Cap 8 Toma de Captacion

5/17/2018 Cap 8 Toma de Captacion - slidepdf.com

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Capítulo 8Toma de Captación

S. Santos H. DISEÑO HIDRAULICO

VIII. TOMA DE CAPTACION

8.1 Definición Denominaremos la Toma de Captación (Fig 8.1) el 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.

Fig 8.1 Toma de Captación

10.2 Desripiador o Cámara de Decantación

Es una estructura que está situada a continuación de la ventana de captación y su funciónes 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 la 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.

Compuerta deRegulación

Compuertade Limpia

Transición

Rejilla

Desripiador





Fig 8.2 Desripiador

Longitud de Resalto Sumergido )*(5.2 12

'

2 d d d L −= Ec 8.1

d 1: tirante conjugado menor del resalto hidráulico (de Ec 8.5)d 2: tirante conjugado mayor del resalto hidráulicod’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 tantoes 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

( )5.12tg2

12 bb L

−= 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.

Compuertade Limpia





La pérdida en la superficie de agua esta dada por:

Tabla 8.1 Coeficiente C

3.8)1(

2

2

2

2

1 EchC z

g

V V h +=

−=

Vertedero SumergidoSe calculará con la Ec 3.1 para vertederos sumergidos dado en el Cap 3 (Ventana deCaptación)

10.3 Aliviadero de Demasías

Es una estructura hidráulica de protección, que se ubica en uno de los lados del canal ycuya función es el de verter fuera de la estructura de conducción cualquier exceso de aguaque resulte del ingreso de agua por avenidas ó mala operación de las compuertas deregulación. (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 lacarga de energía en el canal aguas abajo del vertedero lateral y puede ser asumido comoconstante. Así las pérdidas de carga por fricción pueden despreciarse.

Las hipótesis que se utilizan para la deducción del caudal en el vertedero lateral, son lassiguientes:

Tipo de Transición C

En curva 0.10

Con cuadrante de círculo 0.15

Recta 0.30





1. La suma de las energías en cualquier sección a lo largo de la cresta vertedora es

constante. cteg

V y E E Eo =+===

2

2

1

2. El perfil de la lámina vertiente sobre el vertedero sigue una ley lineal, esto no induceerror considerable.

3. El coeficiente de gasto a lo largo del vertedero es constante y se acepta que su valor esel promedio de considerar su variación según las cargas extremas.

El flujo a través de un vertedero lateral es un caso de flujo espacialmente variado condescarga decreciente. De acuerdo a Frazer,se pueden producir los siguientes cinco tiposde perfiles del flujo:

Tipo a: Condiciones críticas en o cerca de laentrada, con flujo supercrítico en el tramodel vertedero, el tirante de flujo decreciendo

a lo largo del vertedero. (Fig.8.5a)Tipo b: El tirante del flujo más grande queel crítico en la entrada, con flujo subcríticoen el tramo del vertedero, el tirante de flujocreciendo a lo largo del vertedero.(Fig.8.5b)

Tipo c: El flujo del Tipo a en el inicio delvertedero, con un resalto hidráulicoocurriendo en el tramo del vertedero, y el

flujo del Tipo b después del resalto, con unnivel de energía menor debido a las pérdidas ocasionadas por el resaltohidráulico. (Fig.8.5c)

Tipo d: El tirante del flujo más pequeño queel crítico en la entrada, con flujosupercrítico en el tramo del vertedero, eltirante de flujo decreciendo a lo largo delvertedero. (Fig.8.5d)

Tipo e: El flujo de tipo d en la sección de

entrada, con un resalto hidráulicoocurriendo en el vertedero, y un flujo deltipo b después del resalto, con un nivel deenergía menor debido a las pérdidasocasionadas por el resalto hidráulico.(Fig.8.5e) Dimensionamiento

Fig 8.5 Tipos de flujo en un vertedero lateral





La longitud el aliviadero de demasías se puede aproximar con la fórmula de Forcheimer para vertederos laterales:

23

LhC K Q d = 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 lavadose 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.





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 dearrastrar 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 funcionancomo muros de contención pero son fáciles de construir. La segunda eshidráulicamente más eficiente y más económica.

El fondo de la nave tiene una pendiente horizontal ( 2-6 % ) y taludes laterales ( 1:5 a1:8 ) hacia el centro, esto facilita el lavado de las partículas, porque las concentraen el centro de la nave.

El incremento de profundidad debido a la gradiente horizontal nos se incluye en eltirante 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 aguasabajo. Las capas superiores son las que primero se limpian, es por esta razón que lasalida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hastadonde sea posible debe trabajar con descarga libre. La velocidad sobre el vertedero debería ser igual a la velocidad de sedimentación enla nave y como máximo se admite que sea de 1 m/s ya que si se tiene velocidadesmayores se puede generar turbulencia en el desarenador y se arrastraría másmateriales 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 curvaque comienza en uno de los muros laterales y continúa hasta cerca del desfogue.





