Desarenador en la zona de Bajo Cañete (Lunahuaná)-LimaPerú
Curso:
Estructuras Hidráulicas
Docente: Ing. Ing.
Enma E. Ponce Cana
Alumnos: Esaú
Izquierdo Oblitas Ruben Lapa Tristan Fiorella A. Garcia Rosas Lusdali Castillo Delgado
Ciclo:
2018 - II Lima, noviembre de 2018
UNIVERSIDAD PERUANA UNION FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA EAP INGENIERIA CIVIL
Trabajo presentado en cumplimiento parcial de la asignatura de Estructuras Hidráulicas
Proyecto de Estructuras Hidráulicas – Diseño Diseño de un Desarenador”
“
ALUMNOS: Esaú Izquierdo Oblitas Rubén Lapa Tristán Fiorella A. García Rosas Lusdali Castillo Delgado
PROFESOR:
Ing. Enma E. Ponce Cana
Lima 14 de noviembre de 2018
INDICE 1.
Nombre del proyecto ............................................. ................................................................................................... .................................................................... .............. 6
2.
UBICACIÓN DEL PROYECTO..................................................... ........................................................................................................ ................................................... 6 2.1.
Ubicación Geográfica .............................................. ................................................................................................... ........................................................... ...... 6
2.2.
Limites Colindantes ................................................. ...................................................................................................... ........................................................... ...... 7
3.
OBJETIVO GENERAL................................................ ...................................................................................................... .................................................................... .............. 8
4.
OBJETIVO ESPECIFICOS ................................................... ........................................................................................................ ........................................................... ...... 8
5.
CLIMA: TIPO DE CLIMA, TEMPERATURA. PRECIPITACION. .................................................. ........................................................ ...... 9
6.
CONSIDERACIONES GENERALES.............................................. ................................................................................................. ................................................... 9
7.
6.1.
Pretratamiento y acondicionamiento previo .............................................. ..................................................................... ....................... 9
6.2.
Unidades de acondicionamiento previo y pretratamiento.............................................. 10
6.3.
Variables que afectan la sedimentación ..................................................... .......................................................................... ..................... 10
6.4.
Información básica para el diseño ................................................... ................................................................................... ................................ 10
6.5.
Estudio de campo.................................................... ......................................................................................................... ......................................................... .... 11
6.6.
Alternativas de pretratamiento y acondicionamiento previo ......................................... 11
6.7.
Análisis de la calidad del agua de la fuente ................................................ ..................................................................... ..................... 12
DISEÑO HIDRÁULICO DEL DESARENADOR ............................................... ............................................................................... ................................ 12 7.1.
Diseño del desarenador .................................................. ................................................................................................... ................................................. 12
7.1.1.
Desarenadores Desarenadores ....................................... ........................................................... ......................................... .................................... ............... 12
7.1.2.
Principios de funcionamiento........................................ ............................................................ ................................ ............ 13
7.1.3.
Evolución ........................................ ............................................................ ........................................ ........................................ ...................... .. 14
7.1.4.
Clasificación de desarenadores ................................................... ..................................................................... .................. 16
7.2.
Componentes de un desarenador ................................................... ................................................................................... ................................ 18
7.2.1.
Elementos de un Desarenador ......................... .............................................. ......................................... ......................... ..... 19
7.3.
Criterios de diseño .................................................. ....................................................................................................... ......................................................... .... 22
7.4.
Dimensionamiento.................................................. ....................................................................................................... ......................................................... .... 27
7.4.1.
Cálculo del diámetro de las partículas a sedimentar ......................... ..................................... ............ 27
7.4.2.
Cálculo de la velocidad del flujo v en el tanque ...................................... ........................................... ..... 28
7.4.3.
Cálculo de la velocidad de sedimentación w (en aguas tranquilas) .............. .............. 28
7.4.4.
Dimensiones del tanque ......................................... ............................................................. ....................................... ................... 31
7.4.5.
Cálculo de la longitud de la transición ........................................ .......................................................... .................. 34
7.4.6.
Cálculo de la longitud del vertedero .............................................. ............................................................. ............... 34
7.4.7.
Cálculos complementarios. complementarios. ....................................... ........................................................... .................................... ................ 37
8.
CÁLCULOS DEL DISEÑO HIDRAULICO DEL DESARENADOR .................................................. ...................................................... .... 40
9.
BIBLIOGRAFIA ............................................... ...................................................................................................... ............................................................................ ..................... 48
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INDICE DE FIGURAS Figura 1. Ubicación Geográfica de la l a Cuenca - Fuente: Elaboración Propia ...................................... ...................................... 6 Figura 2. Ubicación de los puntos en el Tramo del Proyecto - Fuente: Elaboración Propia Pro pia .............. 7 Figura 3. Ubicación General de la Cuenca - Fuente: Elaboración Propia ........................................... 8 Figura 4. Desarenador Convencional ............................................................................................... ............................................................................................... 11 Figura 5. Sedimentador Convencional ............................................................................................. ............................................................................................. 11 Figura 6. Decantador ............................................ ................................................................................................... ............................................................................ ..................... 15 Figura 7. 7 . Desarenador con velocidades a/fas ........................................................... .................................................................................. ....................... 16 Figura 8. Desarenador longitudinal .......................................................... .................................................................................................. ........................................ 17 Figura 9. 9 . Desarenador de Vórtice (Corte) ........................................................ ........................................................................................ ................................ 17 Figura 10. Desarenador de Vórtice (planta)..................................................... ..................................................................................... ................................ 18 Figura 11. Desarenador (Planta y corte Longitudinal) ..................................................................... 18 Figura 12. 1 2. Elementos de un desarenador ........................................................ ........................................................................................ ................................ 19 Figura 13. Desarenador de 2 unidades en paralelo (panta) ................................................ ............................................................ ............ 23 Figura 14. Desarenador de 1 unidad con by pass (planta) ( planta)................................................... ............................................................... ............ 23 Figura 15. 1 5. Planta y Corte de vertedero ....................................................................... ............................................................................................ ..................... 26 Figura 16. 1 6. Sección S ección parabólica del Parshall ....................................................................................... ....................................................................................... 27 Figura 17. Parshall - Planta y Corte .................................................................... .................................................................................................. .............................. 27 Figura 18. 1 8. Velocidad de sedimentación (w) Sellerio ........................................................................ ........................................................................ 29 Figura 19. Velocidad de sedimentación de granos de arena en agua ............................................. 30 Figura 20. Esquema del tanque del desarenador ............................................................................ ............................................................................ 35 Figura 21. Longitud total del tanque desarenador .......................................................................... 37 Figura 22. Esquema de Abastecimiento de agua para riego por gravedad ..................................... ..................................... 39
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INDICE DE TABLAS Tabla 1. Alternativas de pretratamiento de acuerdo a la calidad c alidad del agua ..................................... ..................................... 12 Tabla 2. Velocidades según el tipo de suelo .................................................................................... .................................................................................... 20 Tabla 3. Relación entre el diámetro de las partículas y velocidad de sedimentación ..................... 24 Tabla 4. Valor de la constante a en función del diámetro ........................................................... ............................................................... .... 28 Tabla 5. Velocidades de sedimentación w calculado por Arkhangelski (1935) en función del diámetro de partículas. ............................................................................ .................................................................................................................... ........................................ 28 Tabla 6. Valores de la constante k .................................................. ................................................................................................... ................................................. 30 Tabla 7. Coeficiente para el cálculo de desarenadores de baja velocidad ...................................... ...................................... 32 Tabla 8. Coeficiente para el cálculo de desarenadores de alta velocidad ....................................... 32
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1. NOMBRE DEL PROYECTO “
DISEÑO DE DESARENADOR EN LA CUENCA DEL RIO CAÑETE, DISTRITO DE
LUNAHUANA- PROVINCIA DE CAÑTE-
DEPARTAMENTO LIMA”
