Diseño de Desarenadores

DISEÑO DE DESARENADORES Elaborado Elabo rado por p or.. Manuel García-Naranjo B.

DISEÑO DE DESARENADORES

Elaborado por: Manuel E. Garcia-Naranjo Garcia-Naranjo B. Agosto 2015


Elaborado por: Manuel E. Garcia-Naranjo Garcia-Naranjo B. Agosto 2015


Desarenado Desarenadorr C.H. Pablo Pablo Bone Bonerr - Ma Matu tuca cana na

DISEÑO DE DESARENADORES DEFINICION Y FUNCION Los desarenadores son obras hidráulicas que tienen por finalidad propiciar la decantación (o sedimentación) y garantizar luego la remoción (o evacuación) de las partículas sólidas que hayan ingresado a través de una obra de captación o que estén siendo conducidas a lo largo de un canal de conducción. En el proyecto de centrales hidroeléctricas, el empleo de desarenadores es esencial, pues debe garantizarse que el agua que circula por la(s) tubería forzada(s) y que acciona luego la(s) turbina(s) se encuentra libre de la presencia de partículas sólidas que pudieran originar su rápido desgaste o deterioro.

DISEÑO DE DESARENADORES Solo cuando el agua que aprovecha una central hidroeléctrica es captada de un reservorio de almacenamiento, puede obviarse el empleo de un desarenador, pues en este caso el embalse cumple las funciones de esta estructura. Un desarenador evita los siguientes efectos desfavorables en las estructuras o elementos de una C.H.: Deposición de sedimentos a lo largo del canal de conducción de la central, con el consiguiente aumento de la rugosidad, disminución de la sección efectiva y de la capacidad de conducción. •

DISEÑO DE DESARENADORES •

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Rápida colmatación de la cámara de carga que antecede a la(s) tubería forzada(s) en el caso de centrales con canal de aducción. Deterioro de la conducción forzada por efecto abrasivo de la corriente Desgaste acelerado de la(s) turbina(s) dispuestas en la casa de máquinas, lo cual trae consigo paralizaciones de la C.H. para efectuar reparaciones y reemplazos que demandan tiempo y que además, tienen elevado costo.


Desarenador C.H. Carhuaquero

DISEÑO DE DESARENADORES CLASIFICACION Los desarenadores pueden clasificarse atendiendo a tres criterios: a) En función a su operación: Desarenadores de purga continua, aquellos en los que las partículas decantadas son inmediatamente removidas y evacuadas por un permanente caudal de lavado, que evita que éstas queden depositadas en el desarenador. Desarenadores de purga discontinuos o intermitente, aquellos en los que los sedimentos decantados se almacenan temporalmente en la(s) nave(s) de desarenación, para luego ser removidos y evacuados mediante operaciones de purga que se efectúan periódicamente. •

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DISEÑO DE DESARENADORES b) En función a la velocidad de escurrimiento: De baja velocidad, cuando la velocidad media de la corriente en el desarenador se encuentra entre 0.20 y 0.60 m/s. Estos desarenadores garantizan la remoción de partículas finas. De alta velocidad, cuando la velocidad media de la corriente en el desarenador se encuentra entre 0.60 y 1.50 m/s. Estos desarenadores solo garantizan la remoción de partículas medias o gruesas de material. •

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DISEÑO DE DESARENADORES c) Por la disposición de las naves de desarenación: En serie: desarenadores conformados por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro. En paralelo, desarenadores conformados por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y diseñados para que cada uno de ellos opere con una fracción del caudal total derivado para la C.H. •

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DISEÑO DE DESARENADORES ELEMENTOS DE UN DESARENADOR Los elementos básicos de un desarenador son los siguientes: Transición de entrada Cámara de sedimentación Vertedero Sistema o compuerta de purga Canal directo o by-pass •

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DISEÑO DE DESARENADORES TRANSICION DE ENTRADA: Une el canal con la nave de desarenación propiamente dicha. La transición debe ser proyectada de la mejor forma posible, pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal. Para el diseño de la transición de entrada se recomienda que el ángulo de convergencia medido a nivel de la superficie libre no supere los 12.5. En tal sentido, la longitud requerida de la transición puede determinarse mediante la siguiente fórmula:

DISEÑO DE DESARENADORES  =

   2tan12.5

donde: LT – longitud de la transición Bdes – ancho del desarenador a nivel de la superficie libre Bcan – ancho del canal a nivel de la superficie libre

