Diseño de desarenadores

DISEÑO DE DESARENADORES Manuel E. García-Narano !ustos "garc#anarano$g"a#l.co" "garc#anarano$%&'roconsultsa c.co"

Agosto, 2015

DISEÑO DE DESARENADORES

Desarena'or (.). *a+lo !oner - Matucana

DISEÑO DE DESARENADORES DEINI(ION  N(ION Los desarenadores son obras hidráulicas que tienen por fnalidad 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. n el proyecto de centrales hidroeléctricas! el empleo de desarenadores es esencial! pues debe garantizarse que el agua que circula por la(s) tubería "orzada(s) y

DISEÑO DE DESARENADORES #olo 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 "unciones de esta estructura. $n desarenador evita los siguientes e"ectos des"avorables en las estructuras o elementos de una %.&.' • eposición de sedimentos a lo largo del canal de

conducción de la central! con el consiguiente aumento de la rugosidad! disminución de la sección

DISEÑO DE DESARENADORES • ápida colmatación de la cámara de carga que

antecede a la(s) tubería "orzada(s) en el caso de centrales con canal de aducción. • eterioro de la conducción "orzada por e"ecto

abrasivo de la corriente • esgaste acelerado de la(s) turbina(s) dispuestas

en la casa de máquinas! lo cual trae consigo paralizaciones de la %.&. para e"ectuar reparaciones y reemplazos que demandan tiempo y que además! tienen elevado costo.


Desarena'or (.). (ar%ua/uero

DISEÑO DE DESARENADORES (ASII(A(ION Los desarenadores pueden clasifcarse atendiendo a tres criterios'

aEn unc#3n a su o4erac#3n • esarenadores 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. • esarenadores de purga discontinuos o intermitente!


+ En u unc#3n a la 6el 6eloc#'a' 'e escurr#"#ento • e ba,a velocidad! cuando la velocidad media de

la corriente en el desarenador se encuentra entre -.- y -./- m0s. stos desarenadores desarenadores garantizan la remoción de partículas fnas. • e alta velocidad! cuando la velocidad media de la

corriente en el desarenador se encuentra entre -./- y 1.2- m0s. stos desarenadores solo garantizan la remoción de partículas medias o


c*or la '#s4os#c#3n 'e las na6es 'e 'esarenac#3n • n serie'

desarenadores con"ormados por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro. • n paralelo! desarenadores con"ormados por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y dise3ados para que cada uno de ellos opere con una "racción del caudal total derivado para la %.&.


EEMEN7OS DE N DESARENADOR Los elementos básicos de un desarenador son los siguientes' • 4ransición de entrada • %ámara de sedimentación • 5ertedero • #istema o compuerta de purga • %anal directo o by6pass



7RANSI(ION DE EN7RADA $ne el canal con la nave de desarenación propiamente dicha. La transición debe ser proyectada de la me,or "orma posible! pues la efciencia de la sedimentación depende de la uni"ormidad de la velocidad en la sección transversal. 7ara el dise3o de la transición de entrada se recomienda que el ángulo de divergencia medido a nivel de la superfcie libre no supere los 1.2 °. n

DISEÑO DE DESARENADORES •

donde' L 4 8 longitud de la transición 9des 8 ancho del desarenador a nivel de la superfcie libre 9can 8 ancho del canal a nivel de la superfcie libre


(8MARA DE SEDIMEN7A(I9N s la nave en la que las particular sólidas decantan debido a la disminución de la velocidad de :u,o producida por el aumento de la sección transversal. n el dise3o hidráulico de la cámara de sedimentación normalmente se sigue el siguiente procedimiento' • D#:"etro 'e '#se;o 'el 'esarena'or debe seleccionarse de modo de garantizar que toda partícula mayor o igual al diámetro de dise3o

DISEÑO DE DESARENADORES n el caso de centrales hidroeléctricas! el diámetro de dise3o usualmente se selecciona de acuerdo a la altura de caída de la central. ;sí! se tiene los siguientes valores sugeridos del diámetro de dise3o (d) en "unción de la altura de caída (&)' & < 1-- 8 -- m d < -./ mm 

