Capítulo 8 Toma de Captación
VIII. TOMA DE CAPTACION
8.1 Definición Denominaremos la Toma de Captación (Fig 8.1) el e l conjunto que comprende: Ventana de Captación Desripiador Canal desripiador Transición Aliviadero de Demasías Compuerta de regulación Canal principal Desarenador El dimensionamiento de la Ventana de Captación y de la compuerta de regulación ha sido previamente descrito en capítulos anteriores. anteriores .
Compuerta de Regulación Transición Desripiador
Compuerta de Limpia
Rejilla
Fig 8.1 Toma de Captación Captación
10.2 Desripiador o Cámara de Decantación Es una estructura que está situada a continuación de la ventana de captación y su función es el de decantar las piedras que alcanzaron a pasar entre los barrotes y que no deben pasar al canal, con este objeto la velocidad en el desripiador es relativamente baja y el paso hacia el canal debe hacerse por medio de un vertedero sumergido. (Fig 8.2) El desripiador se puede dimensionar tomando uno de los siguientes criterios: Entre la ventana de captación y el vertedero sumergido de salida puede formarse un resalto sumergido por lo tanto tanto la longitud longitud del desripiador se podrá diseñar igualándolas a la longitud de un resalto sumergido. La longitud es igual al de una transición que une los anchos de la reja y el vertedero.
S. Santos H.
DISEÑO HIDRAULICO HIDRAULICO
Capítulo 8 Toma de Captación Compuerta de Limpia
Fig 8.2 Desripiador
Longitud de Resalto Sumergido
L = 2.5 ( d 2' * d 2
−
d 1 )
Ec 8.1
d 1: tirante conjugado menor del resalto hidráulico (de Ec 8.5) d 2: tirante conjugado mayor del resalto hidráulico d’2: tirante aguas abajo del resalto hidráulico Transición
El agua que sale del desripiador por medio de un vertedero ancho, con poco calado pasa a un túnel o canal que generalmente tiene una sección mas estrecha y profunda. Por lo tanto es necesario intercalar una transición entre los dos, es decir una estructura en la cual este cambio se hace en forma gradual afín de conseguir que la perdida sea mínima. De acuerdo al U. S. Bureau of Reclamation se recomienda que el ángulo máximo no exceda los 12.5°. Esto permite determinar la longitud de la transición L
=
(b2 − b1 ) 2 tg 12.5
Ec 8.2
b2 , b1 : anchos mayor y menor respectivamente Para disminuir las perdidas conviene no realizar cambios de dirección bruscos y se procura redondear las esquinas. Todavía es mejor hacer una transición curva compuesta de arcos de círculos tangentes a la entrada y a la salida alas alineaciones del canal. Las pérdidas de energía que se producen en un transición se debe a la fricción y al cambio de velocidad, la primera es pequeña y la segunda es una función de la diferencia entre las cargas de velocidad. S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación
La pérdida en la superficie de agua esta dada por: Tabla 8.1 h=
V 12
−
V 22
2g
z
=
(1 + C ) h
Ec 8.3
Coeficiente C
Tipo de Transición En curva Con cuadrante de círculo Recta
C 0.10 0.15 0.30
Vertedero Sumergido Se calculará con la Ec 3.1 para vertederos sumergidos dado en el Cap 3 (Ventana de Captación)
10.3 Aliviadero de Demasías Es una estructura hidráulica de protección, que se ubica en uno de los lados del canal y cuya función es el de verter fuera de la estructura de conducción cualquier exceso de agua que resulte del ingreso de agua por avenidas ó mala operación de las compuertas de regulación. (Fig. 8.3)
Fig 8.3 Aliviadero de Demasías
Hidráulica
Se asume que la carga de energía a lo largo del vertedero lateral es determinada por la carga de energía en el canal aguas abajo del vertedero lateral y puede ser asumido como constante. Así las pérdidas de carga por fricción pueden despreciarse. Las hipótesis que se utilizan para la deducción del caudal en el vertedero lateral, son las siguientes: S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación
