UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE MECNICA

DISEO DE UN SISTEMA DE RECIRCULACIN DE AGUA PARA LA FASE DE INCUBACIN Y CULTIVO LARVAL

DEL HALIBUT DEL ATLANTICO

Trabajo de titulacin presentado en conformidad a los requisitos para obtener el

Ttulo de Ingeniero Mecnico

PROFESOR GUIA: ING. RICARDO AGUILA JOFRE

JUAN EDUARDO ANDRADE RIQUELME 2007

i

Resumen

Este trabajo corresponde al diseo de un sistema hidrulico, aplicado a

la fase de incubacin y cultivo larval del Halibut del Atlntico

El objetivo es disear un sistema de recirculacin de agua para el

mejoramiento de la eficiencia en la crianza de larvas de esta especie, lo cual

consiste en mejorar las condiciones del agua requerida para este proceso.

Este proyecto se aplica en el Centro de Cultivos Marinos Baha Laredo

de la Universidad de Magallanes, ubicado en el Km.24. de la Ruta 9 Norte,

dedicado a la crianza de Halibut del Atlntico y otras especies.

El sistema de recirculacin de agua est diseado tericamente para

una reutilizacin de agua del 95%, porcentaje que cae en la prctica producto

de prdidas de todo tipo.

El sistema est compuesto por diversos equipos que realizan la funcin

de tratar el agua para optimizar su calidad. Los equipos son estudiados y

calculados segn necesidad, capacidad rentabilidad econmica. Estos equipos

se centralizan en una sala, ejecutando cada uno su proceso de tratamiento de

agua correspondiente, luego de eso se suministra agua a la produccin

acucola, retornando al sistema de recirculacin.

ii

INDICE.

Pgina

CAPITULO I: INTRODUCCIN..1

1.1 Introduccin..........2

1.2 Objetivos3

1.2.1 Objetivo general....3

1.2.2 Objetivos especficos3

1.3 Nomenclatura4

CAPITULO II: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.5

2.1 Planteamiento del problema.6

2.1.1 Proceso de circulacin de agua existente6

2.1.1.1 Descripcin.7

2.1.1.2 Situacin sin proyecto...8

CAPITULO III: CALIDAD DEL AGUA......9

3.1 Sistemas de recirculacin para la acuicultura (SRA).....10

3.1.1 Requerimientos de agua. ...10

3.1.2 Calidad del agua ..10

3.1.3 Normas de calidad de agua....12

3.1.4 Parmetros de calidad de agua..13

3.1.4.1 Oxgeno disuelto13

3.1.4.2 Temperatura.......14

3.1.4.3 Amoniaco/ Nitrito/ Nitrato..14

iii

3.1.4.4 pH.....16

3.1.4.5 Alcalinidad/ Dureza16

3.1.4.6 Salinidad..16

3.1.4.7 Slidos sedimentables, Suspendidos, Disueltos......18

CAPITULO IV: DESARROLLO DEL SISTEMA DE RECIRCULACIN DE

AGUA (SRA)......19

4.1 Mejoramiento de parmetros de calidad de agua.....20

4.1.2 Ubicacin del SRA....20

4.1.3 Equipos empleados .21

4.1.3.1 Temperatura...21

4.1.3.2 Slidos suspendidos totales....21

4.1.3.3 pH.....22

4.1.3.4 Liberacin de Dixido de carbono y Nitrgeno.....23

4.1.3.5 Eliminacin de microorganismos....24

4.2 Eleccin de equipos.....24

4.2.1 Enfriador de agua.....24

4.2.2 Filtracin.....28

4.2.3 Fraccionador de espuma.....31

4.2.4 Liberador de CO2 y nitrgeno (desgasificador)...33

4.2.5 Germicida UV....36

4.3 Clculo Hidrulico.....37

4.3.1 Sector Enfriador de agua....38

4.3.2 Sector Filtros de anillas.....42

4.3.3 Sector Desgasificador46

iv

4.3.4 Sector Germicida UV..46

4.3.5 Suministro por gravedad a estanques.....48

CAPITULO V: ACLARACIONES Y DISPOSICIN FINAL DEL PROYECTO

.......................................................................................................50