2. UBICACIÓN DEL PROYECTO 2.1.
Ubicación Geográfica El proyecto está ubicado en la Cuenca del Rio Cañete, en el distrito de Lunahuaná, provincia de Cañete, departamento de Lima. Se ha considerado un tramo del rio Cañete de una longitud igual a 1 km, en los siguientes puntos Geográficos:
Punto A: Latitud=12°56'25.27"S; Longitud= 76° 7'46.50"O Punto B: Latitud= 12°56'37.28"S; Longitud= 76° 8'16.27"
Figura 1. Ubicación Geográfica de la Cuenca - Fuente: Elaboración Propia
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Figura 2. Ubicación de los puntos en el Tramo del Proyecto - Fuente: Elaboración Propia
2.2.
Limites Colindantes Norte: Cuenca del rio Mantaro Sur : Intercuenca Q. Topará – Océano Pacifico Este : Cuenca Mantaro-Cuenca del rio San Juan Oeste: Cuenca Omas y Mala-Océano Pacifico La cuenca del rio Cañete está circunscrita políticamente en el departamento de Lima, comprende en la provincia de Yauyos los distritos de Tanta, Huancaya, Vitis, Miraflores, Tomas, Alis, Laraos, Carania, Huantan, Colonia, Putinza, Ayauca, Tupe, Hongos, Licha, Cacra, Catahuasi, Viñac, Madean, Azangaro y Chocos; en la provincia de Cañete los distritos de Zuñiga, Pacaran, Lunahuaná, Nuevo Imperial y San Vicente de Cañete.
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Figura 3. Ubicación General de la Cuenca - Fuente: Elaboración Propia
3. OBJETIVO GENERAL
Diseñar un desarenador para reducir los sólidos en suspensión de distintos tamaños que traen consigo las aguas en el Río Cañete del Distrito de Lunahuaná.
4. OBJETIVO ESPECIFICOS
Establecer criterios para el diseño de las unidades de pretratamiento y acondicionamiento previo, desarenadores y sedimentadores para sist emas de abastecimiento de agua rural.
Revisar y analizar los criterios para el cálculo de diseño del desarenador para conocer la importancia y el manejo del desarenador.
Conocer el funcionamiento, la estructura del desarenador y los tipos de desarenadores para conocer cuál es el más utilizado
Calcular las características geométricas del desarenador que permitan conocer su funcionamiento hidráulico.
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5. CLIMA: TIPO DE CLIMA, TEMPERATURA. PRECIPITACION. En la cuenca del río Cañete se ha diferenciado 4 tipos climáticos predominantes que corresponden a:
Muy Seco y Semi-Cálido: Este clima se localiza en toda la región costera de la cuenca hasta una altitud aproximada de 2,000 m.s.n,m. Se caracteriza por su escasa o casi nula precipitación pluvial, con temperatura s que varían de 23.6°(febrero) y 16.3° (agosto) teniendo un promedio anual de l9°C, Es frio en el invierno, con un alto porcentaje de humedad cuyo promedio mensual fluctúa del 81% en verano a 87% en invierno.
Seco y Templado: Este patrón climático se localiza entre los 2,000 y 3,000 m.s.n.m., caracterizado por la presencia de lluvias con un promedio que varía entre 200 y 450 mm que ocurren entre diciembre y abril. Las temperaturas descienden a veces hasta los 0°C, dando lugar a las ne1adas, La temperatura promedio anual es de 12° C.
Sub-Húmedo: Frío Se localiza entre los 3,000 y 4,000 m.s.n.m. Este patrón climático se caracteriza por tener un promedio de precipitación anual Entre 500 y 800 mm. La temperatura media anual alcanza a l1°C.
Pluvial y Frígido: Sobre niveles superiores a los 4,000 m.s.n.m. predomina un clima excesivamente húmedo y frígido caracterizado por la presencia de intensas lluvias (1,000 mm. de promedio anual) con temperaturas muy frías. (3° en promedio anual)
6. CONSIDERACIONES GENERALES 6.1.
Pretratamiento y acondicionamiento previo El sistema de pretratamiento es una estructura auxiliar que debe preceder a cualquier sistema de tratamiento. Esta estructura persigue principalmente los objetivos de reducir los sólidos en suspensión de distintos tamaños que traen consigo las aguas La mayoría de las fuentes superficiales de agua tienen un elevado contenido de materia en estado de suspensión, siendo necesaria su remoción previa, especialmente en temporada de lluvias. Los procedimientos de separación de material muy grueso (rejillas: gruesas y finas) se realizan o están relacionados a las captaciones. Se considera como pretratamientos y acondicionamientos previos en la planta, a unidades como desarenadores y sedimentadores. En estas unidades se considera que las partículas, aun siendo de diferentes tamaños, se comportan como partículas discretas y aisladas. La sedimentación es un proceso muy importante. Las partículas que se encuentran en el
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turbiedades inhiben los procesos biológicos y se depositan en el medio filtrante causando elevadas pérdidas de carga y deterioro de la calidad del agua efluente de los filtros.
