DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
TEMA:
3.' CONSIDERACIONES PARA EL DISE"O HIDR%ULICO IV. IV. SIMULACION NUMÉRICA DE DESARENADOR PARA PARA UN NUEVO SISTEMA DE LAVADO LAVADO V.EJEMPLO APLICATIVO
“DESARENADORES” GRUPO N°6
INTEGRANTES: ARISTA ARÉVALO ARÉVALO SAMIR QUESQUE ISIQUE WILLIAN PERLECHE SECLEN JUAN CARLOS
INTRODUCCIÓN:
ÍNDICE
Los desarenadores desarenadores son obras hidr áulicas que sirven para para sepa separa rarr (dec (decan anta tar) r) y remo remove verr (eva (evacu cuar ar)) después, el material sólido que lleva el agua de un canal. El mate materirial al sóli sólido do que que se tran transp spor orta ta ocas ocasio iona na perjuicios a las obras.
I.- INTRODUCCIÓN II.OBJETIVOS III.- DESARENADORES 3.1. DEINICION: 3.1.1. UNCIONES DEL DESARENADOR 3.!. UNDAMENTOS DEL DISE"O DE UN DESARENADOR. 3.!.1. PRINCIPIOS DE UNCIONAMIENTO DE UN DESARENADOR.
II. II .
OBJET OB JETIVO IVOS: S: !las !lasma marr los los conc concep epto toss sobr sobree el "unci "uncion onam amie ient ntoo #idraulico de un $esarenado. %n&or n&orm mar sobre obre los "und "undam amen enttos, os, Elem Elemeentos ntos y 'riterios a utiliar en el $iseo de un $esarenador #idráulico.
3.!.1.1. HIDRAULICAMENTE. III. III . DESARENA DESA RENADORE DORES: S: 3.!.1.!. III.1. III .1. DEINICI DEI NICION: ON: SEDIMENTTOLOGICAMENTE. 3.!.!. EVOLUCION. *on las estructuras que permiten eliminar ciertas 3.!.!.1. CAMARAS DE part+c rt+cuulas las más más &in &inas de los los sólid ólidos os que que se DECANACIÓN. 3.!.!.!. DESARENADORES. encuentran en suspensión en la masa de &luido. 3.3. ELEMENTOS DE UN 'uando se capta agua de un r+o inevitablemente DESARENADORES. esta estare remo moss tamb tambié iénn capt captan ando do sedi sedime ment ntos os en 3.3.1. TRANSICIÓN DE ENTRADA. suspensión y de arrastre. 3.3.!. NAVES DESARENADORAS. Los desarenadores tienen la importante misión de 3.3.3. CONTINUIDAD DE SERVICIOS. 3.#. TIPOS DE DESARENADORES. elim limina inar las part+c rt+cul ulaas indes desead eadas que se 3.$. ESTUDIOS IMPORTANTES PARA EL encuentran en suspensión en el agua y posterior, DISE"O mediante una adecuada acción arrojarlas al r+o. 3.$.1. INORMACIÓN B%SICA PARA EL DISE"O. III.1.1 III .1.1.. UNCION UNC IONES ES DEL 3.$.!. PARA EL DIMENSIONAMIENTO DESARENADOR. DE UN DESARENADOR DEBERAN DETERMINARSE LOS SIGUIENTES PAR%METROS DE DISE"O. L $E'-'%/-0 $e una parte de las part+culas 3.&. CRITERIOS DE DISE"O. sólidas, acarreadas en suspensión por la corriente
de un canal .!ara lograr la primera &unción se busca Msc. Ing José Arbulú Ramos
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crear en el desarenador velocidades bajar y disminuir el grado de turbulencia. !1230 del material sólido decantado. !ara que el desarenador pueda realiar e&icamente su segunda &unción, debe crearse las condiciones para lograr durante la purga su&iciente cantidad de transporte y lograr que los sólidos sedimentador se dirijan hacia las ventanas, ori&icios o conductos de purga.
