IV CURSO DE TITULACION A DIST DISTANCIA ANCIA INGENIERIA CIVIL CURSO: HIDRAULICA TRABAJO FINAL HIDRAULICA DOCENTE : Ing. Martin Felipe Chumpitáz Camarena ALUMNO : Bach. Ángel Campos Gallegos TEMA 3: DESARENADORES Y VERTEDEROS 2012
Hidráulica
Hidráulica
Hidráulica
DESARENACIÓN O DECANTACIÓN Es la separación de las partículas mas pesadas que trae el agua, como gravas, arenas, arenillas y piedras que por acción de la fuerza de gravedad gravedad se sedimentan. Se fundamenta en el principio que dice que un sólido más pesado que el agua tiende a precipitarse al fondo del recipiente que lo contiene, si se reduce suficientemente suficientemente la velocidad horizontal del líquido. La desarenación o decantación se lleva a cabo en tanque desarenadores.
Hidráulica
FUNCIÓN DEL DESARENADOR Evitar la obstrucción de la tubería que transporta el agua hasta tanques de almacenamiento o hasta la planta tratamiento. Controlar la intrusión de arenas que interfieren con los procesos de potabilización, o con la operación de la red de distribución o de los micromedidores.
Hidráulica
El desarenador se ubica lo mas cerca posible a la bocatoma, con el fin de evitar problemas de obstrucción en la línea de aducción. Debemos conseguir información sobre el material transportado por la corriente superficial. Tipo y tamaño del mismo. Las características de los sedimentos transportados son un indicativo de erosión superficial, eventualmente socavación de orillas, e indican el grado de conservación de la cuenca.
Hidráulica
Etapas de Mejoramiento de Calidad de Agua en Sistemas de Abastecimiento 1. Acondicionamiento
Lagos – Estanques. Lagos – Estanques. Desarenador. Filtros dinámicos en Gravas. Filtros de arena.
Reducción de flotantes, y material grueso. Retención de Gravillas y Arenas. Retención de Sólidos. Retención de algas en lagos
2. Pre tratamientos
Filtros en gravas. gravas. Coagulación floculación sedimentación
Acondicionamiento y retención de sólidos en suspensión y coloides y sustancias disueltas
3. Tratamiento Propiamente
Filtros lentos Granulares Filtros rápidos Granulares
Retención de microcoloides y microorganismos
4. Pos-tratamiento
Desinfección Acondicionamiento Químico
Inactivación de Microorganismos ablandamiento, ajuste de pH
Hidráulica
Sedimentación Sedimentación de partículas discretas discretas en un líquido en Reposo
Hidráulica
Fuerzas durante sedimentación de una partícula discreta. • Fg : Fuerza de Gravedad Gravedad • Fe : Fuerza de Empuje • Ff : Fuerza de fricción. • Resultante cuando Fg = Fe + Ff
Vs = Velocidad de sedimentación
V s
(
p a
1)
d p C d
Hidráulica
Calculo de vs. de una Partícula Discreta. • Región de flujo laminar NR < 0.5
(Cd = 24/ NR) V
g 18
(
p a
1)
d p
2
v
Clasificación de Materiales en suspensión según el tamaño
Hidráulica
Calculo de vs. de una Partícula Discreta. • Región de flujo laminar NR < 0.5
(Cd = 24/ NR) V
g 18
(
p a
1)
d p v
2
Hidráulica
Clasificación de Materiales Materiales en suspensión según el tamaño Partícula
Tamaño (mm)
Partícula
Tamaño (mm) ( mm)
Gravilla Gruesa
mayor de 2
Fango
0,05 - 0,01
Gravilla fina
2,00 - 1,00
fango fino
0,01 - 005
Arena gruesa
1,00 - 0,50
Arcilla
0,01 - 0,001
Arena media
0,50 - 0,25
Arcilla fina
0,001 - 0,0001
Arena fina
0,25 - 0,10
Arcilla menor
menor de 0,0001
Arena Muy Fina
0 10 0 05
Hidráulica
Esquematización de Sedimentación Ideal de Partículas Discretas en Cámara de Flujo Horizontal
Vsc = Vs3 Vs1 < Vs2 < Vs3 < Vs4
Hidráulica
DISEÑO DEL DESARENADOR
Hidráulica
Hidráulica
CLASES DE DESARENADORES : • Rectangulares de Flujo Horizontal • Circulares de Recolección Perimetral Perimetral • Ascendentes de Flujo Vertical
Hidráulica
DESARENADORES RECTANGULARES DE FLUJO HORIZONTAL
Hidráulica
DESARENADORES RECTANGULARES DE FLUJO VERTICAL
Hidráulica
Hidráulica
Otra estructura utilizada en los proyectos hidráulicos (más frecuentemente que los orificios) está constituida por los vertederos en sus distintas variantes, de los cuales existen, según la aplicación, diferentes diferentes diseños. El vertedero ha sido definido por Balloffet como “una abertura o escotadura de contorno abierto, practicada en la pared de un depósito, o bien en una barrera colocada en un canal o río, y por el cual escurre o rebasa el líquido contenido en el depósito, o que circula por el río o canal”. Ya sea como estructura de control de aprovechamientos hidráulicos hidráulicos o bien como estructura para medición de caudales en
Hidráulica
obras hidraulicas, hidraulicas, su aplicación es muy difundida y una de las razones es porque permiten tener un adecuado control del caudal por encima de su cresta siendo necesario únicamente medir una variable que es e s el tirante sobre dicha cresta. Según la forma geométrica del contorno de apertura, pueden distinguirse vertederos rectangulares, trapeciales, triangulares, parabólicos, etc.
