AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES •
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Usado para remoción de CO2 y la adición de O2. Tienen gran valor estético Requiere gran área
Serie de toberas o boquillas fijas, sobre una malla de tuberí beríaas, las cual uales dirig rigen el agua ver verticalm almente nte, hacia arriba, o en ángulo menor de 90° con el plano horizontal, de tal mane anera que el agua se romp ompe en gota otas pequeña ueñas. s.
AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES Criterios de diseño: •
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Generalmente se usan boquillas: Diámetros: 2.5 – 3.8 cm Caudal: 4.7 – 11.0 LPS Espaciamiento: 0.6 – 3.6 m Área requerida: 0.11 – 0.32 m2 por cada LPS
AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES
AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES La velocidad inicial de una gota de agua emergente esta dada por: =
2ℎ
En función de la descarga o del caudal, la expresión se presenta: = Velocidad inicial, m/s = Aceleración de la gravedad, m/s2 ℎ = Carga hidráulica o energía total sobre la tobera, m = Coeficiente de descarga, determinado experimentalmente para la . . . boquilla, según su tipo y forma, generalmente 0,75 – 0,95 = Área orificio salida – boquilla, m2 = Caudal, m3/s
AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES De acuerdo con las ecuaciones de Newton para movimiento uniformemente acelerado, las coordenadas de una partícula de fluido que pasa por la boquilla a un punto P de la trayectoria están dadas por: Coordenada horizontal del punto P = = ( cos ∅)
Coordenada vertical del punto P =
= ( sen ∅ )
Tiempo de aireación =
2 sin∅
= 2 sin ∅
2ℎ
∅ : Ángulo de inclinación del chorro con la horizontal
AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES
AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES EJERCICIO:
Para airear adecuadamente un área se requiere, según experimentación, mantener el agua en el aire 1,7 segundos lanzándola con una boquilla de 2,5 cm de diámetro y Cd = 0,85. La boquilla forma un ángulo de 85° con la horizontal. Encuentre: 1. 2. 3. 4.
Velocidad inicial de flujo Distancia hasta la cual llega el chorro Caudal por la boquilla Presión de trabajo requerida
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES
Serie de bandejas equipadas con ranuras, fondos perforados o mallas de alambre, sobre las cualesse distribuye el agua y se deja caer a un tanque receptor en la base; usualmente contienen algún medio grueso de material adsorbente, aunque esta no sea su finalidad
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Consideraciones de diseño - Lechos de contacto: •
Para mejorar la distribución del agua y mejorar el intercambio de gases; en muchos aireadores se coloca medio de contacto grueso de coque, piedra, cerámica: De 5 – 15 cms de diámetro De 4 – 12 cms
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Material del lecho: Carbón coque, carbón activado, piedra, ladrillo triturado, esferas de cerámica, entre otros.
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3,5 a 7,0 LPS para cada m2 de lecho de contacto.
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Espesor o altura de lecho de contacto en cada bandeja: 15 a 20 cms
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Consideraciones de diseño - Bandejas: •
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Carga Hidráulica: 430 – 860 m3/m2-d ; 0,10 – 0,20 m2 por cada Lps. El área requerida para las bandejas varía entre 0,05 2 – 0,15 m por LPS de agua tratada; generalmente menos de 0,06 m2. La altura total del aireador de bandejas (torre de aireación): 2 a 3 m; eventualmente, dependiendo del número de bandejas puede alcanzar alturas superiores alos5,0m. Número de bandejas: 3 a 5; se emplean usualmente 5, pero en casos especiales suelen ser hasta 9 bandejas.
El espaciamiento entre bandejas es de 30 a 75 cm.
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Profundidad de cada bandeja: es de 20 a 25 cm.
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Altura máxima de lámina de agua: 10 a 12 cm.
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Diámetro de los orificios o ranuras: 0,2-0,3cm. Separación entre los orificios del fondo de la bandeja: 2,5 cm. Eficiencia esperada en remoción de CO2: 30-60%
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Consideraciones de diseño - Bandejas: •
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Localizar en sitios aireados. Construir en materiales durables como acero inoxidable, aluminio, concreto o maderas resistentes; esto debido a factores corrosivos, formación de capas biológicas o crecimiento de algas. Los crecimientos biológicos pueden controlarse mediante el tratamiento del agua cruda con cloro.
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Consideraciones de diseño: •
Área total de las bandejas: =
: Área total de las bandejas de aireación (m2) : Caudal de diseño (m3/d) : Carga hidráulica (m3/m2*d).
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Consideraciones de diseño: •
Comprobación de descarga:
Se debe verificar que la descarga de los orificios o ranuras del fondo de las bandejas sea suficiente para que no se rebosen. Esta comprobación puede realizarse empleando la ecuación de descarga a través de un orificio:
= . .
2ℎ
: Caudal de descarga del orificio (m3/s) : Coeficiente de descarga = 0,85 : Área del orificio (m2) : Aceleración de la gravedad = 9,81 m/s2 ℎ : Altura de la lámina de agua en el interior de la
bandeja (m)
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Consideraciones de diseño: •
Tiempo de exposición: : Tiempo de exposición o contacto (s)
Para calcular de forma aproximada el tiempo de contacto del agua en el aireador:
: Número de bandejas ℎ : Distancia entre bandejas (m)
=.