III.!. UNDAMENTOS DEL DISE"O DE UN DESARENADOR.
El &undamento principal de diseo es disminuir la velocidad del agua, para que logren sedimentar las part+culas en suspensión en una estructura que sea capa a la ve, de ser limpiada en &orma rápida y económica.
Limpiea uni&orme de las naves desarenadoras. 3.!.!. EVOLUCIÓN. Lo que determina la evolución del desarenador en la &orma como son evacuados los sedimentos.
3.!.!.1. CAMARAS DE DECANACIÓN. En un inicio se usaban ésas estructuras &ormadas por taas, donde la decantación y la e4tracción de los depósitos eran dos operaciones sucesivas . 3.!.!.!. DESARENADORES. En un primer tiempo, en las tomas de agua para irrigación se iniciaron con los llamados desarenadores en corrientes con velocidades lentas, caracteriadas por una baja velocidad de escurrimiento, entre 5.6 y 5.7 m8s. !osteriormente con la aparición de las grandes centrales hidroeléctricas y surgiendo necesidad de mantener secciones de ciertas dimensiones, sobre todo en t9neles, se piensa en velocidades de hasta :.5 y :.; m8s. III.3. ELEMENTOS DE UN DESARENADORES. 1.
Entrada de transición, el cual conecta
el canal con el desarenador.
III.!.1. PRINCIPIOS DE UNCIONAMIENTO DE UN DESARENADOR.
2.
III.!.1.1. HIDRAULICAMENTE. $istribución uni&orme el caudal en las naves desarenadoras. L+neas de corriente paralelas, por lo tanto sin vórtices de eje vertical u horiontal. -o causar remanso en el canal agua arriba.
*eg9n $ubuat los l+mites de velocidad bajo qué agua cesa para arrastrar varias materias son0
III.!.1.!. SEDIMENTOLOGICAMENTE.
*edimentación de los materiales en suspensión. Evacuación al e4terior de los depósitos. Msc. Ing José Arbulú Ramos
Cámara de Sedimentación , en el cual
caen al &ondo part+culas con ca+da &uerte, debido a la disminución en la velocidad causada por un aumento de sección transversal
< < <
rcilla a 5.5=: m 8 s !ara arenas 5.:75 m 8 s !ara gravas 5.6:7 m 8 s
3. Vertedero , el e4tremo de la cámara es un
vertedero en el cual se construye para que el agua pasa al canal limpio Las capas superiores son los primeros en ser limpiado es la raón por IN. CI!IL !III CICLO
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la salida de agua del desarenador se hace a través de un vertedero, que en lo posible debe trabajar con descarga libre. $e la ecuación de un vertedero rectangular sin contracciones0
$ónde0 > ? "lujo (m@ 8 s) ' ? :.=A (cresta aguda) ' ? 6.5 ('reager per&il) L ? longitud del cresta(m) h ? 'abea sobre el vertedero (m) . Com!"erta de #a$ado o #im!ie%a , suele
sacar material depositado en el &ondo. !ara &acilitar movimiento de arena hacia la puerta, el desarenador está dado un gradiente &uerte hacia abajo de 6B a 7B. La pro&undidad del e&ecto creciente obtenido por este gradiente no es incluido en el cálculo del desarenador, pero el volumen adicional está tomando obtuvo como reservorios para la arena sedimentada entre dos lavados sucesivos 3eneralmente, cuando el lavado del desarenador se realia, los amortiguadores de entrada están cerrados. *in embargo, el desarenador de alimentación de emergencia se debe vaciar incluso con estas puertas abiertas. !or esta raón, el lavado de compuertas debe ser diseado para un caudal igual al canal má4imo por lavado obtenido dividiendo el volumen del desarenador para el tiempo de lavado. &. Cana' (e #im!ie%a , para el que sirve al