Hidráulica
El vertedero ha sido definido por Balloffet como “una abertura o escotadura de contorno abierto, practicada en la pared de un depósito, o bien en una barrera colocada en un canal o río, y por el cual escurre o rebasa el líquido contenido en el depósito, o que circula por el río o canal”. En general las principales funciones de un vertedero son: Control del nivel en embalses, canales, depósitos, estanques, etc. Aforo o medición de caudales. Elevar el nivel del agua. Evacuación Evacuación de crecientes o derivación de un determinado caudal a estas estructuras se las denomina aliviaderos. •
• • •
Hidráulica
En las obras de ingeniería hidráulica, por ejemplo en una presa, se construyen vertederos para que cumplan la función de aliviaderos. Sin embargo, son a la vez estructuras aforadoras, es decir, que miden caudales. Un vertedero da lugar a un chorro, es decir, a una napa vertiente. Sobre el vertedero y sus inmediaciones hay un movimiento rápidamente variado (M.R.V). Hacia aguas arriba en una sección AB hay un movimiento gradualmente variado (M.G.V). Está a sección se encuentra a una distancia referencial referencial igual a 4H, siendo H la carga carga sobre el vertedero.
Hidráulica
Se denomina carga sobre el vertedero a la altura H con respecto a un plano horizontal que pasa por la cresta, medida en la sección AB. En la figura, también se muestra la altura del umbral P del vertedero (paramento), que es la distancia entre el fondo y la cresta del vertedero.
Descarga sobre un vertedero rectangular de pared delgada
Hidráulica
a) Según el espesor de la pared
Por el tipo de cresta se tiene dos tipos: vertederos de pared delgada y vertederos de pared gruesa. b) Vertederos de pared delgada
Este tipo de vertedero es el más usado, especialmente como aforador, debido a su fácil construcción e instalación. En los vertederos de pared delgada el contacto entre el agua y la cresta es sólo una línea, es decir, decir, una arista. ar ista.
Hidráulica
Además, según el espesor de la pared del vertedero o, más precisamente, la forma en que la vena líquida toca la parte superior de la estructura, se clasifican en Vertederos de Pared Gruesa o Delgada.
Hidráulica
Para que un vertedero se considere de pared delgada no es indispensable que la cresta sea delgadísima. La pared puede tener un cierto espesor (e). 2 e
3
H
se considera que el vertedero es de pared delgada.
Detalle de las características geométricas de la napa vertiente en un vertedero de pared delgada.
Hidráulica
Vertederos de pared gruesa.
Los vertederos de cresta ancha tienen menor capacidad de descarga para igual carga de agua que los vertederos de cresta delgada y su uso más frecuente es como estructuras de control de nivel. En los vertederos de pared gruesa el contacto entre el agua y la cresta es un plano. El flujo se adhiere a la cresta.
Vertederos de pared gruesa
Hidráulica
b) Según la altura relativa del umbral Vertedero libre l ibre
Este es un criterio de clasificación muy importante. En el vertedero libre el nivel de aguas abajo es inferior al de la cresta.
Vertedero libre
Hidráulica
Vertedero sumergido .