DISEÑO DE DESARENADORES CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN Es la nave en la que las particular sólidas decantan debido a la disminución de la velocidad de flujo producida por el aumento de la sección transversal. En el diseño hidráulico de la cámara de sedimentación normalmente se sigue el siguiente procedimiento: Diámetro de diseño del desarenador: debe seleccionarse de modo de garantizar que toda partícula mayor o igual al diámetro de diseño adoptado quede retenida de manera efectiva por la(s) nave(s) de desarenación. •

DISEÑO DE DESARENADORES En el caso de centrales hidroeléctricas, el diámetro de diseño usualmente se selecciona de acuerdo a la altura de caída de la central. Así, se tiene los siguientes valores sugeridos del diámetro de diseño (d) en función de la altura de caída (H): H = 100 – 200 m  d = 0.6 mm H = 200 – 300 m  d = 0.5 mm H = 300 – 500 m  d = 0.3 mm H = 500 – 1000 m  d = 0.1 mm H > 1000 m  d = 0.05 mm

DISEÑO DE DESARENADORES El diámetro de diseño también puede ser seleccionado en función al tipo de turbina a utilizar. En este caso, se tiene:  Turbina Kaplan: 1 – 3 mm  Turbina Francis: 0.3 a 1 mm  Turbina Pelton: 0.1 a 0.3 mm


Velocidad de flujo en el desarenador: La velocidad media de flujo que debe prevalecer en el desarenador para garantizar la decantación de las partículas sólidas está dada por la siguiente ecuación: 

 

=

()

Los valores de “a” dependen del diámetro de diseño y son los siguientes: Para d > 1 mm  a = 36 Para 0.1 < d < 1 mm  a = 44 Para d < 0.1 mm  a = 51

DISEÑO DE DESARENADORES Cabe observar que conocido el caudal que circulará por la nave de desarenación y definida la velocidad de flujo, es posible determinar el área que debe tener la sección flujo: A = Q / V. Por otra parte, si se toma en cuenta que normalmente la relación ancho vs altura (B vs H) útil del desarenador se encuentra entre 2 y 3, una vez determinada el área es posible hallar la altura. Así, si por ejemplo:

B = 2.5H

 A

= 2.5 H2, de donde:  =

 .

.

DISEÑO DE DESARENADORES Se recomienda que la altura útil de un desarenador se encuentre entre 1.5 m y 4 m. Si al efectuar los cálculos se determinara un valor de H mayor a 4 m, es recomendable distribuir el caudal total en un número mayor de naves de desarenación. Con el objeto de facilitar el lavado concentrando las partículas hacia el centro del desarenador conviene que el fondo de la sección transversal no sea horizontal sino que tenga una inclinación hacia el centro de la sección. La pendiente transversal usualmente escogida es 1:5 a 1:8 : 1 (H:V).


Vista de nave de sedimentación de desarenador. Obsérvese la inclinación del fondo hacia la parte central.


Longitud del Desarenador La longitud que debe tener el desarenador para garantizar la decantación de la partícula de diseño o cualquier partícula de mayor tamaño, se obtiene a partir de la siguiente relación: L=VH/w donde: V – velocidad media de flujo en el desarenador H – altura útil del desarenador (usualmente H = 1.5 a 4 m) w – velocidad de sedimentación

DISEÑO DE DESARENADORES La velocidad de sedimentación, en medios en reposo, puede determinarse mediante la aplicación de los siguientes métodos: a) Tabla de Arkangelski: Proporciona directamente el valor estimado de la velocidad de sedimentación, a partir del tamaño de partícula:


Tabla de Arkangelski

DISEÑO DE DESARENADORES b) Experiencias de Sellerio: Se presentan en el siguiente gráfico, el cual permite igualmente hallar la velocidad de sedimentación en función del tamaño de partícula.

DISEÑO DE DESARENADORES Cabe señalar que, debido a la naturaleza gráfica del método y al hecho de comprender esencialmente tamaños de partícula mayores (0.5, 1.0, 1.5 mm), la precisión para tamaños de partícula menores (como son los correspondientes al diámetro de diseño de un desarenador) no es suficientemente buena. c) Experiencias de Sudry: se sintetizan en el nomograma siguiente 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).