& < -- 8 =-- m d < -.2 mm & < =-- 8 2-- m d < -.= mm & < 2-- 8 1--- m d < -.1 mm 





DISEÑO DE DESARENADORES l diámetro de dise3o también puede ser seleccionado en "unción al tipo de turbina a utilizar. n este caso! se tiene'  4urbina ?aplan' 1 8 = mm  4urbina @rancis' -.= a 1 mm  4urbina 7elton' -.1 a -.= mm


1 mm



a < =/

7ara -.1 C d C 1 mm



a < DD

7ara d C -.1 mm

a < 21


%abe observar que conocido el caudal que circulará por la nave de desarenación y defnida la velocidad de :u,o! es posible determinar el área que debe tener la sección :u,o' ; < E 0 5. 7or otra parte! si se toma en cuenta que normalmente la relación ancho vs altura (9 vs &) +til del desarenador se encuentra entre  y =! una vez determinada el área es posible hallar la altura. ;sí! si por e,emplo' 9 < .2& ; < .2 &! de donde'

DISEÑO DE DESARENADORES #e recomienda que la altura +til de un desarenador se encuentre entre 1.2 m y D m. #i al e"ectuar los cálculos se determinara un valor de & mayor a D m! es recomendable distribuir el caudal total en un n+mero mayor de naves de desarenación. %on el ob,eto de "acilitar el lavado concentrando las partículas hacia el centro del desarenador conviene que el "ondo de la sección transversal no sea horizontal sino que tenga una inclinación hacia


<#sta 'e na6e 'e se'#"entac#3n 'e 'esarena'or. O+s>r6ese la #ncl#nac#3n 'el on'o %ac#a la 4arte central.


ong#tu' 'el Desarena'or La longitud que debe tener el desarenador para garantizar la decantación de la partícula de dise3o o cualquier partícula de mayor tama3o! se obtiene a partir de la siguiente relación' L<5&0G donde' 5 8 velocidad media de :u,o en el desarenador & 8 altura +til del desarenador (usualmente & <

DISEÑO DE DESARENADORES La velocidad de sedimentación! en medios en reposo! Go! puede determinarse mediante la aplicación de los siguientes métodos'

a 7a+la 'e Ar?angels?# 7roporciona directamente el valor estimado de la velocidad de sedimentación! a partir del tama3o de partícula'


7a+la 'e Ar?angels?#


+E@4er#enc#as 'e Seller#o #e presentan en el siguiente gráfco! el cual permite igualmente hallar la velocidad de sedimentación en "unción del tama3o de partícula.

DISEÑO DE DESARENADORES %omo puede observarse en el gráfco anterior! la recta determinada por #ellerio pasa por el origen y! además! para d < 1mm se tiene que G o < 1cm0sH con lo cual! la pendiente de la recta es 1-. e esta manera! la velocidad de sedimentación para cualquier tama3o de partícula puede obtenerse! seg+n este método! con la relación' Go (cm0s) < 1- d (mm)


c E@4er#enc#as 'e Su'r& se sintetizan en el nomograma siguiente que permite calcular la velocidad de sedimentación G o (en m0s) en "unción del diámetro (en mm) y del peso específco del agua (ρG en gr0cm=).


E@4er#enc#a s 'e Su'r&


;l observar la gráfca planteada por #udry! se aprecia que comprende esencialmente tama3os de partícula mayores (de hasta =.2 mm)! mientras que para partículas peque3asH como las consideradas en el dise3o de desarenadores! no presenta una adecuada precisión.

' a 3r"ula 'e Scott#-olgl#en# se eIpresa como' donde'


e Gr:ca 'e Al+ertson La gráfca de ;lbertson permite encontrar la velocidad de sedimentación en "unción de tres variables' tama3o de partícula! "actor de "orma (que toma en cuenta la "orma de las partículas sólidas prevalecientes) y la temperatura del agua (lo cual tiene incidencia en la viscosidad del :uido). %abe indicar que para partículas provenientes del cuarzo! usualmente se considera un "actor de


Gr:ca 'e Al+ertson

DISEÑO DE DESARENADORES •

3r"ula 'e OBens La "órmula de KGens se eIpresa mediante la siguiente relación' donde' Go 8 velocidad de sedimentación! en m0s d 8 diámetro de la partícula! en m ρ# 8 peso específco del material! en g0cm =