1. La suma de las energías en cualquier sección a lo largo de la cresta vertedora es constante.
Eo = E 1
=
E = y +
V 2
2g
=
cte
2. El perfil de la lámina vertiente sobre el vertedero sigue una ley lineal, esto no induce error considerable. 3. El coeficiente de gasto a lo largo del vertedero es constante y se acepta que su valor es el promedio de considerar su variación según las cargas extremas. El flujo a través de un vertedero lateral es un caso de flujo espacialmente variado con descarga decreciente. De acuerdo a Frazer, se pueden producir los siguientes cinco tipos de perfiles del flujo: Tipo a: Condiciones críticas en o cerca de la entrada, con flujo supercrítico en el tramo del vertedero, el tirante de flujo decreciendo a lo largo del vertedero. (Fig.8.5a) Tipo b: El tirante del flujo más grande que el crítico en la entrada, con flujo subcrítico en el tramo del vertedero, el tirante de flujo creciendo a lo largo del vertedero. (Fig.8.5b) Tipo c: El flujo del Tipo a en el inicio del vertedero, con un resalto hidráulico ocurriendo en el tramo del vertedero, y el flujo del Tipo b después del resalto, con un nivel de energía menor debido a las pérdidas ocasionadas por el resalto hidráulico. (Fig.8.5c) Tipo d: El tirante del flujo más pequeño que el crítico en la entrada, con flujo supercrítico en el tramo del vertedero, el tirante de flujo decreciendo a lo largo del vertedero. (Fig.8.5d)
Fig 8.5 Tipos de flujo en un vertedero lateral
S. Santos H.
Tipo e: El flujo de tipo d en la sección de entrada, con un resalto hidráulico ocurriendo en el vertedero, y un flujo del tipo b después del resalto, con un nivel de energía menor debido a las pérdidas ocasionadas por el resalto hidráulico. (Fig.8.5e) Dimensionamiento
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La longitud el aliviadero de demasías se puede aproximar con la fórmula de Forcheimer para vertederos laterales: Q
=
K C d Lh
3
2
Ec 8.4
Q: caudal en exceso ( m3 /s ) C d : coeficiente del vertedero según la forma de la cresta ( ver Tabla 3.1 ) K: coeficiente para vertedero lateral K=0.95 h: carga hidráulica ó tirante de agua sobre la cresta del vertedero ( m ) L: longitud del aliviadero de demasías ( m )
10.4 Desarenador El agua acarrea sedimentos en suspensión que pueden causar daños a: Estructuras - Disminución de sección transversal de canales por sedimentación - Mayor costo de mantenimiento - Interrupción del servicio de abastecimiento Máquinas - Erosión en equipos ( desgaste de turbinas ) - Disminución de rendimiento - Reposición costosa El desarenador es una estructura de protección que tiene la función de decantar y evacuar el material sólido en suspensión.
Clases de Desarenadores Según su operación: Desarenador de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentación y evacuación son dos operaciones simultáneas. Desarenador de lavado discontinuo (intermitente), 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 perdidas de agua.
En función de la velocidad de escurrimiento: De baja velocidad v < 1 m/s (0.20 - 0.60 m/s). De alta velocidad v > 1 m/s (1 - 1.5 m/s).
Por la disposición de los desarenadores: En serie, formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro. En paralelo, formado por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y diseñados para una fracción del caudal derivado.
S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación
Elementos de un desarenador
El desarenador se compone de los siguientes elementos (Fig 8.6): 1. Transición de entrada La cual une el canal con el desarenador. 2. Cámara de sedimentación ó Nave Central En la cual las partículas sólidas se decantan, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal. Según Dubuat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son: para la arcilla 0.081 m/s para la arena fina 0.16 m/s para la arena gruesa 0.216 m/s La sección transversal entonces se diseña para
Velocidades entre 0.1 –0.4m/s. La profundidad media de la nave está entre 1.5 a 4 m.(Fig 8.6b) La sección transversal (Fig 8.6c) puede ser rectangular o trapezoidal simple o compuesta. La primera es más cara debido a que los muros laterales funcionan como muros de contención pero son fáciles de construir. La segunda es hidráulicamente más eficiente y más económica. El fondo de la nave tiene una pendiente horizontal ( 2-6 % ) y taludes laterales ( 1:5 a 1:8 ) hacia el centro, esto facilita el lavado de las partículas, porque las concentra en el centro de la nave. El incremento de profundidad debido a la gradiente horizontal nos se incluye en el tirante de cálculo, sino que el volumen adicional obtenido se le toma como depósito para las arenas sedimentadas entre dos lavados consecutivos.