6.2.
Unidades de acondicionamiento previo y pretratamiento
a) Desarenador Tiene por objeto separar del agua cruda la arena y partículas en suspensión gruesa, con el fin de evitar se produzcan depósitos en las obras de conducción, proteger las bombas de la abrasión y evitar sobrecargas en los procesos posteriores de tratamiento. El desarenado se refiere normalmente a la remoción de las partículas superiores a 0,2 mm.
b) Sedimentador Similar objeto al desarenador pero correspondiente a la remoción de partículas inferiores a 0,2 mm y superiores a 0,05 mm.
6.3.
Variables que afectan la sedimentación a) Corrientes de densidad Son las corrientes que se producen dentro del tanque por efecto de las diferencias de densidad en la masa de agua y son ocasionadas por un cambio de temperatura (térmica) y/o por diferencias en la concentración de las partículas suspendidas en las distintas masas de agua (de concentración).
b) Corrientes debidas al viento El viento puede producir corrientes de suficiente intensidad como para inducir cambios en la dirección del flujo.
c) Corrientes cinéticas Pueden ser debido al diseño impropio de la zona de entrada o de salida (velocidad de flujo excesiva, zonas muertas, turbulencias) o por obstrucciones en la zona de sedimentación.
6.4.
Información básica para el diseño a) Caudal de Diseño Las unidades en una planta de tratamiento serán diseñadas para el caudal máximo diario.
b) Calidad fisicoquímico del agua Dependiendo de la calidad del agua cruda, se seleccionarán los procesos de pretratamiento y acondicionamiento previo.
c) Características del clima Variaciones de temperatura y régimen de lluvias.
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6.5.
Estudio de campo Para efectuar los diseños de un sistema de tratamiento deben realizarse los siguientes estudios a nivel de campo:
a) Estudio de fuentes: que incluya los aforos y los regímenes de caudal de por lo menos los últimos tres años.
b) Zona de ubicación: levantamiento topográfico a detalle, análisis de riesgo y vulnerabilidad de ella a desastres naturales.
c) Análisis de suelos y geodinámica d) Análisis de la calidad del agua. 6.6. Alternativas de pretratamiento y acondicionamiento previo La selección de los procesos dependerá de la calidad del agua, los riesgos sanitarios involucrados, y la capacidad de la comunidad. Normalmente las plantas de tratamiento de agua en el medio rural utilizan los desarenadores y sedimentadores convencionales.
Figura 4. Desarenador Convencional
Figura 5. Sedimentador Convencional
En los casos donde la calidad del agua lo requiera y las características de la comunidad lo permitan se utilizarán sedimentadores laminares, que por su mayor complejidad constructiva, además del cuidado de la operación y mantenimiento es más recomendable para zonas rurales donde se pueda contar con mano de obra calificada.
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Existe la posibilidad en caso de ser necesario, el acondicionamiento de placas o láminas en sedimentadores convencionales a fin de mejorar su eficiencia, transformándolos en sedimentadores laminares con la ventaja de contar con una mayor área de sedimentación por metro cuadrado de superficie. En la tabla 1 se muestra las distintas alternativas de pretratamiento del agua en el medio rural. Tabla 1. Alternativas de pretratamiento de acuerdo a la calidad del agua
Todas las alternativas tienen prefiltros y filtros lentos.
6.7.
Análisis de la calidad del agua de la fuente Los análisis requeridos para la selección de un sistema de tratamiento deben basarse, como mínimo, en los siguientes parámetros básicos de calidad del agua. -
E. Coli, se aceptan como alternativa las bacterias coliformes fecales.
-
Turbiedad.
En aquellos lugares donde se tenga evidencia de la existencia de sustancias nocivas o metales pesados se deberán exigir los análisis respectivos.
7. DISEÑO HIDRÁULICO DEL DESARENADOR 7.1. 7.1.1.
Diseño del desarenador Desarenadores Son estructuras que permiten eliminar ciertas partículas más finas de los sólidos, que se encuentran en suspensión en la masa fluida. Cuando se capta el agua de un río, inevitablemente estaremos captando también sedimentos en suspensión y de arrastre. Los desarenadores tienen la importante misión de eliminar las partículas indeseadas que se encuentran en suspensión en el agua y posteriormente, mediante una adecuada acción arrojarlas al río. Para las partículas de arrastre existe otra estructura denominada desgravador o desrripiador. El desarenador, como toda estructura hidráulica, tiene funciones y objetivos específicos que deben ser claramente analizados y comprendidos con el fin de lograr un buen diseño.
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Un Desarenador es una estructura hidráulica que sirve para separar (decantar) y remover (evacuar), las partículas finas en suspensión que lleva el agua de un canal. Este material ocasiona perjuicios a las obras: a) Una gran parte del material sólido va depositándose en el fondo de los canales, disminuyendo su sección. Esto aumenta el costo anual de O y M. y produce molestas interrupciones en el servicio.
b) Si los canales sirven a las CC.HH. La arena arrastrada por el agua pasa a las turbinas, desgastándolas, tanto más rápidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una reducción del rendimiento y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas.
7.1.2.
Principios de funcionamiento Son dos las funciones que debe cumplir un desarenador:
Lograr la decantación de una parte de las partículas sólidas, acarreadas en suspensión por la corriente de un canal. Se busca crear en el desarenador velocidades bajas y disminuir el grado de turbulencia. Existen diferentes tipos de desarenadores que buscan cumplir con esta función. La idea fundamental es la de disponer de varias naves paralelas para disminuir la formación de corrientes secundarias y lograr un flujo paralelo, en la medida de lo posible.