5.1 Aclaraciones.....51

5.2 Disposicin final del proyecto....52

CAPITULO VI: CONCLUSIONES..........................................54

6.1 Conclusiones.55

REFERENCIAS......57

ANEXOS..58

Anexos A Mecnica de los Fluidos.....59

Anexos B Propiedades del Agua.....62

Anexos C Diseos y equipos para el Sistema de Recirculacin de

agua. 69

Anexos D Clculo de prdidas de carga en salas de estanques...81

Anexos E Costos de materiales y equipos.....86

Anexos F Mecnica de los fluidos...88

1

CAPTULO I

INTRODUCCIN

2

1.1 Introduccin

El Sistema de Recirculacin de Agua para acuicultura (SRA) es la tecnologa

que permite el cultivo de peces a mayor intensidad, y un considerable ahorro de

energa en trminos de utilizacin de agua. En el SRA, el ambiente es totalmente

controlado. Los peces se cran en estanques en las condiciones ms seguras

posibles, pudiendo adems protegerse dentro de una construccin cerrada para

controlar el ambiente areo. El agua circula a travs del sistema, y solamente un

pequeo porcentaje de agua es reemplazado diariamente. La temperatura, salinidad,

pH, alcalinidad, composicin qumica y el oxgeno son monitoreados y

continuamente controlados. Los residuos son filtrados y removidos, se incorpora

oxgeno para mantener concentraciones suficientes para la densidad de peces en

cultivo, y por ltimo el efluente es tratado en un biofiltro para la conversin biolgica

del nitrgeno amoniacal a nitratos.

Disear y operar un SRA requiere de una slida comprensin de las

operaciones unitarias y procesos incluidos. La falla de cualquiera de estas

operaciones puede ocasionar que falle la totalidad del sistema.

Los conceptos de ingeniera en estos sistemas son esenciales para obtener

buenos resultados; el manejo de caudales, volmenes de agua, materiales, diseos

y medidas ms apropiadas, capacidades y buena eleccin de los equipos, son

aspectos fundamentales que deben ser considerados.

3

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General

Disear un sistema de recirculacin de agua para mejorar la calidad de la misma, utilizada en el cultivo del Halibut del Atlntico, con el fin de disminuir la

mortalidad.

1.2.2 Objetivos especficos

Determinar los requerimientos necesarios para optimizar el proceso. Determinar y seleccionar los equipos necesarios para el proceso. Calcular y disponer el tendido de tuberas, conexiones y distribucin a

respectivos estanques, regulando caudales especficos en cada uno.

Estimar resultados a futuro comparados con la literatura. Estimar los requerimientos mnimos que deben tener los equipos, y

compararlos con los que ya se han instalado en este centro.

4

1.3 Nomenclatura

Smbolo Unidad Descripcin A (m2) rea

Cp J/(kg*K) Calor especfico D (m) Dimetro e (m) Rugosidad absoluta

Eg (%) Retencin de gas f (-) Factor de friccin g (m/s2) Aceleracin de gravedad H (m) Carga de la bomba

HL (m) Prdidas de carga por friccin Htop (m) Altura topogrfica Hinst (m) Altura de instalacin K (-) Coeficientes de prdidas secundarias L (m) Longitud de tubera m (kg) Masa Na (W) Potencia de accionamiento Nu (W) Potencia de la bomba P1 (kPa) Presin inicial P2 (kPa) Presin final Pe (kPa) Presin esttica de entrada a la bomba Ps (kPa) Presin esttica de salida de la bomba Q (m3/s) Caudal Re (-) Nmero de Reynolds t (s) Tiempo

U.G W*(s/cm2) Energa ultravioleta Ug m3/(m2*s) Velocidad del gas superficial (m2/s) Viscosidad cinemtica V (m/s) Velocidad

V1 (m/s) Velocidad inicial V2 (m/s) Velocidad final Z1 (m) Altura inicial Z2 (m) Altura final Ze (m) Altura a la entrada de la bomba Zs (m) Altura de salida de la bomba (kg/m3) Peso especfico b (%) Rendimiento de la bomba Q (W) Variacin de energa o de calor T (C) Variacin de temperatura

5

CAPTULO II

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

6

2.1 Planteamiento del problema

En el centro de cultivos marinos de la Universidad de Magallanes, se cultiva

una especie de pez llamada Halibut. La produccin de estos, es deficiente.