vaciar el desarenador. El lavado se lleva a cabo generalmente en un corto per+odo de tiempo, pero si cualquier motivo, reparación o inspección, es necesario secar la cámara del desarenador, el canal directo a su contorno, permite que el servicio no se detenga. !ara ello, la entrada de dos puertas, una de las entradas Msc. Ing José Arbulú Ramos
para el desarenador y se coloca otra para el canal directo. III.#. TIPOS DE DESARENADORES Existen tres tipos de desarenadores fundamentales:
III.#.1. DESARENADORES DE LUJO HORI(ONTAL: 'onsisten en un ensanchamiento del canal del pre tratamiento de &orma que se reduca la velocidad de &lujo y decanten las part+culas. l reducirse la velocidad las part+culas se sedimentan cuando son transportadas por el agua. $ebe disearse con un canal paralelo para proceder a su limpiea que se realia manualmente. III.#.!. DESARENADORES DE LUJO VERTICAL: El &lujo se e&ect9a desde la parte in&erior hacia arriba. Las part+culas se sedimentan mientras el agua sube. !ueden ser de &ormas muy di&erentes0 circulares, cuadrados o rectangulares. *e construyen cuando e4isten inconvenientes de tipo locativo o de espacio. *u costo generalmente es más elevado. *on muy utiliados en las plantas de tratamiento de aguas residuales. III.#.3. DESARENADORES DE LUJO INDUCIDO: *on de tipo rectangulares aireados. En estos equipos se inyecta aire por medio de grupos motosoplantes creando una corriente en espiral de manera que permite la decantación de las arenas y genera una corriente de &ondo. demás el aire provoca la separación de las materias orgánicas. $e esta &orma, dado que el depósito está aireado y se &avorece la separación de la materia orgánica, se reduce la producción de malos olores.
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•
•
III.$. ESTU DIOS
Velocidad de paso por el "ertedero de dalida o carga idráulica unitaria #" (m$/s). Temperatura del agua predominante en periodos frios (T% &).
III.&. CRITERIOS DE DISE"O
IMPORTANTES PARA EL DISE"O. III.$.1. INORMACION BASICA PARA EL DISE"O.
III.&.1. DESARENADORES CON INES DE IRRIGACION: La mayor parte de estos desarenadores se disean para e4traer, de la masa &luida, part+culas iguales o mayores a 5.6 mm.
Nombre Ca"da' de (ise)o* Las unidades en una planta
de tratamiento serán diseadas para el caudal má4imo diario Ca'idad +isico,"-mico de' a"a* $ependiendo
de la calidad del agua cruda, se seleccionarán los procesos de pre tratamiento y acondicionamiento previo Caracter-sticas de' c'ima* Cariaciones de
temperatura y régimen de lluvias.
III.$.!. PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE UN DESARENADOR DEBERAN DETERMINARSE LOS SIGUIENTES PARAMETROS DE DISE"O: • •
•
Tamaño de la particula inorgánica Velocidad de sedimentación de las partículas minerales Us (cm/s). Velocidad de escurrimiento ori!ontal U en la !ona de desarenacion.
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Arcilla Limo fino Limo medio Limo grueso Arena fina Arena media Arena gruesa Grava
Tamaño en mm. Menor que 0.002 0.002 a 0.006 0.006 a 0.02 0.02 a 0.06 0.06 a 0.2 0.2 a 0.6 0.6 a 2 2 a 100
Tab 13. Clasificación del suelo por el tamaño de sus partículas.
III.&.!. DESARENADORES PARA CENTRALES HIDROELECTRICAS.