Conseguir la purga del material sólido decantado. Debe crearse las condiciones para lograr durante la purga suficiente cantidad de transporte y lograr que los sólidos sedimentados se dirijan hacia las ventanas, orificios o conductos de purga. Adicionalmente y para que la purga sea posible debe haber carga suficiente (desnivel) con respecto al río o al lugar al que se descargan los sedimentos. Si la descarga es, como ocurre generalmente, a un río debe verificarse la existencia de desnivel suficiente durante las avenidas, que es cuando por lo general se presenta la mayor cantidad de sólidos.
Básicamente para que un desarenador sea eficiente debe c umplir: A. Hidráulicamente
Distribución uniforme del caudal en las naves desarenadoras.
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Líneas de corriente paralelas, por lo tanto, sin vórtices de eje vertical u
horizontal.
No causar remanso en el canal aguas arriba. Distribución uniforme del caudal dentro de cada nave, esto es importante en el momento de purga de la nave.
B. Sedimentológicamente
Sedimentación de los materiales es suspensión.
Evacuación al exterior de los depósitos.
Limpieza uniforme de las naves desarenadoras.
No existencia de zonas imposibles de limpiarlas en las naves.
Transición de entrada sin sedimentación.
Eficiencia adecuada.
La sedimentación es posible de lograr disminuyendo la velocidad de flujo hasta un cierto valor para permitir su depósito. Dicho valor está en función del diámetro de la partícula a extraer. La evacuación o limpieza es el mayor problema en el diseño del desarenador. Esta fase obliga a tener un manual de operación bien detallado, a fin de lograr la total evacuación de los sedimentos depositados. El canal de purga debe tener por lo menos igual o mayor pendiente que el conducto de purga de las naves. Si el desarenador se encuentra aguas debajo de un canal es necesario tener en cuenta el posible remanso que podría generar en el canal, un vertedero o una compuerta situada al final de las naves con el objetivo de establecer una cota de operación, etc. Es necesario que el desarenador se encuentre topográficamente más alto que el rio con la finalidad de que pueda evacuar por gravedad los sedimentos depositados en las naves desarenadoras.
7.1.3.
Evolución Lo que determina la evolución del desarenador es la forma como son evacuados los sedimentos que se acumulan de la sedimentación, en un primer momento se efectuaba la limpieza mecánicamente para luego pasar a la limpieza hidráulica.
7.1.3.1.
Cámaras de decantación En un inicio se usaban éstas estructuras formadas por tazas, donde la deca ntación y la extracción de los depósitos eran dos operaciones sucesivas.
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La evacuación de sedimentos era mecánica, razón por la cual se les llamaba cámaras de extracción mecánica. Actualmente ningún diseño contornea este criterio. Luego se pensó en utilizar la misma agua para efectuar la limpieza y sugirieron las llamadas cámaras da evacuación hidráulica, que constituyeron un verdadero avance. Las más antiguas obras de este tipo tienen en general fondo plano y la abertura de evacuación de dimensiones reducidas y a menudo ubicadas lateralmente. Las obras más o demás tienen pendientes longitudinales del 3% al 5%, con aberturas de evacuación de 0.70 a 1.00 m. aproximadamente.
Figura 6. Decantador
7.1.3.2.
Desarenadores En el diseño del desarenador, el objetivo no solamente es que se produzca la sedimentación y luego se pueda efectuar la limpieza hidráulicamente, sino que sedimenten partículas hasta un cierto diámetro, según sea el uso que se desee dar al agua. Los desarenadores propiamente dichos, son aquellos en los cuales las operaciones de decantación y extracción de los depósitos son operaciones simultáneas. Su evolución también se ha visto enmarcada dentro de las necesidades hidráulicas. Así en un primer tiempo, en las tomas de agua para irrigación se iniciaron con los llamados desarenadores en corrientes con velocidades lentas, caracterizados por una baja velocidad de escurrimiento, entre 0.2 y 0.6 m/s, que permiten la eliminación de elementos hasta 0.1 mm. Posteriormente con la aparición de las
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1.5 m/s, lo que también limita la eliminación de partículas hasta de 0.5 mm, en los llamados desarenadores con velocidades a/fas.
Figura 7. Desarenador con velocidades a/fas
7.1.4.
Clasificación de desarenadores
7.1.4.1.
En función de 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. 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.
7.1.4.2.
7.1.4.3.
En función de la velocidad de escurrimiento: De baja velocidad
v < 1 m/s (Recomendable: 0.20 - 0.60 m/s).
De alta velocidad
v > 1 m/s (Recomendable: 1 - 1.5 m/s).
Por la disposición de los desarenadores: En serie,
otro.
formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del
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En paralelo,
formado por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y
diseñados para una fracción del caudal derivado.
7.1.4.4.
Por su topología Desarenador longitudinal
Su funcionamiento se basa en la reducción de la
velocidad del agua y de las turbulencias, permitiendo así que el material sólido transportado en suspensión se deposite en el fondo, de donde es retirado periódicamente. Normalmente se construyen dos estructuras paralelas, para permitir la limpieza de una de las estructuras mientras la otra está operando.
Figura 8. Desarenador longitudinal De vórtice
Los sistemas de desarenación del tipo vórtice se basan en la formación de un vórtice (remolino) inducido mecánicamente, que captura los sólidos en la tolva central de un tanque circular. Los sistemas de desarenador por vórtice incluyen
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dos diseños básicos: cámaras con fondo plano con abertura pequeña para recoger
Figura 10. Desarenador de Vórtice (planta)
la arena y cámaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva. A medida que el vórtice dirige los sólidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para levantar el material orgánico más liviano y de ese modo retornarlo al flujo que pasa a través de la cámara de arena.
7.2.
Componentes de un desarenador Esta unidad se puede dividir en cuatro partes o zonas.
Figura 11. Desarenador (Planta y corte Longitudinal)
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a) Zona de entrada Tiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad.
b) Zona de desarenación Parte de la estructura en la cual se realiza el proceso de depósito de partículas por acción de la gravedad.
c) Zona de salida Conformada por un vertedero de rebose diseñado para mantener una velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada.
d) Zona de depósito y eliminación de la arena sedimentada Constituida por una tolva con pendiente mínima de 10% que permita el deslizamiento de la arena hacia el canal de limpieza de los sedimentos
7.2.1.
