RECURSOS HIDRULICOS

DEDICATORIA

A DIOS POR HABERNOS PERMITIDO LLEGAR HASTA ESTE PUNTO Y HABERNOS DADO SALUD, SER EL MANANTIAL DE VIDA Y DARNOS LO NECESARIO PARA SEGUIR ADELANTE DA A DA, PARA LOGRAR NUESTROS OBJETIVOS, ADEMS DE SU INFINITA BONDAD Y AMOR.

A NUESTROS PADRES POR HABERNOS APOYADO EN TODO MOMENTO, POR SUS CONSEJOS, SUS VALORES, POR LOS EJEMPLOS DE PERSEVERANCIA, POR LA MOTIVACIN CONSTANTE QUE NOS HA PERMITIDO SER PERSONAS DE BIEN, PERO MS QUE NADA, POR SU AMOR.

GRACIAS.

DESARENADORESPgina 9

CONTENIDO DEL TRABAJO

INTRODUCCION04DESARENADORES:1. DEFINICION072. TIPOS DE DESARENADORES083. ELEMENTOS DE UN DESARENADOR.104. DISEO HIDRULICO DEL DESARENADOR..125. PARMETROS DE DISEO..26EJEMPLO DE APLICACIN27RECOMENDACIONES PARA SOLUCIONAR POSIBLES PROBLEMAS EN EL DISEO Y FUNCIONAMIENTO DE DESARENADORES..36CONCLUSIONES.42BIBLIOGRAFIA44

INTRODUCCIN

Los desarenadores son estructuras hidrulicas que tienen como funcin remover las partculas de cierto tamao (superior a 200 micras) que la captacin de una fuente superficial permite pasar, a fin de evitar que ingresen al canal de aduccin, a la central hidroelctrica o al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando serios problemas, disminuyendo as la capacidad hidrulica de la planta.Se utilizan en tomas para acueductos, centrales hidroelctricas (pequeas), plantas de tratamiento y en sistemas industriales.Los factores a tener en cuenta en el anlisis y el diseo de un desarenador son la temperatura, la viscosidad del agua, el tamao de las partculas de arena a remover, la velocidad de sedimentacin de la partcula y el porcentaje de remocin deseado.Para el diseo deben tenerse en cuenta algunas consideraciones como son: Las partculas se toman como distribuidas uniformemente. El flujo alrededor de las partculas es laminar. Para un acueducto no debe pasar ms del caudal mximo diario (QMD) por el desarenador. El vertedero de excesos debe evacuar el caudal en exceso al QMD. Los desarenadores normalmente estn compuestos por cuatro zonas: Entrada. Zona de sedimentacin. Salida. Zona de depsito de lodos.El no disponer de un desarenador dentro de las obras civiles genera daos, dentro de los cuales ahora mencionaremos algunos que a consideracin son importantes sin desvirtuar a los otros: Disminucin de la seccin de la conduccin (canal) por sedimentacin; esto conlleva a aumentar el mantenimiento de la obra. Disminucin de la capacidad del tanque de presin por acumulacin de materiales slidos, debido a la sedimentacin, ocasionada por la baja velocidad existente en esta obra. Cuanto mayor es la velocidad de las partculas, estas desgastan ms rpidamente la tubera y las turbinas, disminuyendo considerablemente su vida til.

DESARENADORES

1) DEFINICION: Los desarenadores, son obras hidrulicas que sirven para separar (decantar) y remover (evacuar) despus, el material slido que lleva el agua de un canal. El material slido que se transporta ocasiona perjuicios de las obras: Una gran parte del material slido va depositndose en el fondo de los canales disminuyendo su seccin. Esto aumenta el costo anual de mantenimiento y produce molestas interrupciones en el servicio del canal. Si los canales sirven a plantas hidroelctricas, la arena arrastrada por el agua pasa a las turbinas desgastndolas tanto ms rpidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una disminucin del rendimiento y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas

Qu funcin tiene el desarenador?El desarenador es la estructura hidrulica que tiene la funcin de mejorar la calidad del agua, eliminando las partculas de cierto tamao que la captacin ingres al sistema. Esta agua captada puede ser usada ya sea en centrales hidroelctricas, plantas de tratamiento, sistemas de irrigacin, sistemas industriales u otros fines. En general, los desarenadores tienen la importante misin de eliminar ciertas partculas que se encuentran en suspensin en el agua y posteriormente, mediante una adecuada operacin, arrojarlas al ro.