-o e4iste hasta una pro&unda investigación para determinar el diámetro má4imo de sedimento, que deberá pasar por una turbina sin que acelere el desgaste. Los criterios que actualmente se utilian son los que &iguran en las siguientes tablas0 IN. CI!IL !III CICLO
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abla :A. $iámetro má4imo de la arena seg9n el tipo de turbina de la central hidroeléctrica. ipo de turbina !elton "rancis Daplan
$iámetro má4imo de arena 5.6 mm a 5.A mm 5.A mm a : mm : mm a @ mm
abla :;. $iámetro má4imo de la arena en &unción a la altura de ca+da. ltura de ca+da ayor a ;55 m @55 a ;55 m 655 a @55 m :55 a 655 m enor a :55 m
$iámetro má4imo de arena 5.: mm a 5.@ mm 5.@ mm a 5.; mm 5.; mm a 5.7 mm 5.7 mm a :.5 mm %.: mm a @.5 mm
III.&.3. PROCESO DE SEDIMENTACION. El agua estancada es el estado óptimo para permitir la sedimentación, pero las condiciones económicas y de continuidad de servicio obligan a utiliar procedimientos más e&icaces para su tratamiento. Es por esto que se presenta un análisis del proceso que sigue una part+cula al sedimentar. 1no de los parámetros más importantes en el estudio de la sedimentación es el cálculo de la velocidad de ca+da. /. 0"er%as ,"e actan sore 'as !art-c"'as s"s!endidas en a"a tran,"i'a cá'c"'o de 'a $e'ocidad de ca-da.
*e pueden considerar tres &ueras principales que act9an sobre una part+cula0
!eso de la part+cula (!) Empuje del agua sobre la part+cula (E).
"uera de resistencia a la ca+da ( F d ), que
depende de la &orma de la part+cula. *eg9n las leyes dinámicas0
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ω
√
?
2 gC 2 D
( ρs − ρ)
C d C 1 ρ
4. Ve'ocidad de ca-da.
ω
ρ (¿ ¿ s− ρf ) g ϕ4 ρ
?
F
Re
,
√ ¿
S ρ
,
f r Ds ω
ρs
G d
, ρf
0.5
ω
0 Celocidad de ca+da
ρf
0 $ensidad del &luido
ρs
0 $ensidad de la part+cula
μ
0 Ciscosidad dinámica del &luido
Ds
0 $iámetro de la part+cula
S p
0 "actor de &orma de la part+cula
f r
0 "recuencia de oscilación o volcamiento de la part+cula. Sr 0 2ugosidad de la super&icie " 0 !eso de la part+cula sumergida en agua C. 0orm"'a de R"e.
Esta &órmula es actualmente muy utiliada y su ventaja sobre otras &órmulas radica en que tiene en cuenta más parámetros que in&luyen sobre la velocidad de ca+da. ω
?
√[ ] 2 3
ρ s− ρ p
2
gd +
36 μ 2
ρ d
2
−
6 μ
ρd
IN. CI!IL !III CICLO
DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS ω
0 Celocidad de ca+da
ρs
0 $ensidad de la part+cula
ρ
0 $ensidad del agua
μ
0 Ciscosidad dinámica
d
0 $iámetro de la part+cula
(. 0orm"'a de Sto5es.
ω
F m
?
3 πμ D s
3.7 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO 3.7.1 Contenido de materia Susendida 'uando los componentes de planta que vienen a contacto con el agua como válvulas de desliamiento, tubos de presión, turbinas, motores y cubiertas está destruido por la materia suspendido, es necesario de determinar su concentración y composición.
ω 0 Celocidad de la part+cula en agua
calma Ds
0 $iámetro de la part+cula
μ 0 'oe&iciente de viscosidad dinámica
F m
0 "uera que tiende a hacerle mover
E. Uicación de' desarenador.
!ara seleccionar la ubicación del desarenador se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones.
Lo más cercano posible a la bocatoma. 'ota topográ&ica que permita evacuar los sedimentos de purga al r+o. Lo más cercano al r+o. Hona plana para evitar &uertes movimientos de tierra. "uera de una ona de derrumbes o inundación.