Elementos de un Desarenador Los desarenadores están compuestos por cinco partes, como se muestra en el esquema siguiente: compuerta de admision camara de sedimentación compuerta de lavado
canal de lavado
canal de llegada transicion canal directo vertedero
Figura 12. Elementos de un desarenador
Esquema de un Desarenador de lavado i ntermitente
7.2.1.1.
Transición de entrada
canal de salida
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7.2.1.2.
Cámara de sedimentación 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: Tabla 2. Velocidades según el tipo de suelo
Para la arcilla
0,081 m/s.
Para la arena fina
0,16 m/s.
Para la arena gruesa
0,216 m/s.
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, con una profundidad media de 1.5 m y 4 m. Observar que, para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa. La forma de la sección transversal puede ser cualquiera, aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal simple o compuesta. La primera simplifica considerablemente la construcción, pero es relativamente cara pues las paredes deben soportar la presión de la tierra exterior y se diseñan por lo tanto como muros de sostenimiento. La segunda es hidráulicamente más eficiente y más económica pues las paredes trabajan como simple revestimiento. 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.
7.2.1.3.
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. También mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastra. La velocidad límite es 1 m/s, para evitar turbulencias.
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De la ecuación de un vertedero rectangular sin contracciones: 3
Q
CLh 2
Q
caudal (m / s)
Donde:
C
C
L
1.84(cresta aguda) 2.0( perfil Creager ) longitud de la cresta (m )
h
3
c arg a
sobre el
vertedor (m )
Si el área hidráulica sobre vertedor es: A
Lh
la velocidad será: 1
v
Ch 2
De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el máximo valor de h no debería pasar de 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 esto se le ubica en curva que comienza en uno de los muros laterales y continúa hasta cerca de la compuerta de desfogue. Esta forma facilita el lavado permitiendo que las arenas sigan trayectorias curvas y al mismo tiempo el flujo espiral que se origina las alejas del vertedero.
7.2.1.4.
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%, el incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de cálculo, si no que el volumen adicional se lo toma como depósito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamaño de sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia. Para lavar una cámara del desarenador se cierran las
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velocidad arrastrando la mayor parte de los sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue pasando al canal sea a través del canal directo o a través de otra cámara del desarenador. Una vez que está vacía la cámara, se abren parcialmente las compuertas de admisión y el agua que entra circula con gran velocidad sobre los sedimentos que han quedado, erosionándolos y completando el lavado. Generalmente, al lavar un desarenador se cierran las compuertas de admisión. Sin embargo, para casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive con estas compuertas abiertas. Por este motivo las compuertas de lavado deben diseñarse 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. Hay que asegurarse que el fondo de la o las 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 capaz de arrastrar las arenas. Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y eficaz esta velocidad debe ser de 3 - 5 m/s. Muchas veces esta condición además de otras posibles de índole topográfica, impiden colocar el desarenador inmediatamente después de la toma, que es la ubicación ideal, obligando desplazarlo aguas abajo en el canal.
7.2.1.5.
Canal directo Por el cual se da servicio mientras se está lavando el desarenador. El 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. 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 con el caudal total mientras la otra se lava.
7.3.
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,
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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.
El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento. En caso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidad que debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento.
Figura 13. Desarenador de 2 unidades en paralelo ( panta)
Figura 14. Desarenador de 1 unidad con by pass (planta)
El periodo de operación es de 24 horas por día.
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 transición debe tener un ángulo de divergencia suave no mayor de 12° 30´.
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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 10 y 20.
La sedimentación de arena fina (d<0.01 cm) se efectúa en forma más eficiente en régimen laminar con valores de número de Reynolds menores de uno (Re<1.0).
La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición con valores de Reynolds entre 1.0 y 1 000.
La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores de número de Reynolds mayores de 1 000.
Tabla 3. Relación entre el diámetro de las partículas y velocidad de sedimentación
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Donde:
-
-
Vs: velocidad de sedimentación (m/s)
-
d: diámetro de la partícula (m)
-
g: aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2)
-
ρa: densidad de la partícula (kg/m 3)
-
ρ: densidad del agua (kg/m 3)
La descarga del flujo puede ser controlada a través de dispositivos como vertederos (sutro) o canales Parshall (garganta).
a) Si el flujo es controlado por un vertedero sutro tenemos la relaci ón:
Siendo: a: altura mínima (m) b: ancho de la base (m) H: altura del agua (m)
La forma de las paredes del vertedero es dada por:
Una alternativa de cálculo para este tipo de vertedero es partiendo de la ecuación:
Donde:
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l : Ancho del vertedero (m) h : Carga sobre el vertedero (m) Agrupando la ecuación: Q = 1.84 ( l h1/2 ) h , tenemos que Q varia con la altura. Entonces es necesario que el valor dentro del paréntesis sea una constante K. Luego para un Qmax (m3 /seg), Atmax (m2 ) y Wmax (m) obtenemos el hmax (m) y lmax (m).
Determinamos la constante k = l * h1/2 , y hallamos los valores de lmedio, lmin, hmedio y hmin a partir de las relaciones indicadas anteriormente y de los Qmedio y Qmin.
Figura 15. Planta y Corte de vertedero
b) Si el flujo es controlado por un Parshall (garganta), tenemos la ecuación:
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Q caudal (m3/seg) Vh velocidad horizontal (m/seg) Determinamos la altura máxima hmax (m), altura mínima hmin (m), ancho máximo wmax (m) y ancho mínimo wmin (m) para los caudales máximo y mínimo respectivamente para un ancho de garganta b. El corte transversal del canal debe ser parabólico o aproximarse bastante a la parábola.
Figura 16. Sección parabólica del Parshall
Figura 17. Parshall - Planta y Corte
7.4.
Dimensionamiento El dimensionamiento de esta obra se fundamenta en dos condiciones:
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.
Los sedimentos atrapados deberán ser rápidamente evacuados durante las
operaciones de limpieza.
7.4.1.
Cálculo del diámetro de las partículas a sedimentar (Villon, 2013) Los desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partícula,
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depositarse. Por ejemplo, el valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantas hidroeléctricas es de 0.25 mm. En los sistemas de riego generalmente se acepta hasta d = 0.5 mm.
7.4.2.