2) CLASES/TIPOS DE DESARENADORESExisten tres tipos de desarenadores fundamentales: Desarenadores de flujo horizontal:Los desarenadores de flujo horizontal son utilizados en instalaciones de pequeas poblaciones y consisten en un ensanchamiento del canal del pre-tratamiento de forma que se reduzca la velocidad de flujo y decanten las partculas.

Desarenadores de flujo vertical.Los desarenadores de flujo vertical se disean mediante tanques que tienen una velocidad ascensional del agua tal que permite la decantacin de las arenas pero que no caen las partculas orgnicas. Suelen ser depsitos tronco-colndricos con alimentacin tangencial.

Desarenadores de flujo inducido.En estos equipos se inyecta aire por medio de grupos motosoplantes creando una corriente en espiral de manera que permite la decantacin de las arenas y genera una corriente de fondo. Adems el aire provoca la separacin de las materias orgnicas. De esta forma, dado que el depsito est aireado y se favorece la separacin de la materia orgnica, se reduce la produccin de malos olores.OTRO TIPO DE CLASIFICACION: En funcin de su operacin:Desarenadores de lavado continuo: es aquel en el que la sedimentacin y evacuacin son dos operaciones simultneas. Desarenadores de lavado discontinuo (intermitente): que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados. Son el tipo ms comn y la operacin de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible con el objeto de reducir al mnimo las prdidas de agua. En funcin 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 disposicin de los desarenadores: En serie: formado por dos o ms depsitos construidos uno a continuacin del otro.En paralelo: formado por dos o ms depsitos distribuidos paralelamente y diseados para una fraccin del caudal derivado.

3) ELEMENTOS DE UN DESARENADOR

Para cumplir su funcin, el desarenador se compone de los siguientes elementos: Transicin de entrada: une el canal con el desarenador. Cmara de sedimentacin: lugar en la cual las partculas slidas caen al fondo, debido a la disminucin de la velocidad producida por el aumento de la seccin transversal.Segn Dubuat, las velocidades lmites 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 De acuerdo a lo anterior, la seccin transversal de un desarenador, se disea para velocidades que varan entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una profundidad media de 1.5 m y 4 m. Observar que para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa. La forma de la seccin transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal simple o compuesta. La primera simplifica considerablemente la construccin, pero es relativamente cara pues las paredes deben soportar la presin de la tierra exterior y se disean por lo tanto como muros de sostenimiento. La segunda es hidrulicamente ms eficiente y ms econmica pues las paredes trabajan como simple revestimiento. Con el objeto de facilitar el lavado, concentrando las partculas hacia el centro, conviene que el fondo no sea horizontal sino que tenga una cada hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1:8. Vertedero: al final de la cmara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian, es por esto 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. Tambin mientras ms pequea es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensin arrastran. Como mximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s.De la ecuacin de Francis para un vertedero rectangular sin contracciones, se tiene: Q = C L h3/2Donde: Q = caudal (m3/S)C = 2.0 (para vertederos de perfil Creager) C = 1.84 (para vertederos de cresta aguda)L = longitud de la cresta (m) h = carga sobre el vertedero (m) Siendo el rea hidrulica sobre vertedero: A = L hLa velocidad, por la ecuacin de continuidad, ser:

Y la carga sobre el vertedero:

De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el mximo valor de h no debera pasar de 25 cm. Casi siempre el ancho de la cmara del desarenador no es suficiente para construir el vertedero recto y perpendicularmente a la direccin del agua. Por esto se le ubica en curva que comienza en uno de los muros laterales y continan hasta cerca de la compuerta de desfogue. Esta forma facilita el lavado permitiendo que las arenas sigan trayectorias curvas y al mismo tiempo el flujo espiral que se origina las alejas del vertedero. Compuerta de lavado o fondo: sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo. Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuerte del 2 al 6%. El incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de clculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depsito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamao de sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia. Canal directo: por el cual se da servicio mientras se est lavando el desarenador. El lavado se efecta generalmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparacin o inspeccin, es necesario secar la cmara 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 ms cmaras, el canal directo ya no es necesario pues una de las cmaras trabaja con el caudal total mientras la otra se lava.