DISEÑO DE DESARENADORES  8 constante que varía de acuerdo con la "orma y naturaleza de los granos. Los valores sugeridos de  se muestran en el siguiente cuadro'

DISEÑO DE DESARENADORES •g M>todo de la fuerza de arrastre de esferas: En este caso, se hace uso de la f órmula:

wo

=

4 ∆ gD 3

C

D donde: wo 8 velocidad de sedimentación de la partí cula en un medio en reposo ∆ - densidad relativa sumergida: D < d 6 diámetro de la partí cula de dise3o CD - coeficiente de arrastre de esferas, el cual se obtiene del

siguiente gr áfico:


Gr:ca 'el (oec#ent e 'e Arrastre 'e Eseras

DISEÑO DE DESARENADORES • El procedimiento a seguir para la determinación de la velocidad de sedimentación mediante el método del coeficiente de arrastre de esferas se resume en los siguientes pasos: • Asumir un valor de wo • Calcular el nmero de !e"nolds: #a viscosidad cinem$tica del agua, ν, usualmente es %&-' m()s • Con !e ir al gr$fico " hallar C D 4 ∆ gD • *allado CD, calcular wo con la ecuación: wo = 3 C D • +erificar si wo hallado coincide con el wo asumido de no ser as, repetir el proceso.


% e& 'e Sto?es 7uede aplicarse para el caso de partículas es"éricas peque3as ( C 2- µm) y un n+mero de eynolds ba,o (e C 1). 9a,o estas condiciones! el coefciente %  del método del coefciente de arrastre de es"eras está dado por' % < D0e. %on ello! la velocidad de sedimentación resulta igual a'

DISEÑO DE DESARENADORES Las velocidades de sedimentación determinadas por cualquiera de los métodos anteriores (G o)! deben ser corregidas para tomar en cuenta la turbulencia de la corriente! pues si bien la velocidad de :u,o en un desarenador es ba,a! de todos modos el medio :uido no se encuentra en reposo. e este modo! el valor de la velocidad de sedimentación (ω) a utilizar en el cálculo de la longitud del desarenador (L) debe considerar la corrección dada por alguno de los siguientes

DISEÑO DE DESARENADORES • n "unción de la velocidad' ω < ωo 8 -.-D 5 • e acuerdo al método de #oolov' ω < ωo 6 -.12 ωo • #eg+n ghiazaroM' • #eg+n 9estelli y Levin' Levin plantea la siguiente reducción de velocidad' ω < ωo 6 α 5 donde el coefciente α es propuesto por 9estelli

y se obtiene a partir de la siguiente relación'

DISEÑO DE DESARENADORES %abe también indicar que! alternativamente! en el caso de desarenadores de ba,a velocidad! se puede corregir la longitud del desarenador calculada en base a la velocidad teórica de sedimentación en medio en reposo! G o! haciendo uso de un coefciente ?! el cual se selecciona en base a la velocidad de escurrimiento. e esta manera! donde ? se obtiene de la siguiente tabla'


actor 'e a"4l#cac#3n 4ara el c:lculo 'e la long#tu' 'el 'esarena'or, 'eter"#na'a en unc#3n a la 6eloc#'a' 'e se'#"entac#3n 'e las 4artículas en re4oso

DISEÑO DE DESARENADORES La tabla anterior puede eIpresarse mediante el gráfco mostrado! donde se aprecia que' ? < .2N5 O -.J2


(r#ter#o Est:n'ar 4ara el D#se;o 'e Desarena'ores 4ara *() en el A"+#to Rural %abe indicar la eIistencia de un criterio estándar de dimensionamiento de desarenadores para peque3as centrales hidroeléctricas (7%&) a ser proyectadas en el ámbito rural. l planteamiento "ue "ormulado en los a3os PF- por 4suguo Qozai! eIperto ,aponés que durante varios a3os desempe3ó la labor de asesor de lectro7er+ para propósitos energéticos. e acuerdo con esta metodología estándar! se