Observando los datos del proceso de incubacin, se aprecia que la tasa de

mortalidad es muy alta, logrando sobrevivir un porcentaje bastante pequeo en la

incubacin, lo cual resulta en una produccin deficiente.

La calidad del agua, se encuentra de la misma manera para todas las fases

del cultivo, siendo la etapa de incubacin y larvas con saco vitelino ms crticas en

este aspecto que otras.

2.1.1 Proceso de circulacin de agua existente.

En el sistema, el agua se obtiene del mar, la cual es extrada de baha

Laredo, Estrecho de Magallanes. Consiste en bombear agua de mar hacia todo el

complejo, intercalando filtros, y de ser necesario, regulando la temperatura con un

intercambiador de calor.

Fig. 2.1 Isomtrico del sistema de obtencin de agua

Identificacin en orden de flujo del

agua, desde salida del mar:

1: Caseta de bombas auxiliares.

2: Caseta de bombas principales.

3: Caseta de filtros

4: Estanques de cabecera.

7

2.1.1.1 Descripcin

Existen 2 tuberas conectadas al mar, una se conecta con la caseta de

bombas auxiliares (1) y la otra se conecta con la caseta de bombas principales (2).

En la caseta de bombas principales, existen dos estanques de los cuales se

bombea hacia la instalacin (estanques subterrneos). Estos estanques estn bajo

el nivel del mar, para que se mantengan llenos gracias a la fuerza de gravedad.

Desde estos estanques se bombea para toda la instalacin.

En la caseta de bombas auxiliares, se encuentran dos bombas, que bombean

directamente del mar. Las bombas auxiliares se conectan con tuberas hacia los

estanques subterrneos y funcionan cuando los estanques subterrneos no

satisfacen el caudal demandado.

En la caseta de bombas principales se encuentran dos bombas que funcionan

permanentemente, que bombean desde los estanques subterrneos hacia la caseta

de filtros.

Despus del filtrado, el agua se dirige hacia los estanques de cabecera que

se muestran en el punto 4 de la figura 2.1, que se encuentran a una altura necesaria

para alimentar por gravedad los distintos procesos de cultivo del centro acucola.

8

2.1.1.2 Situacin sin proyecto

La situacin de este centro acucola sin el proyecto de SRA es deficiente en

su produccin, lo cual justifica un proyecto de mejorar la calidad del agua entregada

a la incubacin.

Los datos de produccin obtenidos en el centro acucola son los siguientes:

La tasa de sobrevivencia es de un 0,05% Se saturan los filtros El agua pasa turbia durante las marejadas La temperatura es inestable, es decir, algunos das puede variar hasta en 2C

9

CAPTULO III

CALIDAD DEL AGUA

10

3.1 Sistemas de recirculacin para la acuicultura (SRA)

3.1.1 Requerimientos de agua

Los sistemas de recirculacin para la acuicultura necesitan menos del 10%

del agua y mucho menos terreno que los requeridos por los otros sistemas para

producir la misma cantidad de peces. El Anexo B.1 proporciona una comparacin del

agua y terreno utilizada por kg. de pescado producido.

3.1.2 Calidad del agua

Una de las principales ventajas de los sistemas intensivos de recirculacin es

la capacidad de controlar el ambiente y numerosos parmetros de calidad del agua

para optimizar la salud de los peces y sus tasas de crecimiento. Aunque el medio

acutico es un ecosistema complejo que esta formado por diversas variables de

calidad del agua, afortunadamente solo algunos parmetros juegan roles decisivos.

Los parmetros en cuestin son:

Temperatura Los slidos en suspensin pH Concentraciones de oxgeno disuelto Amoniaco, nitrito, CO2 y alcalinidad.