4) DISEO HIDRAULICO DEL DESARENADOR

4.1. CLCULO DEL DIMETRO DE LAS PARTCULAS A SEDIMENTAR Los desarenadores se disean para un determinado dimetro de partcula, es decir, que se supone que todas las partculas de dimetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del dimetro mximo de partcula normalmente admitido para plantas hidroelctricas es de 0.25 mm. En los sistemas de riego generalmente se acepta hasta un dimetro de 0.5 mm. Se debe tener en cuenta el usar convenientemente la curva granulomtrica representativa del material en suspensin y fondo para un periodo de retorno equivalente a criterio del diseador (se sugiere 50 aos). Informacin bsica necesaria para determinar la cmara de colmatacin, determinacin del periodo de purga y el porcentaje de material en suspensin que no podr ser retenido. Para el uso de agua en agricultura, el dimetro mnimo de la partcula a eliminar seria de 0.5 mm, y para energa 0.2 mm. Para proyectar la decantacin del material de material slido de dimetro menor, el diseador deber utilizar otras tcnicas sobre la base de experiencias que permitan garantizar la eficiencia en la retencin. Tambin se debe prever a que lugares se va a orientar o depositar los materiales decantados. La seccin ms eficiente para decantar, resulta ser la compuesta por paredes verticales en la parte superior y trapecial en la parte inferior. En sistemas hidroelctricos el dimetro puede calcularse en funcin de la altura de cada como se muestra en la tabla 1, o en funcin del tipo de turbina como se muestra en la tabla 2.

4.2. CLCULO DE LA VELOCIDAD DEL FLUJO V EN EL TANQUE (ARRASTRE)La velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando est comprendida entre 0.20 m/s a 0.60 m/s. La eleccin puede ser arbitraria o se puede realizar utilizando la frmula de Camp:

Donde: d = dimetro (mm) a = constante en funcin del dimetro

4.3. CLCULO DE LA VELOCIDAD DE CADA (SEDIMENTACIN) W Para este aspecto, existen varias frmulas empricas, tablas y nomogramas, algunas de las cuales consideran: Peso especfico del material a sedimentar ( ps): gr/cm3 Peso especifico del agua turbia ( w): gr/cm3 As se tiene: Tabla 4 preparada por Arkhangelski, la misma que permite calcular w (cm/s) en funcin del dimetro de partculas d (en mm). La experiencia generada por Sellerio, la cual se muestra en el nomograma de la figura 3, la misma que permite calcular w (en cm/s) en funcin del dimetro d (en mm)

La formula de Owens:

Donde: w = velocidad de sedimentacin (m/s) d = dimetro de partculas (m) s= peso especifico del material (g/cm3) k = constante que vara de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos, sus valores se muestra en la tabla 3

La frmula de Scotti Foglieni

Donde: w = velocidad de sedimentacin (m/s) d = dimetro de la partcula (m)

La Teora de Hazen-Stokes

Donde: Vs= veloc. de sedimS= Peso especfico de los granos dividido por la masa especifica del agua. (2,5 2,7 g/cm3 para arena).g= gravedadv= viscosidadd= dimetro granular

La experiencia de Camp-Sudry:Se determina mediante el siguiente nomograma :

Para el clculo de w de diseo, se puede obtener el promedio de los ws con los mtodos enunciados anteriormente.

4.4. CLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL TANQUE Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentacin, se pueden plantear las siguientes relaciones: Caudal: Q = b h v ancho del desarenador:

Tiempo de cada:

Tiempo de Sedimentacin:

De donde la longitud, aplicando la teorade simple sedimentacin es:

Considerando los efectos retardatorios de la turbulenciaCon el agua en movimiento la velocidad de sedimentacin es menor, e igual a w w, donde w es la reduccin de velocidad por efectos de la turbulencia.

Luego, la ecuacin (11) se expresa:

En la cual se observa que manteniendo las otras condiciones constantes la ecuacin (12) proporciona mayores valores de la longitud del tanque que la ecuacin (11).

Eghiazaroff, expres la reduccin de velocidad como:

Levin, relacion esta reduccin con la velocidad de flujo con un coeficiente:

Bestelli et al, considera:

Donde h se expresa en m. En el clculo de los desarenadores de bajas velocidades se puede realizar una correccin, mediante el coeficiente K, que vara de acuerdo a las velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:

Donde K se obtiene de la tabla 6:

En los desarenadores de altas velocidades, entre 1 m/s a 1.50 m/s, Montagre, precisa que la cada de los granos de 1 mm estn poco influenciados por la turbulencia, el valor de K en trminos del dimetro, se muestra en la tabla 7

El largo y el ancho de los tanques pueden en general, construirse a ms bajo costo que las profundidades, en el diseo se deber adoptar la mnima profundidad prctica, la cual para velocidades entre 0.20 y 0.60 m/s, puede asumirse entre 1.50 y 4.00 m.