En general, la materia en suspensión se encuentra para compuesto de part+culas de di&erentes tamaos. En los r+os de las tierras bajas , las part+culas coloidales puede ser de diámetros del barro &racción a la &racción de arena (& 5,556 mm a 5,6 mm o I : mm), mientras que en r+os de montaa con pendientes pronunciadas, los tamaos de part+cula pueden ser del orden de 6 a @ mm ".#.$ M%&'&a &%l D%sar%na&or
La medida de desarenado se e4presa por la relación de la concentración de materia en suspensión de la agua desarenada para 'perm generación de energ+a. la concentración de materia en suspensión ' del r+o agua que no ha sido desarenada 3rado de desarenado ? :55 'perm.8' (enB) ".#." D%(%rm'nac')n &%l grano*l+m'(% &%
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DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS m%&'&a
'on respecto a los criterios antes mencionados y los requisitos de la operación, la indicación de la diámetro de part+cula sirve para de&inir un tamao l+mite de la materia en suspensión que sólo se acaba permitió depositar. !or e4periencia se puede suponer que0 J centrales eléctricas de baja altura dlimit. ? 5.6 to 5.; mm J centrales eléctricas de media y alta altura dlimit. K 5.: a 5.6 mm J de :55 m de altura a más0 dl+mit. 5.5: 5.5; mm ".#., D%(%rm'nac')n &% las &'m%ns'on%s &% D%sar%na&or%s
!. SI"ULACION NU"#RICA DE DESARENADOR PARA UN NUE$O SIS%E"A DE LA$ADO Bsicamen!e" un desarenador re#resen!a una cuenca de resolver qu$ es! generado #or un canal rec!o % anc&o. A lo largo del canal" la secci'n de cru( es normalmen!e man!enida cons!an!e de reducir el efec!o de !urbulencia. )l #arme!ro significa!ivo de una !ram#a de arena es su velocidad de flu*o mala. )l sedimen!o con!inuamen!e resuelve en la cuenca % es es#ordicamen!e sacado #or un a#ro#iado sis!ema de lavado +Bouvard 1,,2-.
$ebido a una ampliación de la sección transversal, el agua que &luye desarenador es tan lenta que las part+culas de materia en suspensión ya no se pueden mantener en suspensión. Las part+culas de agua que entran y las part+culas de materia en suspensión transportados por ellos horiontalmente a una velocidad incluso debe alcanar el &inal de la cuenca sólo cuando se ha completado el proceso de hundimiento, es decir, el tiempo de hundimiento deben ser más corto que el tiempo de paso.
ara verificar la eficiencia &idrulica de la !ram#a de arena /ufour" la ins!alaci'n de dos cuencas eis!en!es en el Mrel en 3iesc&" 4ui(a" fue elegido como ob*e!o de referencia. )s!a !ram#a de arena &a sido cons!ruida en 1,52. Las descargas mnimas % mimas son de 7 % 12 m8 9 s #ara cada cuenca. :omo #rimer #aso" un enro*ecimien!o reducci'n se llev' a cabo en la cuenca. Sección Longitudinal de desarenador. Curva de camino esquemático de una partícula de arena
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fondo referencial>
2?2.00 msnm
1.1.carac!eris!icasidrulicas del :anal de en!rada
)l ma!erial de#osi!ado no fue com#le!amen!e evacuado" incluso duran!e el lavado re!iro" de manera que los de#'si!os res!an!es !enan que ser lavados con un #equeño flu*o suminis!rado #or a#er!ura de la #uer!a de aguas arriba. La 3igura 5 mues!ra los de#'si!os res!an!es en el ecluidor de sedimen!os % el lavado final con una #equeña la descarga
@ 7"00 m89s b 21"00 m A#licando Manning
C n
04 0"02 0"015
'( 1.7) m 1.2.:arac!eris!icasidrulicas del :anal de salida @ b
0"00 m89s C 0 4 0"02 88"00 m n 0"015 '( 1.)* m
2. :alculo de la velocidad de flu*o +DA#licando la formula de :AM
CONCLUSIONES ;n nuevo sis!ema de lavado que #uede ser in!egrado en eis!ir /ufour !ram#as de arena &a sido diseñadas % #robado num$ricamen!e. Los simulacros mues!ran la eficacia &idrulica del diseño nuevo. ;n mimo lavado descarga de alrededor de 1 m8 9 s en com#araci'n con el doble del vie*o sis!ema" que se requiere #ara #ermi!ir evacuaci'n de sedimen!os adecuada sin lavado reducci'n % el cierre de la !urbina. )n conclusi'n" o!ros e#erimen!os fsicos seran validar los resul!ados num$ricos.