Cálculo de la velocidad del flujo v en el tanque La velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando está comprendida entre 0.20 m/s a 0.60 m/s. La elección puede ser arbitraria o puede realizarse utilizando la fórmula de Camp: v
a
(cm / s )
d
Donde:
d
diámetro (mm) a cons tan te en
fución del diámetro
Tabla 4. Valor de la constante a en función del diámetro
7.4.3.
a
d (mm)
51
0.1
44
0.1 - 1
36
1
Cálculo de la velocidad de sedimentación w (en aguas tranquilas) Para este aspecto, existen varias fórmulas empíricas, tablas y nomogramas, algunas de las cuales consideran:
Peso específico del material a sedimentar:
Peso específico del agua turbia:
w
s
3
gr / cm
(medible)
gr / cm3 (medible)
Así se tiene:
7.4.3.1.
“w”
Arkhangelski
Tabla 5. Velocidades de sedimentación w calculado por Arkhangelski (1935) en función del diámetro de partículas.
d(mm)
w (cm/s)
0.05
0.178
0.10
0.692
0.15
1.560
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7.4.3.2.
“w”
0.25
2.700
0.30
3.240
0.35
3.780
0.40
4.320
0.45
4.860
0.50
5.400
0.55
5.940
0.60
6.480
0.70
7.320
0.80
8.070
1.00
9.440
2.00
15.290
3.00
19.250
5.00
24.900
Sellerio
Figura 18. Velocidad de sedimentación (w) Sellerio
7.4.3.3.
Owens
“w”
w
k
d ( s
1)
Donde:
w d
velocidad de se dim entación ( m / s) diá
d
íc l
( )
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s
k
peso específico del material ( g / cm3 )
cons tan te que
var ía
de acuerdo con la
forma y naturaleza de los granos
Tabla 6. Valores de la constante k
Forma y naturaleza
7.4.3.4.
“w”
k
arena esférica
9.35
granos redondeados
8.25
granos cuarzo d > 3 mm
6.12
granos cuarzo d < 0.7 mm
1.28
Sudry
La cual se muestra en el nomograma en la figura 3, la misma que permite calcular la velocidad de sedimentación w (en m/s) en función del diámetro (en mm) y del peso específico del agua (
w
en gr/cm3).
Figura 19. Velocidad de sedimentación de granos de arena en agua
7.4.3.5.
La fórmula de Scotti - Foglieni
w 3.8 d
d
8.3
Donde: w = velocidad de sedimentación (m/s) d = diámetro de la partícula (m)
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Para el cálculo de “w” de diseño se puede obtener el promedio de los
w
s
, con los
métodos enunciados anteriormente. En algunos casos puede ser recomendable estudiar en el laboratorio la fórmula que rija las velocidades de caída de los granos de un proyecto específico.
7.4.4.
Dimensiones del tanque i)
Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentación, se pueden plantear las siguientes relaciones:
Caudal: Q
bhv
ancho del desarenador: b
Q
hv
.....(1)
Tiempo de caída: w
h
t
t
h w
......(2)
Tiempo de sedimentación: v
L
t
t
L v
......(3)
Igualando (2) = (3) h
L
w
v
De donde la longitud, aplicando la teoría de simple sedimentación es: L
ii) Considerando
los
hv
w
......(4)
efectos
retardatarios
de la turbulencia
Con el agua en movimiento la velocidad de sedimentación es menor, e igual a
w
w'
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Luego, la ecuación (4) se expresa: L
hv
w
w'
.......(5)
en la cual se observa que manteniendo las otras condiciones constantes la ecuación (5) proporciona mayores valores de la longitud del tanque que la ecuación (4). Eghiazaroff , expresó la reducción de velocidad como:
w'
v
5.7 2.3h
m / s.......(6)
Levin , relacionó esta reducción con la velocidad de flujo con un coeficiente:
w
'
v
m
/ s.......(7)
Bestelli et al consideran:
0.132
h
.......(8)
Donde h se expresa en m. En el cálculo de los desarenadores de bajas velocidades se puede realizar una corrección, mediante el coeficiente K, que varía de acuerdo a las velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:
L
K
hv w
.........(9)
Donde K se obtiene de la tabla5. Tabla 7. Coeficiente para el cálculo de desarenadores de baja velocidad
Velocidad de escurrimiento (m/s)
K
0.20
1.25
0.30
1.50
0.50
2
En los desarenadores de altas velocidades, entre 1 m/s a 1.50 m/s, Montagre, precisa que las caídas de los granos de 1 mm están poco influenciadas por la turbulencia, el valor de K en términos del diámetro, se muestra en la tabla 6. Tabla 8. Coeficiente para el cálculo de desarenadores de alta velocidad
Dimensiones de las partículas a eliminar d (mm)
K
1
1
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0.25 - 0.30
2
El largo y el ancho de los tanques pueden en general, construirse a más bajo costo que las profundidades, en el diserto se deberá adoptar la mínima profundidad práctica, la cual para velocidades entre 0.20 y 0.60 m/s, puede asumirse entre 1.50 y 4.00 m.
7.4.4.1.
Proceso de cálculo de las dimensiones del tanque El proceso de cálculo se puede realizar de la siguiente manera: 1. Asumiendo una profundidad (por ejemplo, h = 1.50 m) 1.1 Aplicando la teoría de simple sedimentación:
-Calcular la longitud con la ecuación:
-Calcular el ancho de desarenador con la ecuación: b
Q
hv
-Calcular el tiempo de sedimentación con la ecuación: t
h
w
-Calcular el volumen de agua conducido en ese tiempo con la ecuación: V
Q * t
-Verificar la capacidad del tanque con la ecuación: V
bhL
1.2 Considerando los efectos retardatorios de la turbulencia: - Calcular
, según Bastelli et al:
0.132
h
- Calcular w’ según Levín: w'
v
-Calcular w’ según Eghiazaroff: v
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-Calcular la longitud L utilizando la ecuación (5): L
hv
w
w'
Para valores de w' obtenidos de las ecuaciones de Bastelli y Eghiazaroff -Calcular L, corregida según la ecuación (9): L
k
hv w
De los valores de L obtenidos, elegir uno de ellos Definido h, b, y L se tienen las dimensiones del tanque desarenador. Para facilidad del lavado, al fondo del desarenador se le dará una pendiente del 2%. Esta inclinación comienza al finalizar la transición.