4.5. PROCESO DE CLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL TANQUE El proceso de clculo se puede realizar de la siguiente manera:a. Asumiendo una profundidad (por ejemplo h = 1.50 m) a.1 Aplicando la teora de simple sedimentacin: Calcular la longitud con la ecuacin:

Calcular el ancho de desarenador con la ecuacin:

Calcular el tiempo de sedimentacin con la ecuacin:

Calcular el volumen de agua conducido en ese tiempo con la ecuacin: V = Q t Verificar la capacidad del tanque con la ecuacin: V = b h L

a.2 Considerando los efectos retardatorios de la turbulencia:

Calcular , segn Bastelli et al:

Calcular w, segn Levn:

Calcular w, segn Eghiazaroff :

Calcular la longitud L utilizando la ecuacin:

Para valores de w obtenidos de las ecuaciones de Bestelli y Eghiazaroff

Calcular L, corregida segn la ecuacin (9):

De los valores de L obtenidos, elegir uno de ellos. Definido h, b, y L se tienen las dimensiones del tanque desarenador.Para facilidad del lavado, al fondo del desarenador se le dar una pendiente del 2%. Esta inclinacin comienza al finalizar la transicin.

4.6. CLCULO DE LA LONGITUD DE LA TRANSICIN La transicin debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentacin depende de la uniformidad de la velocidad en la seccin transversal, para el diseo se puede utilizar la frmula de Hind:

Donde: L = longitud de la transicinT1 = espejo de agua del desarenador T2 = espejo de agua en el canal

4.7. CLCULO DE LA LONGITUD DEL VERTEDERO Al final de la cmara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Mientras ms pequea es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensin arrastran. Como mximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s y como se indic anteriormente, esta velocidad pone un lmite al valor mximo de la carga h sobre el vertedero, el cual es de 0.25 m. 4.8. CLCULO DE L Para un h = 0.25 m, C = 2 (para un perfil Creager) C = 1.84 (cresta aguda), y el caudal conocido, se despeja L, la cual es:

Por lo general la longitud del vertedero L, es mayor que el ancho del desarenador b, por lo que se debe ubicar a lo largo de una curva circular, que comienza en uno de los muros laterales y contina hasta la compuerta de lavado, como se muestra en la figura 1.

4.9. CLCULO DEL NGULO CENTRAL Y EL RADIO R CON QUE SE TRAZA LA LONGITUD DEL VERTEDEROEn la figura 2, se muestra un esquema del tanque del desarenador, en ella se indican los elementos: , R y L.

a. Clculo de : Se sabe que: 2R ---- 360 L------------

Como en la ecuacin L y b son conocidos, el segundo miembro es una constante:

Por lo que la ecuacin (20) se puede escribir:

El valor de se encuentra resolviendo por tanteos la ecuacin (21).

b. Clculo de R: Una vez calculado , R se calcula utilizando la ecuacin la cual se deduce de la figura 2:

4.10. CLCULO DE LA LONGITUD DE LA PROYECCIN LONGITUDINAL DEL VERTEDERO (L1)

4.11. CLCULO DE LA LONGITUD PROMEDIO (L)

4.12. CLCULO DE LA LONGITUD TOTAL DEL TANQUE DESARENADOR:

Donde:LT = longitud totalLt = longitud de la transicin de entradaL = longitud del tanqueL = longitud promedio por efecto de la curvatura del vertedero

4.13. CLCULOS COMPLEMENTARIOS Clculo de la cada del fondo

Donde: Z = diferencia de cosas del fondo del desarenador L = LT - L tS = pendiente del fondo del desarenador (2%) Clculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado

Donde: H = profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado h = profundidad del diseo del desarenador Z= diferencia de cosas del fondo del desarenador

Clculo de la altura de cresta del vertedero con respecto al fondo

Donde: hc = altura de la cresta del vertedero con respecto al fondo H = profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado Clculo de las dimensiones de la compuerta de lavadoSuponiendo una compuerta cuadrada de lado I, el rea ser A = l2La compuerta funciona como un orificio, siendo su ecuacin:

Donde: Q = caudal a descargar por el orificio Cd = coeficiente de descarga = 0.60 para un orificio de pared delgada Ao = rea del orificio (desde la superficie del agua hasta el centro del orificio) h = carga sobre el orificio (desde la superficie del agua hasta el centro del orificio)g = aceleracin de la gravedad, 9.81 m/s2 Clculo de la velocidad de salida

Donde: v = velocidad de salida por la compuerta, debe ser de 3 a 5 m/s, para el concreto el limite erosivo es de 6 m/s. Q = caudal descargado por la compuerta Ao = rea del orificio, en este caso igual al rea A de la compuerta

5) PARAMETROS DE DISEO

PARMETROVALOR

INTERVALOVALOR

NO AIREADOS

CARGA HIDRAULICA