CORTE LONGITUDINAL

(b)

VISTA DE PLANTA

(a)

Canal aguas arriba Canal aguas abajo

Compuerta

de Control

Compuerta

de Limpia

Canal de Limpia

S>2%, V(3-5 m/s)

Camara de Sedimentación

o Nave CentralTransición

de Entrada

Transición

de Salida

Vertedero de Salida

V = 1 m/s

S > 2%

h (1.5 - 4m)

SECCION TRANSVERSAL

(c)

Fig 8.6 Desarenador

4. Compuerta de LimpiaSirve 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 unaadecuada capacidad del colector y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia

Para lavar una cámara del desarenador se cierran las compuertas de admisión y seabren 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 através del canal directo o a través de otra cámara del desarenador. Una vez que estávacía la cámara, se abren parcialmente las compuertas de admisión y el agua que

h (1.5 a 4m)





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. Sinembargo, para casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive conestas 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 elvolumen del desarenador para el tiempo de lavado). Hay que asegurarse que el fondo de la o las compuertas esté más alto que el punto delrío al cual se conducen las aguas del lavado y que la gradiente sea suficiente paraobtener una velocidad capaz de arrastrar las arenas ( S≥ 2% ) .Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y eficaz estavelocidad debe ser de 3 - 5 m/s. Muchas veces esta condición además de otras posiblesde índole topográfica, impiden colocar el desarenador inmediatamente después de latoma, 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 efectúageneralmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparación oinspección, 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 secolocan dos compuertas, una de entrada al desarenador y otra al canal directo. En elcaso 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 sesupone que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantashidroeléctricas es de 0.25 mm. En los sistemas de riego generalmente se acepta hasta 0.5mm. En sistemas hidroeléctricos el diámetro puede calcularse en función de la altura decaída 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 al diámetro De acuerdo a tipo de turbina D (mm) Altura de caída

H (m)

D (mm) Altura de caída

H (m)0.6 100-200 1-3 Kaplan0.5 200-300 0.4-1 Francis0.3 300-500 0.2-0.4 Pelton0.1 500-1000





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

Fig 8.7 Sedimentación de una Partícula

La disminución de velocidad se logra aumentando la sección transversal y eso se produceen la nave central.

La velocidad (v) en un desarenador se considera lenta, cuando está comprendida entre0.20 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

d av = cm/s Ec 8.5

a: constante en función del diámetro

El tiempo de caída de la partícula es:w

ht

t

hw =→= (a)

El tiempo de sedimentación:w

Lt

t

Lv =→= (b)

Igualando los tiempos (a) = (b):w

hv L

v

L

w

h=→= (c)

Si se diseña una sección rectangular, el ancho del desarenador será:

hv

QbvbhQ AvQ =→== )( (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 fórmulasque de acuerdo a ciertos parámetros lograron determinar la velocidad de caída de la partícula (w), entre ellos se encuentran:

a d (mm)

51 0.144 0.1-136 1

w

v

L





Fórmula de Stokes

Para d < 0.1 mm, ( ) 2'18

1d w γ γ

ν −= m/s Ec 8.6

γ’: peso específico del material a sedimentar (kg/m3)γ: peso específico del fluido (kg/m3)ν: viscosidad del fluido (Kg.s/m2)

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

( )1−= sd k w ρ 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





Tabla 8.5 Constante k - Owens Forma y naturaleza k Arena esférica 9.35Granos redondeados 8.25Granos cuarzo d>3 mm 6.12

Granos cuarzo d<0.7 mm 1.28

Fórmula de Scotti -Foglieni

d d w 3.88.3 += Ec 8.8 w: velocidad de Sedimentación (m/s) d: diámetro de partículas (m)

Fórmula de Rubey

γ

γ γ ν ν −=∆

∆−

∆+=∆=

s

Dg DgF DgF w

3

2

3

2

11

3636

3

2Ec 8.9

Nomograma de Sudry

Fig 8.9 Nomograma de Sudry

La velocidad de caída se obtendrá sacando un promedio estadístico de los valoresobtenidos mediante las fórmulas ó de pruebas en laboratorio.





Considerando Efectos de Turbulencia

La turbulencia genera velocidades de ascenso(w’) y descenso (w) que retardan ó impulsan

la sedimentación.

Fig 8.10 Poca Turbulencia

Cuando hay gran turbulencia los sedimentosse mantienen en suspensión.

Fig 8.11 Gran Turbulencia

Longitud del tanque

Considerando efectos de la turbulencia

Fórmula de Velikanov

( )2

222

51.7

2.0

w

hv L

−=λ

Ec 8.10

( ) %100100C

CpW W f −==λ

w: velocidad de caída (m/s)v: velocidad del flujo (m/s)

λ: coeficiente de remoción (Fig 8.12)Cp: concentración de agua destiladaC: Concentración total que entra al tanque

Fig 8.12 Coeficiente De Remoción λ

w’w

h

w’f=k(w-w’)2

f=k(w+w’)

h

(w+w’) (w-w’)

y2

yy1





Para desarenadores con poca turbulencia

La ec. (c) se transforma en:'ww

hv L

−

= Ec 8.11

La velocidad w’ se puede obtener de: Eghiazaroff h

vw

3.27.5'

+

= m/s Ec 8.12

Levin: w’ = α v m/s Ec 8.13

según Bestellih

132.0=α

Para desarenadores con baja velocidad y poca turbulencia

La ec. (c) se transforma en:w

hvk L = Ec 8.14

Coeficientes para desarenadores de baja velocidad v (m/s) k

0.2 1.250.3 1.500.5 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 siguientetabla:

Coeficientes para desarenadores de alta velocidad Diámetro de granos

a eliminar (m/s)

k

1.00 1.00.50 1.3

0.25-0.30 2.0





BIBLIOGRAFIA

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2. DISEÑO DE PRESAS PEQUEÑAS – USBR

3. HIDRAULICA DE LOS CANALES ABIERTOS – Ven Te Chow4. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS – José Juárez Céspedes – Separata del IV

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6. MECANICA DE SUELOS- José Juárez Badillo – Tomo III, Mexico

7. HYDRAULICS 2 – Ir. A. Lejeune - IHE –Holanda - 1990

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