Un vertedero está sumergido cuando el nivel de aguas abajo es superior de la cresta del vertedero. La condición de sumergencia no depende del vertedor en sí, sino de las condiciones del flujo. Un mismo vertedero puede estar sumergido o no, esto depende del caudal que se presente. El vertedero sumergido puede ser de cualquier tipo o forma.
Vertedero sumergido
Hidráulica
c) Según la longitud de la cresta. Vertedores con contracciones laterales (L < B).
En la figura se presenta un esquema con las diferentes posibilidades de un vertedero rectangular, con o sin contracciones. Para esta situación, la longitud efectiva del vertedero es L’. 2 3 / 2 Q
3
2 g C d L ' H
El efecto de la contracción se tiene en cuenta restando a la longitud total de la cresta del vertedero L, el número de contracciones contracciones multiplicada por 0.1H. L '
L
n(0.1H )
Hidráulica
L´ : longitud contraída de la lámina de agua en el vertedero. L : longitud real del vertedero. n : número de contracciones contracciones laterales. Reemplazando la Ecuación 2.2 en la Ecuación 2.1se obtiene: Q
2 3
3 / 2
2 g C d ( L 0.1nH ) H
Hidráulica
Vertedero rectangular con y sin contracciones
Hidráulica
Vertedores sin contracciones laterales (L = B).
Para el caso del vertedero sin contracciones laterales (n = 0), se requiere de una zona de aireación en los extremos de la estructura que permita el ingreso de aire y así para garantizar que la presión aguas abajo ab ajo de la estructura sea la atmosférica, atmosférica, véase la figura d) Según la forma. Vertedero rectangular Formula teórica de descarga
A continuación se presenta la deducción de la formula general de descarga de un vertedero rectangular. En la Fig. 2.7 se muestra parcialmente un estanque en una de cuyas paredes hay un orificio rectangular de ancho L. Los otros elementos características características se muestran en la figura.
Hidráulica
Esquema para la deducción de la fórmula de descarga en un vertedero rectangular
Hidráulica
Para efectos de cálculo se considera que en el orificio hay una franja de área elemental de ancho L y espesor Dy a través través de la cual pasa el siguiente caudal. VLdy VdA dQ dQ V dA VLdy Ecuación 2.4 Siendo V la velocidad correspondiente. Para el cálculo de esta velocidad se aplica el teorema de Bernoulli y se tiene: V
2 g ( y
V o
2
2g
Por lo tanto, dQ 2 g ( y
V o
2
2g
) Ldy
Hidráulica
Integrando Integrando se obtiene el caudal a trav t ravés és del orificio h1
Q
Q
3
2
2g
h2
2
v
( y v
V o
2
2
2g
1
) 2 Ldy Ld y
2g
2 g [( h1
V o
2
2g
) ( h2
V o
2
2g
3
) 2 ] L
Esta fórmula es para un orificio. Para un vertedero debe darse que h2 = 0. Si, además se denomina H a h1, que es la carga, se tiene: 2 3 2 3 Q
2 3
2 g [( H
V o
2g
) ( 2
V o
2g
) 2 ] L
Hidráulica
Que es la fórmula teórica de descarga de un vertedero. Esta fórmula no toma en cuenta la fricción, ni los efectos debidos a la contracción vertical de la napa. En consecuencia, para obtener el gasto real se debe aplicar un coeficiente c de descarga. Entonces el gasto real es: Q
2 3
2
2
3
3
V V 2 g c [( H o ) 2 ( o ) 2 ] L 2g 2g
El coeficiente de descarga c se obtiene experimentalmente. Si se tiene un vertedero en el que la velocidad de aproximación es muy pequeña que se la puede despreciar, entonces, se obtiene la descarga teórica: Q
2 3
3
LH 2 g LH
2
Hidráulica
La descarga real se obtiene aplicando un coeficiente de descarga y se llega a: 3 2 Q
3
2 g c LH 2
Que es la ecuación de descarga característica de los vertederos rectangulares. La posibilidad de despreciar la velocidad de aproximación depende de su valor y de la precisión con la que se quiera trabajar. Referencialmente se señala que si la sección transversal transversal del canal de aproximación aproximación es mayor que 8LH entonces se puede despreciar la velocidad de aproximación. En un vertedero rectangular el caudal es directamente proporcional a la longitud del vertedero y a la potencia 3/2 de la carga.