$. E&E"PLO APLICA%I$O /iseño de un desarenador con los m$!odos de
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a cons!an!e en funci'n del dime!ro d dime!ro de la #ar!cula #ara> d 0"7 mm !enemos> a 55
segEn
!abla
31*11 V) +,
8. :alculo de la dimensiones /esarenador +Frea Transversal-
1$/*// A) ,,!
5. Al!ura ne!a de sedimen!aci'n del /esarenador H('( 1.7) m IN. CI!IL !III CICLO
del
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7. Anc&o del /esarenador
+(
,)-71! m
6. Longi!ud es!imada del /esarenador ' *+ ' ,-,$ 0sumimos
L)
3/ ,
. :alculo de la velocidad de caida!eorica con eficiencia del 100 Ho D I + 9 L Ho 0"02, m9s Ho 2,"1 mm9s
)n!onces> incremen!amos longi!ud del desarenador
L(
?. :alculo de la velocidad de caida +H-
3,- m
a-. :alculo de la velocidad de caida!eorica con eficiencia del 100 ara>
ara>
J 0"2 mm H 0"021 m9s H 20"7 mm9s J 0"7 mm H 0"075 m9s H 78",7 mm9s
,. :ons!ruccion de la Tabla #ara ingresar al diagrama de :AM
Ho D I + 9 L Ho 0"028 m9s Ho 28"08 mm9s b-. :alculo de la velocidad de caida +H-
ara>
J 0"2 mm H 0"01, m9s H 1?",7 mm9s
ara>
J 0"7 mm H 0"075 m9s H 78",7 mm9s
10. :lculo de la longi!ud de la !ransicion>
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'T 't 4 'p 4 '
Lt entrada ( 7*- m Lt sa/ida( 7*- m 11. :lculo de la longi!ud del ver!edero al final del Tanque>
& 1"00 m c 2 !i#o #erfil creager
L% ( 1)4-1 m 16. :alculos de la cada de fondo s 2"0 1-!54 m 1. :alculo de la #rofundidad del desarenador fren!e a la com#uer!a de lavado 0)Q245
L0 ( 3, m 12. :lculo del angulo cen!ral K % el radio < con que se !ra(a la longi!ud del ver!edero> L 2 < K 9 860 < 1?0 L 9 K :os K +< = b- 9 < < b9+1 = cos K1 /(, 2 cos1 ) = 180 L / 3
Ca/u/o de 2 K 71"0?
&
1"7 m
H(
3-41 m
1?. :alculo de la al!ura de la cres!a del ver!edero con res#ec!o al fondo &c = 0.27 6 ( 4-*5 m 1,. :alculo de las dimensiones de la com#uer!a de lavado
Ca/u/o de R
:d 0"6 Ao ( 14-4 m4
< 52"1 m 18. :alculo de la longi!ud de la #ro%eccion longi!udinal del ver!edero> 4enK L1 9 < L1 < 4enK L1 ( 34-7 m 15. :alculo de la longi!ud #romedio>
20. calculo de la velocidad de salida
$(
21. :alculo de las dimensiones del canal de lim#ia % 1"667m b 8"88 % 1"6 f 0"50
L# + Lv L1- 9 2 L ( 3)-1 m 17. :alculo de la longi!ud !o!al del desarenador> Msc. Ing José Arbulú Ramos
41-!, ms
D @9A
3-,7
m9seg7 m9segOP
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