3. Vertedero de Salida Se ubica al final de la nave sobre el cual el agua limpia pasa hacia el canal aguas abajo. Las capas superiores son las que primero se limpian, es por esta razón 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. La velocidad sobre el vertedero debería ser igual a la velocidad de sedimentación en la nave y como máximo se admite que sea de 1 m/s ya que si se tiene velocidades mayores se puede generar turbulencia en el desarenador y se arrastraría más materiales en suspensión. Cuando el ancho de la nave es insuficiente para construir un vertedero perpendicular al flujo, la salida se diseña ligeramente oblicua y el vertedero se ubica en forma curva que comienza en uno de los muros laterales y continúa hasta cerca del desfogue.
S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación Canal de Limpia S>2%, V(3-5 m/s)
VISTA DE PLANTA (a) Transición de Entrada
Camara de Sedimentación o Nave Central
Transición de Salida
h (1.5 a 4m) Canal aguas arriba
Canal aguas abajo
Compuerta de Control
CORTE LONGITUDINAL (b)
Compuerta de Limpia
Vertedero de Salida V = 1 m/s
S > 2%
SECCION TRANSVERSAL (c)
h (1.5 - 4m)
Fig 8.6 Desarenador
4. Compuerta de Limpia Sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo. Se debe hacer un estudio de la cantidad y tamaño de sedimentos que transporta el agua para así diseñar una adecuada capacidad del colector y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia Para lavar una cámara del desarenador se cierran las compuertas de admisión y se abren las de limpia con lo que el agua sale con gran 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
S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación
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 limpia deben diseñarse para un caudal igual al traído por el canal más el de limpia (se obtiene dividiendo el volumen del desarenador para el tiempo de lavado). Hay que asegurarse que el fondo de la o las compuertas esté 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 ( S≥ 2% ) . 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. 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. Consideraciones para el diseño hidráulico:
Cálculo del diámetro de las partículas a sedimentar Los desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partícula, es decir, que se supone que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben 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 0.5 mm. En sistemas hidroeléctricos el diámetro puede calcularse en función de la altura de caída ó en función del tipo de turbina como se muestra en la Tabla 8.2 Tabla 8.2 Diámetro de partículas que deben ser retenidas en el desarenador (mm) De acuerdo a tipo de turbina De acuerdo al diámetro
S. Santos H.
D (mm)
Altura de caída H (m)
D (mm)
Altura de caída H (m)
0.6 0.5 0.3 0.1
100-200 200-300 300-500 500-1000
1-3 0.4-1 0.2-0.4
Kaplan Francis Pelton
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Capítulo 8 Toma de Captación
MECÁNICA DE LA SEDIMENTACIÓN Por Simple Sedimentación La velocidad del flujo (v) en el tanque disminuye a tal punto que el agua cesa de acarrear la partícula y esta cae por su propio peso con una velocidad de caída (w). Fig 8.7 v
w
L
Fig 8.7 Sedimentación de una Partícula
La disminución de velocidad se logra aumentando la sección transversal y eso se produce en la nave central. La velocidad (v) 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, esta fórmula nos da la Velocidad de Suspensión Teórica ó la Velocidad Crítica de Sedimentación. Tabla 8.3 - Constante a
a 51 44 36
d (mm) 0.1 0.1-1 1
v = a d cm/s Ec 8.5
a: constante en función del diámetro
El tiempo de caída de la partícula es: w = El tiempo de sedimentación: v =
L
Igualando los tiempos (a) = (b):
=
w
L v
→
t L
t =
→
t h
h
h w
(a)
(b)
w
→
t =
L
=
hv w
(c)
Si se diseña una sección rectangular, el ancho del desarenador será: Q
=
Av
Q
=
(bh) v
→
b=
Q hv
(d)
El volumen de agua que se transporta n el tiempo t, será: Vol = Q t (e) Y debe ser igual a la capacidad del tanque: Vol =(bh) L (f) Muchos investigadores han entregado su aporte a la ciencia logrando obtener fórmulas que de acuerdo a ciertos parámetros lograron determinar la velocidad de caída de la partícula (w), entre ellos se encuentran: S. Santos H.