*lanta 'e Desarena'or 7í4#co


Ele6ac#3n & Secc#ones 'e Desarena'or 7í4#co


D#"ens#ona" #ento 'el 'esarena'or est:n'ar en unc#3n 'el cau'al 'e '#se;o


DISEÑO DE DESARENADORES l caudal sobre el vertedero se determina con la "órmula' donde' E 8 caudal! en m =0s % 8 coefciente de descarga' % < 1.FD en el caso de cresta aguda y % < .- para el caso de perfl %reager L 8 longitud de la cresta! en m & 8 carga sobre la cresta del vertedero! en m


SIS7EMA O (OM*ER7A DE *RGA #irve para desalo,ar los materiales depositados en el "ondo del desarenador. 7ara "acilitar el movimiento de los sedimentos hacia la compuerta de purga! normalmente se le da al "ondo del desarenador una pendiente comprendida entre el R y /R. Las dimensiones de la compuerta de purga deben ser calculadas considerando que! para una purga efciente! la velocidad de descarga debe estar comprendida entre = y 2 m0s.

DISEÑO DE DESARENADORES &ay que asegurarse que el "ondo de la compuerta de purga se encuentre en un cota sufcientemente alta respecto del punto de descarga fnal en el río! asegurando que la pendiente longitudinal sea sufciente para para obtener una velocidad de :u,o capaz de arrastrar los sedimentos. Suchas veces esta condición! además de otras posibles de índole topográfca! impide colocar el desarenador inmediatamente después de la toma! que es la ubicación ideal! obligando a desplazarlo aguas aba,o en el canal.


D#"ens#ona"#ento 'e la co"4uerta 'e 4urga #uponiendo una compuerta cuadrada de lado l! el área será' ; < l. La compuerta "uncionará hidráulicamente como un orifcio! siendo su ecuación'

DISEÑO DE DESARENADORES donde' E 6 caudal a descargar por el orifcio %d 6 coefciente de descargaH %d < -./- para orifcios de pared delgada ;o 6 área del orifcio! en este caso igual al área ; de la compuerta & 6 carga sobre el orifcio! medido desde la superfcie libre del agua hasta el centro del orifcio g 6 aceleración de la gravedad! T.F1 m0s 

DISEÑO DE DESARENADORES (:lculo 'e la 6eloc#'a' 'e sal#'a La velocidad de salida se determina mediante la relación' 5 < E0;o donde' 5 6 velocidad de salida por la compuerta. ebe estar comprendida entre = y 2 m0s! para asegurar una purga efciente y por otro lado! prevenir cualquier e"ecto erosivo en el concreto! el cual puede empezar a producirse con velocidades por encima de / m0s E 6 caudal descargado por la compuerta


SIS7EMA DE *RGA DE OS DESARENADORES Los sistema de purga de los desarenadores normalmente empleados son los siguientes' • 9Uchi • u"our • 9ieri

DISEÑO DE DESARENADORES • Sistema Convencional BCchi: En este caso, el desarenador consiste de una o m ás naves de decantaci ón longitudinal, /ue tienen la suficiente longitud 0ver secci ón previa1 para garanti2ar la retenci ón " decantación de las part í culas sólidas. #os sedimentos se depositan en el fondo del desarenador " son purgados cuando se abre la compuerta de purga.


DISEÑO DE DESARENADORES • Sistema de Purga Dufour: En este caso, el desarenador se dispone una re3illa hori2ontal /ue atrapa los sedimentos, previniendo su eventual retorno.


S#ste"a 'e *urga !#er#

l sistema de purga 9ieri 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. e este modo! el volumen de agua para purga es reducido al mínimo posible. La disposición de sensores permite una operación completamente automática.




O4erac#3n 'el 'esarena'or !#er#


(ANA DIE(7O 3 !-*ASS s 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 e"ect+a en un tiempo corto! pero! si por razones de inspección o mantenimiento es necesario vaciar la cámara del desarenador! el canal directo o by6pass permite que el servicio de la %.&. no se suspenda. n el caso que el desarenador tenga dos o más naves de desarenación! el canal directo ya no se


<#sta 'e 'esarena'or #nclu&en'o canal '#recto 3 +&-4ass

Ee"4lo 'e D#se;o 'e Desarena'or




Diseño de desarenadores

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