAR

4.9 ALGUNAS RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO DE LOS DESARENADORES Como, aspectos complementarlos al diseño de las pozas indicaremos que es conveniente que el escurrimiento sea lo más uniforme posible, para lo cual puede ser necesario instalar amortiguadores y rejas en la sección de ingreso y las transiciones deben mejorar la distribución del agua. En el caso de los desarenadores de purga continua es conveniente que el flujo de sedimentos en el conducto de lavado y el colector de sedimentos sea continuo, así como la operación de las compuertas de lavado. Generalmente la entrega de las aguas limpias se efectúa mediante un vertedero de pared gruesa instalado al fondo de las pozas. Según el tamaño de los desarenadores los conductos de purga pueden permitir el ingreso de operarios para su limpieza y mantenimiento. También para asegurar la limpia de las naves del desarenador conviene disponer de monitores para remover con mayor facilidad los materiales sedimentados. La purga puede efectuarse por medio de una caseta de mando, y dispositivos de compuertas tipo Bieri, que pueden efectuar la purga cada cierto tiempo. O por una determinada altura de los sedimentos en las pozas. Ver Figuras No 4.7 Desarenadores de Majes..


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FIG. No 4 .7 DESARENADOR PROYECTO MAJES


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CAPITULO 4 DESARENADOR

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