7.4.5.
Cálculo de la longitud de la transición La transición debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal, para el diseño se puede utilizar la fórmula de Hind:
L
T1
T 2
2tg12.5º
Donde: T1 = espejo de agua del desarenador T2= espejo de agua en el canal
7.4.6.
Cálculo de la longitud del vertedero Al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastra. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s y como se indicó anteriormente, esta velocidad pone un límite al valor máximo de la carga sobre el vertedero h, el cual es de 0.25 m.
7.4.6.1.
Cálculo de L
Para un h = 0.25 m, C = 2 (para un perfil Creager) o C = 1.84 (cresta aguda), y el caudal
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L
Q
3
Ch 2 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 continúa hasta la compuerta de lavado, como se muestra en la
¡Error! No se
encuentra el origen de la referencia. .
7.4.6.2.
Cálculo del ángulo central del vertedero
En la
y el radio R con que se traza la longitud
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., se muestra un esquema del
tanque del desarenador donde se muestran los elementos
,
R y L.
Figura 20. Esquema del tanque del desarenador
7.4.6.2.1.
Cálculo de
Se sabe que:
2 R
:
360º ;
L
De donde: L
2 R
R
360
180
Despejando R se tiene: R
180 L
..................(10)
De la Figura, tomando el triángulo OAB, se tiene:
cos
R b R
De donde:
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b
R(1 cos )
Despejando R se tiene: R
b
.................(11)
(1 cos )
Igualando R de las ecuaciones (10) y (11) se tiene: b 1
180L
cos
Donde la incógnita es
180 L
1 cos
.................(12)
b
Como en la ecuación (12) L y b son conocidos, el segundo miembro es constante: C
180 L
Por lo que la ecuación (12) se puede escribir:
f ( )
1 cos
C
.................(13)
El valor de
7.4.6.2.2.
se encuentra resolviendo por tanteos la ecuación (13).
Cálculo de R:
R se calcula utilizando la ecuación (10) R
180 L
7.4.6.3.
Calculo de la longitud de la proyección longitudinal del vertedero (L1).
De la
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., tomando el triángulo OAB,
se tiene: sen
L1
R
7.4.6.4. Lm
L1
Rsen
Calculo de la longitud promedio (Lm),
L1
2
L2
UNIVERSIDAD PERUANA UNIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA E. A.P. INGENIERÍA CIVIL ESTRUCTURAS HIDRAULICAS LT
Lt
L L m
Donde: LT: longitud total. Lt: longitud de la transición de entrada. L: longitud del tanque. Lm: longitud promedio por efecto de la curvatura del vertedero.
Figura 21. Longitud total del tanque desarenador
7.4.7.
Cálculos complementarios.
7.4.7.1.
Cálculo de la caída del fondo:
Z L * S
Donde: Z diferencia de catas del fondo del desarenador L
S
LT
Lt
pendiente del fondo del desarenador 2%
7.4.7.2.
Cálculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado:
H h Z
Donde: H
h
profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado.
profundidad de diseño del desarenador. h:
Z Diferencia de cotas del fondo del desarenador
UNIVERSIDAD PERUANA UNIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA E. A.P. INGENIERÍA CIVIL ESTRUCTURAS HIDRAULICAS hc
H
0.25
Donde:
hc=altura de la cresta del vertedero con respecto al fondo. H=profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado.
7.4.7.4.
Cálculo de las dimensiones de la compuerta de lavado:
Suponiendo una compuerta cuadrada de lado L, el área será
A
2
L
, la compuerta funciona
como un orificio, siendo su e cuación:
Q
Cd A0
2 gh
Donde:
Q
caudal a descargar por el orificio
Cd =coeficiente de descarga=0.60 para un orificio de pared delgada A0 =área del orificio, en este caso igual al área A de la compuerta h=carga sobre el orificio desde la superficie del agua hasta el centro del orificio
g=aceleración de la gravedad, 9.81 m / s 2
7.4.7.5. v
Cálculo de la velocidad de salida: Q
A0
Donde:
V=velocidad de salida por la compuerta, debe ser de 3 a 5 m / s, para el concreto el lí mite erosivo es de 6 m / s. Q
caudal descargado por la compuerta
Q
caudal descargado por la compuerta
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Figura 22. Esquema de Abastecimiento de agua para riego por gravedad
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8. CÁLCULOS DEL DISEÑO HIDRAULICO DEL DESARENADOR
DISEÑO DE DESARENADOR 1. CALCULO DEL DIAMETRO DE LAS PARTICULAS A SEDIMENTAR Los desarenadores se diseñan para un determinado diametro de párticulas, es decir, que se supone que todas la s particulas de diametro superior al escogido debe depositarse. por ejemplo el valor de diametro maximo de particula normalmente admitido para plantas hidroelectricas es de 0.25 mm. . En lo sistemas de riego generalmente se acepta hasta diametros de 1.5 mm.
DATOS:
D= Q= n= i=
0.5 mm 1063 L/s 0.014 2 %o
Diametro de la Particula Caudal de Diseño Rugosidad de Manning HºCº pendiente Entrada y Salida del canal
2. CÁLCULO DE VELOCIDAD DE FLUJO
La velocidad en un desarenador se considera lenta cuand o está comprendida entre 0,10 a 0,60 m/s La eleccion puede ser arbitraria o puede realizarse o utilizando la formula de Ca mp.