Experiencias de Sudry

DISEÑO DE DESARENADORES Cabe señalar que, al igual que el método de Sellerio, el planteamiento de Sudry - al comprender esencialmente tamaños de partícula mayores - no presenta una adecuada precisión para el rango de partículas que usualmente se considera en el caso de desarenadores. d) La fórmula de Scotti-Folglieni: se expresa como:  = 3.8   8.3 

donde: w - velocidad de sedimentación, en m/s d - diámetro de la partícula, en m

DISEÑO DE DESARENADORES e) Gráfica de Albertson: La gráfica de Albertson permite encontrar la velocidad de sedimentación en función de tres variables: tamaño de partícula, factor de forma (que toma en cuenta la forma de las partículas sólidas prevalecientes) y la temperatura del agua (lo cual tiene incidencia en la viscosidad del fluido). Cabe indicar que para partículas provenientes del cuarzo, usualmente se considera un factor de forma (s.f.) igual a 0.7


Gráfica de Albertson

DISEÑO DE DESARENADORES f) Fórmula de Owens: La fórmula de Owens se expresa mediante la siguiente relación:  =     1 donde: w – velocidad de sedimentación, en m/s d – diámetro de la partícula, en m S – peso específico del material, en g/cm 3

DISEÑO DE DESARENADORES k – constante que varía de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos. Los valores sugeridos de k se muestran en el siguiente cuadro:

DISEÑO DE DESARENADORES Método de la fuerza de arrastre de esferas: 4  gD o  En este caso, se whace 3uso C D de la f órmula: g)

donde: wo – velocidad de sedimentación de la partí cula en un medio en reposo  - densidad relativa sumergida: ∆ = ρS − ρ w


Gráfica del Coeficiente de Arrastre de Esferas

DISEÑO DE DESARENADORES h) Ley de Stokes: Puede aplicarse para el caso de partículas esféricas pequeñas (D < 50m) y un número de Reynolds bajo (Re < 1). Bajo estas condiciones, el coeficiente CD del método del coeficiente de arrastre de esferas está dado por: CD = 24/Re. Con ello, la velocidad de sedimentación resulta igual a: 2  gD wo  18

donde cada uno de los términos tiene el significado usual.

DISEÑO DE DESARENADORES Las velocidades de sedimentación determinadas por cualquiera de los métodos anteriores (wo), deben ser corregidas para tomar en cuenta la turbulencia de la corriente, pues si bien la velocidad de flujo en un desarenador es baja, de todos modos el medio fluido no se encuentra en reposo. De este modo, el valor de la velocidad de sedimentación ( ) a utilizar en el cálculo de la longitud del desarenador (L) debe considerar la corrección dada por alguno de los siguientes criterios:

DISEÑO DE DESARENADORES • •

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En función de la velocidad:  = o – 0.04 V De acuerdo al método de Sokolov:  = o - 0.152 o  Según Eghiazaroff:  = ,7+. 

Según Bestelli y Levin: Levin plantea la siguiente reducción de velocidad:  = o -  V donde el coeficiente  es propuesto por Bestelli y se obtiene a partir de la siguiente relación: 0.132 ∝= 

DISEÑO DE DESARENADORES Cabe también indicar que, alternativamente, en el caso de desarenadores de baja velocidad, se puede corregir la longitud del desarenador calculada en base a la velocidad teórica de sedimentación en medio en reposo, haciendo uso de un coeficiente K, el cual se selecciona en base a la velocidad de escurrimiento.  De esta manera, = 

donde K se obtiene de la siguiente tabla:


Factor de amplificación para el cálculo de la longitud del desarenador, determinada en función a la velocidad de sedimentación de las partículas en reposo

DISEÑO DE DESARENADORES DESARENADORES Criterio rio Est Estándar para el Diseño de Desare arenadores para ara PCH en el Ambi Ambitto Rur Rural Cabe indicar la existencia de un criterio estándar de dimensionamiento de desarenadores para pequeñas centrales hidroeléctricas (PCH) a ser proyectadas en el ámbito rural. El planteamiento fue formulado en los lo s años ´80 por Tsuguo Tsuguo Nozaki, experto japonés que durante varios años desempeñó la labor de asesor de ElectroPerú para propósitos energéticos. energéticos. De acuerdo con esta metodología estándar, estándar, se tiene:

DISEÑO DE DESARENADORES DESARENADORES Plan Pl anta ta de Desa Desare rena nado dorr Tí Típi pico co::

DISEÑO DE DESARENADORES DESARENADORES Elev El evac ació ión n y Secc Seccio ione ness de Desa Desare rena nado dorr Tí Típi pico co::