2.ℎ
: Aceleración de la gravedad = 9,81 m/s2
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Consideraciones de diseño: •
Remoción de CO2
La remoción puede calcularse con la fórmula de Scott: = . 10− .
Cn: Concentración de CO2 en mg/L después de pasar por n bandejas. Co: Concentración original de CO2, mg/L n: Número de bandejas k: 0,12 – 0,16 , constante que depende de la ventilación, temperatura, turbulencia y características de la instalación. Si no se conoce el valor se debe adoptar 0,12
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Ejemplo: Dimensionar y calcular las características principales de un aireador de bandejas con carbón coque de material de soporte, para un caudal de 25 Lps que tiene una concentración inicial de CO2 de 18 mg/L. Asuma:
Calcule: •
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Carga hidráulica de 700 m/d Se proyectan 5 bandejas cuadradas Perforaciones de 0,6 cm de diámetro Se espera que la altura lámina de agua de 0,12 m Distancia y profundidad de bandejas de 0,3 m
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Área total de las bandejas Área y dimensión de bandejas Verificación de la descarga Número y distribución de orificios Tiempo de contacto Nivel de remoción teórico
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS
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El agua se deja caer en láminas o capas delgadas, sobre uno o más escalones de concreto
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Pueden ser con o sin cama de agua (mejora la aireación: turbulencia, disminuye el impacto de la caída)
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El aireador de cascada produce un pérdida grande de energía.
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Con una cascada y 40 cm de profundidad de suministro se pueden airear 9000 m3/d con remociones del 50 – 60%deCO
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS Consideraciones de diseño: •
La carga hidráulica (relación entre el caudal aplicado y el área del aireador) puede estar entre: 10 – 30L/sm2 ;864 – 2592 m/d 300 – 1000 m3/m2.d ; 0,08 – 0,29 m2 por cada Lps
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Altura de los escalones: 20 – 40cm
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Altura total del aireador: 2 a 5 m.
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Profundidad de la superficie de descarga (Longitud del escalón): 0,30 a 0,60 m; típica 45 cm
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS Consideraciones de diseño: •
Número de escalones: 4 a 10
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Es factible cuando existe energía disponible, no requiere energía adicional.
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Sistema económico de mantenimiento sencillo.
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El vertedero es más eficiente que el aliviadero.
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La aireación es mejor cuando se genera turbulencia; mayor relación área/volumen. Cuando el agua cae libremente y no se desliza. En un aliviadero aumenta la eficiencia si hay mayor rugosidad o si se genera resalto hidráulico.
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS Consideraciones de diseño: •
Relación de déficit de oxígeno.
=
: Relación deficitaria de oxígeno a una temperatura T.
: Concentración de saturación de oxígeno disuelto a la temperatura T, mg/L : Concentración de oxígeno disuelto en el agua, antes del vertedero o cascada, mg/L : Concentración de oxígeno disuelto en el agua, después del vertedero o cascada, mg/L
La concentración final no debe ser igual a la concentración de saturación (cantidad máxima), se podría adoptar máximo el 60 % de valor de saturación de oxígeno para cada temperatura.
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS Consideraciones de diseño: La oxigenación por un vertedero puede calcularse por:
: Relación de déficit de oxígeno a 20 °C. : Altura de la caída desde la cresta del vertedero hasta la
superficie del agua, m
= ( + 1,5 )
(Nakasone) : Profundidad crítica sobre el vertedero, m : Caudal por metro de ancho del vertedero, m3/h . m
con q = 235 o 5640 m3/m . d se obtuvo aireación optima : Profundidad del agua a la salida de la caída, m
K, n, p, t: Coeficientes que dependen de “q” yde(D+1,5Hc)
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS “Es más eficiente un sistema de cascadas múltiples con caídas menores a 1,2 m que una sola caída con altura mayor de 1,2 m”.
No se requiere caídas altas para lograr aireación, es preferible varias caídas cortas que no excedan los 40 cm, ya que podría lograr una eficiencia entre el 50 y el 60% de remoción de CO2.
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS Los aireadores pueden ser de tres tipos: Vertedero de caída libre: Un solo escalón de altura considerable (> 1,5 m)
Escalera: Varios escalones de pequeña altura (0,3 – 0,4 m)
Vertedero escalonado: De igual configuración al de escalera pero con cama de agua.
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS Consideraciones de diseño: Para determinar la altura total de la cascada de oxigenación (aireador), se puede usar ecuación sugerida por Barret y colaboradores: : Relación deficitaria de oxígeno : Altura de caída del agua (altura total del
=
1 0,361 ( 1 + 0,046 )
aireador), m
: Temperatura del agua, °C : Coeficiente según el tipo de agua : Coeficiente del tipo de aireador
AIREADORES DE CASCADAS Y VERTEDEROS Consideraciones de diseño: Valores de “a” y “b” para aireadores de cascada a
b
Agua de muy buena calidad , agua limpia de rio
1,25
Vertedero de caída libre
1,0
Agua contaminada
1,0
Escalones
1,1
Efluente de aguas residuales, agua muy contaminada
0,8
Vertedero escalonado
1,3
AIREADORES DE BANDEJAS MÚLTIPLES Ejemplo: Determinar la altura de una cascada, con escalones de aireación, requerida para oxigenar un agua con temperatura de 20 °C. La concentración de saturación del oxígeno disuelto es de 9,17 mg/L. Asuma que la concentración de O 2 disuelto se requiere elevar de 0,0 mg/L a 5,0 mg/L