Donde:
Vd= d= a=
¿? 0.5 44
velocidad de escurrimiento cm/s diametro mm. constante en funcion al diametro Diametro D (mm) D < 0,1mm 0.1mm< D< 1mm D > 1mm
a 51 44 36
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Vd=
31.11 cm/s
Vd=
0.31 m/s
velocidad de escurrimiento
3. ANCHO DE CAMARA ( asumido) B=
2
Tomando en cuenta que:
m
0 .8
H B
0.85 OK!!!Cumple condicion
relacion H/B =
1
4.- ALTURA DE LA CAMARA DE SEDIMENTACION
Caudal de diseño:
Q=
1.063
m3/s
Por lo tanto:
H=
por lo que asumimos:
H=
1.7083 m 1.7
m
Verificacion del tipo de Flujo
del cálculo de máxima eficiencia
V= Numero de Reynolds
Hallando: Rh
Donde: V= Rh= v=
1.4764 m/s
1.476389 velocidad del flujo (Agua) 0.30 radio Hidraulico de la seccion que fluye el caudal 0.0000010070 20º C viscosidad del fluid o Re=
439837.8021
Flujo Turbulento
5.- CALCULO DE LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION
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D (mm) Vs (cm/s) 0.05 0.178 0.1 0.692 0.15 1.56 0.2 2.16 0.25 2.7 0.3 3.24 0.35 3.78 0.4 4.32 0.45 4.86 0.5 5.4 0.55 5.94 0.6 6.48 0.7 7.32 0.8 8.07 1 9.44 2 15.29 3 19.25 5 24.9
Diámetro de la partícula.
D=
0.5 mm diametro de la particula
Velocidad de Sedimentación (Flujo La minar)
Vs=
5.4 cm/s
b) FLUJO TURBULENTO
Donde Vs= λs=
g= D= c=
¿? 2.625 9.81 0.05 0.5
velocidad de sedimentacion(cm/s) peso especifico de las particulas (g/cm3) practicamente invariable 2,60-2,65 aceleracion de la gravedad (m/s2) diametro de las particulas (cm)
c = 0,5 granos redondos
coeficiente de resistencia de los granos Vs=
1.4579 cm/s
Vs=
0.0146 m/s
6.- TIEMPO DE RETENCION
Turbulento
Ts=
116.6053
Laminar
Ts=
0.315
s.
tiempo que demora la particula en caer desde la superficie a l fondo.
s.
tiempo conciderando flujo Laminar
7.- LONGITUD DE LA CAMARA Flujo Laminar
Donde: L=
Longitud de camara (m)
UNIVERSIDAD PERUANA UNIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA E. A.P. INGENIERÍA CIVIL ESTRUCTURAS HIDRAULICAS k es un coeficiente de seguridad usado en desarrenadores de bajas velocidades para
tomar en cuenta los efectos de la turbulencia y depende de la velocidad de escurrimiento de acuerdo a la siguiente tabla: Coeficiente de Seguridad Velocidad de escurrimiento (m/s) 0.2 0.3 0.5
K
1.25 1.5 2
Interpolacion si fuese necesario Vd k 1 0.3 1.5 2 0.31 k 3 0.5 2 k=
1.5278
L=
Constructivamente Se asume L=
0.1496 m 0.15
m
Flujo Turbulento
Donde: L= k=
Longitud de camara (m) Coeficiente de seguridad
k es un coeficiente de seguridad usado en desarrenadores de bajas velocidades para
tomar en cuenta los efectos de la turbulencia y depende de la velocidad de escurrimiento de acuerdo a la siguiente tabla: Coeficiente de Seguridad Velocidad de escurrimiento K 0.2 1.25 0.3 1.5 0.5 2
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Interpolacion si fuese necesario Vd k 1 0.3 1.5 2 0.31 k 3 0.5 2 k =
1.5278
L= Se asume
55.428 m L=
56
m
8,- TRANSICION DE ENTRADA
donde: LT: T2: T1:
¿? 2 1.2
por fines constructivos
longitud de la transicion m Espejo de agua en la camara de sedimentacion (m) Espejo de agua en el canal de entrada (m) LT
=
1.8043
m
LT
=
1.80
m
9.- DIMENSIONAMIENTO FINAL :
Transicion de Entrada y Salida β
T1
T2
Lt
1.80 m
Canal de Ingreso
1,2 m
Desarenador
Canal de salida
2m
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CÁLCULO DE LA LONGITUD DEL VERTEDERO
10.1 Cálculo de L
Dada la ecuación de vertederos con C=2 (para perfil tipo creager). Asumir h=0.25m (altura de carga sobre el vertedero) Q= C=
1.6 m3/s 2
h=
0.25 m 6.41 m
L=L1
10.2 Cálculo de α y R a) Calculo de α
Lt= b= c=
El valor de α se encuentra resolviendo por tanteos:
6.41 m 2.00 m 183.69
Por lo tanto;
c: constante
37 °
α=
y
35 36
c 193.50 188.50
37
183.7
α
b) Cálculo de R: L=
α=
R=
6.41 m 37 ° 9.93
Longitud de vertedero antes calculado (Calculado por la itereción entre a y c)
10.3 Calculo de la longitud de la proyección longitudinal del vertedero (L2) R=
9.93 m
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10.4 Calculo de la longitud promedio (Lm)
Reemplazando:
L1= L2=
Lm=
6.41 m
6.2 m
5.98 m
10.4 Calculo de la longitud total del tanque desarenador
Lt= L= Lm=
1.80 m 56.00 m 6.20 m
Reemplazando:
LT=
64.0 m
=64 m CALCULOS COMPLEMENTARIOS
11.1 Cálculo de la caída del fondo: Tenemos: L= 62.2 m
Reeplazando:
S=
2%
∆Z=
1.25 m
Hallamos ∆Z en:
11.2 Cálculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado h= ∆Z=
1.70 m 1.25 m
Reemplazando:
H=
2.95 m
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11.3 Cálculo de la altura de cresta del vertedero con respecto al fondo: Reemplazando:
ht=
2.70 m
11.4 Cálculo de las dimensiones de la compuerta de lavado:
A0=b*b h=H-b/2
Cd= Q= g= H= b=
0.6 1.6 m3/s 9.81 m/s2 2.95 m 0.60 m
b 0.601
Q 1.6 m3/s
0k
3.4.5 Cálculo de la velocidad de salida:
Q= 2 m3/s A0= 0.36 m2 v= 4.45 m/s
Este valor está dentro de los permitidos entre 3 a 5 m/s, entonces todas las partes ok! del desarenador están diseñadas.
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9. BIBLIOGRAFIA Guía Para El Diseño De Desarenadores Y Sedimentadores
Villon, B. M. (2013). Diseño de Estructuras Hidraulicas (tercera ed.). Lima, Lima, Peru: Edificones Villon. Recuperado el 25 de Mayo de 2018, de www.maxvillon.webs.com
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10. ANEXOS Planos