Dimensionamiento del desarenador estándar en función del caudal de diseño

DISEÑO DE DESARENADORES VERTEDERO Al final de la cámara de desarenación se dispone un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal de conducción que conducirá el caudal hacia la casa de máquinas. El vertedero debe operar con descarga libre y se recomienda que la velocidad no supere 1 m/s, por lo que la carga sobre el vertedero no debe ser mayor a 25 cm. El caudal sobre el vertedero se determina con la fórmula:  =   /

DISEÑO DE DESARENADORES donde: Q – caudal, en m3/s C – coeficiente de descarga: C = 1.84 en el caso de cresta aguda y C = 2.0 para el caso de perfil Creager L – longitud de la cresta, en m H – carga sobre la cresta del vertedero, en m

DISEÑO DE DESARENADORES SISTEMA O COMPUERTA DE PURGA Sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo del desarenador. Para facilitar el movimiento de los sedimentos hacia la compuerta de purga, normalmente se le da al fondo del desarenador una pendiente comprendida entre el 2% y 6%. Las dimensiones de la compuerta de purga deben ser calculadas considerando que, para una purga eficiente, la velocidad de descarga debe estar comprendida entre 3 y 5 m/s.

DISEÑO DE DESARENADORES Hay que asegurarse que el fondo de la compuerta de purga se encuentre en un cota suficientemente alta respecto del punto de descarga final en el río, asegurando que la pendiente longitudinal sea suficiente para para obtener una velocidad de flujo capaz de arrastrar los sedimentos. Muchas veces esta condición, además de otras posibles de índole topográfica, impide colocar el desarenador inmediatamente después de la toma, que es la ubicación ideal, obligando a desplazarlo aguas abajo en el canal.

DISEÑO DE DESARENADORES Dimensionamiento de la compuerta de purga: Suponiendo una compuerta cuadrada de lado l, el área será: A = l2. La compuerta funcionará hidráulicamente como un orificio, siendo su ecuación:  =  

2

DISEÑO DE DESARENADORES donde: Q - caudal a descargar por el orificio Cd - coeficiente de descarga; Cd = 0.60 para orificios de pared delgada Ao - área del orificio, en este caso igual al área A de la compuerta H - carga sobre el orificio, medido desde la superficie libre del agua hasta el centro del orificio g - aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2

DISEÑO DE DESARENADORES Cálculo de la velocidad de salida: La velocidad de salida se determina mediante la relación: V = Q/Ao donde: V - velocidad de salida por la compuerta. Debe estar comprendida entre 3 y 5 m/s, para asegurar una purga eficiente y por otro lado, prevenir cualquier efecto erosivo en el concreto, el cual puede empezar a producirse con velocidades por encima de 6 m/s Q - caudal descargado por la compuerta Ao - área del orificio, en este caso igual al área A de la compuerta

DISEÑO DE DESARENADORES SISTEMA DE PURGA DE LOS DESARENADORES Los sistema de purga de los desarenadores normalmente empleados son los siguientes: Büchi Dufour Bieri • • •

DISEÑO DE DESARENADORES Sistema Convencional Büchi: En este caso, el desarenador consiste de una o m ás naves de decantación longitudinal, que tienen la suficiente longitud (ver sección previa) para garantizar la retención y decantación de las partí culas sólidas. Los sedimentos se depositan en el fondo del desarenador y son purgados cuando se abre la compuerta de purga. •


DISEÑO DE DESARENADORES Sistema de Purga Dufour: En este caso, el desarenador se dispone una rejilla horizontal que atrapa los sedimentos, previniendo su eventual retorno. •

DISEÑO DE DESARENADORES Sistema de Purga Bieri: El sistema de purga Bieri asegura la producción de energía durante el procedimiento de purga. Los sedimentos depositados en el desarenador son purgados verticalmente a través de aberturas que conducen la descarga hacia el canal de purga y de vuelta al río. De este modo, el volumen de agua para purga es reducido al mínimo posible. La disposición de sensores permite una operación completamente automática. •




Operación del desarenador Bieri

DISEÑO DE DESARENADORES CANAL DIECTO ó BY-PASS Es aquel por el cual se mantiene el servicio mientras la nave desarenación se encuentra en limpieza o mantenimiento. La purga de un desarenador normalmente se efectúa en un tiempo corto, pero, si por razones de inspección o mantenimiento es necesario vaciar la cámara del desarenador, el canal directo o bypass permite que el servicio de la C.H. no se suspenda. En el caso que el desarenador tenga dos o más naves de desarenación, el canal directo ya no se requiere, pues una de las naves trabaja con el caudal total mientras la otra se encuentra fuera de servicio.


Vista de desarenador incluyendo canal directo ó by-pass

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