Hidráulica
Además, según el espesor de la pared del vertedero o, más precisamente, la forma en que la vena líquida toca la parte superior de la estructura, se clasifican en Vertederos de Pared Gruesa o Delgada.
Hidráulica
Nota: El perfil Kreager o similar, es de uso frecuente en los sistemas de aprovisionamiento de agua, cuando la captación debe realizarse en ríos de bajo tirante y, consecuentemente, es necesario elevar el nivel para captar aguas con seguridad y mayor calidad, dado que serán más claras por el efecto provocado provocado al alentar la sedimentación sedimentación al reducir la velocidad. Ese tipo de aprovechamiento recibe el nombre de “Azud”. Los vertederos, resultan según la relación del espesor con respecto a la carga sobre la cresta: e > ½ h ; pared delgada e < 3h ; pared gruesa
Hidráulica
Se denomina cresta, umbral o coronamiento del vertedero a la arista o superficie inferior de la escotadura. Se denomina longitud del vertedero rectangular a la distancia “b” entre las paredes verticales o inclinadas (flancos) que lo limitan sobre el umbral. La altura o espesor de la masa líquida existente sobre el nivel del umbral aguas arriba de éste se denomina carga. Ésta se mide en la zona en la que la superficie libre del líquido puede considerarse horizontal. Como en el caso de los orificios, es necesario distinguir en el escurrimiento sobre vertederos, descarga libre y sumergida , según que el nivel de salida está por debajo o por encima del nivel del umbral.
Hidráulica
Análogamente a lo que ocurre con la vena líquida que pasa por un orificio (en realidad constituye un caso particular del mismo) la lámina vertiente sufre contracciones inmediatamente aguas debajo de las aristas vivas de la escotadura. Estas contracciones serán de fondo o laterales, según estén producidas por el umbral o aristas laterales del vertedero. Del mismo modo que para el caso de orificios:
Hidráulica
Donde, para el caso de una forma rectangular:
Ω=b.h Reemplazando obtenemos:
La expresión previa es aplicable al “Vertedero Perfecto”, el que se define como tal, cuando se cumplen las siguientes condiciones:
Hidráulica
a) Pared delgada, vertical y perpendicular al escurrimiento. b) Velocidad Velocidad de llegada despreciable (menor a 0,30 m/s) c) Contracción de la vena completa con respecto al fondo y nula respecto a los laterales (idéntico ancho del canal de llegada que del umbral del vertedero)
d) Idéntica presión (atmosférica generalmente, salvo casos muy particulares) aguas arriba del vertedero y alrededor de la vena fluida en caída. e) Caída libre, no influenciada por los niveles aguas abajo y con lámina netamente destacada (presión atmosférica por sobre y debajo de la misma). f) Sección rectangular de flancos verticales y umbral horizontal. Nota: La condiciones en “negrita” son las que difieren de las del Orificio
Perfecto y son sólo aplicables al Vertedero Perfecto.
Hidráulica
Cuando el Vertedero no cumple con algunas de las propiedades enunciadas, al igual que en el caso de los Orificios, debe ser corregido el coeficiente de gasto, el que se obtiene de los manuales especializados y que se simboliza como Ci, en el que i es el número asignado a cada corrección. La expresión general queda entonces:
El cálculo del coeficiente combinado depende consecuentemente del tipo de vertedero y de que tanto se aparte de la condición de “Vertedero Perfecto” (velocidad de llegada, inclinación de las paredes, etc.).
Hidráulica
Éste puede variar entre 0,35 y 0,60 y para mayor precisión se debe recurrir, al igual que en el caso de los orificios, a los manuales especializados, en los que se encuentran innumerables expresiones de las correcciones a la condición de “Vertedero Perfecto”, como así también soluciones para los distintos tipos de vertederos y formas de funcionamiento. Como primera aproximación, podemos suponer, para la sección de umbral b y carga h:
Hidráulica
Para el caso del vertedero triangular, de gran aplicación en la Ingeniería, se tiene:
Se puede apreciar en la expresión anterior que, al estar elevada la carga h a la 5/2, resulta muy sensible al caudal, es decir que ligeras modificaciones de h implican relativamente importantes variaciones del mismo. Esta propiedad los hace de gran utilidad para la medición de caudales con importante exactitud y además, dispuestos en batería, posibilitan descargas muy homogéneas y con un importante poder regulador, que los hace de gran utilidad en las plantas de tratamiento (salida de sedimentadores como ejemplo).
Hidráulica
Vertedero triangular