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Fórmula de Stokes Para d < 0.1 mm,
1 18ν
(γ '−γ )d 2 m/s
Ec 8.6
peso específico del material a sedimentar (kg/m3) peso específico del fluido (kg/m3) viscosidad del fluido (Kg.s/m2)
γ’: γ: ν:
w=
Tabla de Arkhangelski Tabla 8.4 Velocidad de Caída - Arkhangelski
d (mm)
0.05
0.10
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.70 0.80 1.00 2.00
3.00
5.00
w (cm/s) 0.178 0.692 1.56 2.16 2.70 3.24 3.78 4.32 4.86 5.40 5.94 6.48 7.32 8.07 9.44 15.29 19.25 24.90 •
Nomograma de Sellerio, experimentó la Ley de Stokes para diámetros mayores de 0.1 mm.
Fig 8.8 Nomograma de Sellerio
Fórmula de Owens, experimentó con partículas de agua calma w = k d (ρ s
−
1)
Ec 8.7
w: velocidad de sedimentación (m/s) d: diámetro de partículas (m) ρs: peso específico del material (gr/cm3) k: constante que varía de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos, sus valores se muestran en la Tabla 8.5 S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación Tabla 8.5 Constante k - Owens
Forma y naturaleza Arena esférica Granos redondeados Granos cuarzo d>3 mm Granos cuarzo d<0.7 mm
Fórmula de Scotti -Foglieni Ec 8.8
w = 3.8 d + 8.3 d
w: velocidad de Sedimentación (m/s)
d:
diámetro de partículas (m)
Fórmula de Rubey w = F 1 g∆ D
k 9.35 8.25 6.12 1.28
F 1
=
2 3
+
36ν
2
g∆ D
3
−
36ν
2
g∆ D
3
∆=
γ s
− γ
Ec 8.9
γ
Nomograma de Sudry
Fig 8.9 Nomograma de Sudry
La velocidad de caída se obtendrá sacando un promedio estadístico de los valores obtenidos mediante las fórmulas ó de pruebas en laboratorio.
S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación
Considerando Efectos de Turbulencia f=k(w-w’)2
w’
La turbulencia genera velocidades de ascenso (w’) y descenso (w) que retardan ó impulsan la sedimentación.
h w
w’
y2 y y1
h (w-w’)
(w+w’)
Fig 8.10 Poca Turbulencia
f=k(w+w’)
Cuando hay gran turbulencia los sedimentos se mantienen en suspensión. Fig 8.11 Gran Turbulencia
Longitud del tanque Considerando efectos de la turbulencia
Fórmula de Velikanov L
=
λ = f (W )
w: v: λ:
Cp: C:
λ 2 v 2
(
h
−
0 .2
)
2
Ec 8.10
7.51w 2 W = 100 − 100
Cp C
%
velocidad de caída (m/s) velocidad del flujo (m/s) coeficiente de remoción (Fig 8.12) concentración de agua destilada Concentración total que entra al tanque Fig 8.12 Coeficiente De Remoción λ
S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación
Para desarenadores con poca turbulencia
La ec. (c) se transforma en: L =
hv w − w'
La velocidad w’ se puede obtener de:
Ec 8.11
Eghiazaroff w' =
v
5.7 + 2.3h
Levin:
w’ = α v m/s 0.132 según Bestelli α = h
m/s
Ec 8.12
Ec 8.13
Para desarenadores con baja velocidad y poca turbulencia
La ec. (c) se transforma en: L = k
hv w
Ec 8.14
Coeficientes para desarenadores de baja velocidad v (m/s) k 0.2 1.25 0.3 1.50 0.5 2.00 Para desarenadores con alta velocidad (1 m/s < v < 1.5m/s)
Se aplica la Ec 8.14 pero según Montagne, el coeficiente k varía de acuerdo a la siguiente tabla: Coeficientes para desarenadores de alta velocidad Diámetro de granos k a eliminar (m/s) 1.00 1.0 0.50 1.3 0.25-0.30 2.0
S. Santos H.
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Capítulo 8 Toma de Captación BIBLIOGRAFIA
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S. Santos H.
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