11

Cada parmetro por si solo es importante, pero lo que influye en la salud y la

tasa de crecimiento de los peces es el agregado e interrelacin de todos los

parmetros.

Ejemplos de interrelacin:

Ejemplo 1:

Cuando se presentan problemas de aireacin y degasificacin, generalmente

los niveles de dixido de carbono son altos y al mismo tiempo los niveles de

oxgeno disuelto son bajos. El resultado de esta situacin particular no es solo

que existe menos cantidad de oxgeno disponible para los peces, sino que los

peces disminuyen su capacidad de usar el oxgeno que esta disponible. El alto

nivel de dixido de carbono del agua afecta a la capacidad de los peces de

transportar oxgeno, agravndole el estrs por los bajos niveles de oxgeno

disuelto en el agua.

Ejemplo 2:

La relacin entre el pH y la toxicidad del amoniaco. Solo la fraccin no

ionizada de la concentracin total de amoniaco es txica. A un pH bajo, la mayor

parte del amoniaco presente en el agua se encuentra en forma ionizada no

txica. Sin embargo, al aumentar el pH en solo una unidad (de 6,5 a 7,5) la

concentracin de amoniaco txico aumenta en un factor de diez.

12

Ejemplo 3:

Al aadir simplemente bicarbonato de sodio a un sistema para aumentar su

alcalinidad se puede producir una condicin indeseable accidental. Por eso

cuando se requieran ajustes mientras se hacen los monitoreos de rutina deben

ser ejecutados en forma lenta y cuidadosa.

La relacin entre los factores de calidad de agua y su efecto en la tasa de

crecimiento de los peces es complicada ya que los peces no tienen la posibilidad

de controlar la temperatura de su cuerpo y mantenerla independiente del medio

ambiente. Los cambios de temperatura en el ambiente afectan la tasa de

reacciones bioqumicas de los peces lo que lleva a diferentes tasas metablicas y

de consumo de oxgeno. En la medida que aumenta la temperatura, los peces se

vuelven ms activos y consumen una mayor cantidad de oxgeno disuelto,

mientras simultneamente producen ms dixido de carbono y otros productos

de excrecin, tales como amoniaco.

3.1.3 Normas de calidad de agua

La propia naturaleza de la acuicultura hace casi imposible formular una lista

definitiva de normas de calidad de agua en que un tipo de medida les calce a

todas. El amplio rango de especies, regmenes de temperatura y tcnicas de

produccin hacen que dicha lista sea, en mejor de los casos, solo de

recomendaciones. En sistemas intensivos de recirculacin, la especie

seleccionada se cultiva en una clase de jabn qumico que esta formado por un

gran nmero de factores biolgicos, qumicos y fsicos que se interrelacionan en

13

una serie compleja de reacciones fsico-bio-qumicas. Estas reacciones influyen

en todos los aspectos de cultivo, desde la sobrevivencia de los peces y las tasas

de crecimiento, al funcionamiento del biofiltro y retiro de slidos. Una

comprensin bsica de la qumica del agua es indispensable para el xito de

todo sistema intensivo.

En el Anexo B.2 se muestra los parmetros ms importantes de calidad de

agua necesarios para caracterizar el suministro potencial de agua y proporciona

recomendaciones muy generales de criterios de calidad de agua para cada

parmetro.

El Anexo B.3 provee una estimacin del mximo de nitrgeno amoniacal total

que puede acumularse en un sistema de reutilizacin parcial, dependiendo de la

alcalinidad del agua y de los lmites mximos asumidos de dixido de carbono

disuelto y amoniaco no ionizado, a una alcalinidad dada, Al fijarse asi los lmites

mximos en las concentraciones de dixido de carbono disuelto y amoniaco no

ionizado, a una alcalinidad dada, se establecer el pH mnimo de operacin y el

mximo permisible de nitrgeno amoniacal total (NAT).

3.1.4 Parmetros de calidad de agua

3.1.4.1 Oxgeno disuelto

De todos los parmetros de calidad, el oxgeno disuelto es el parmetro ms

crtico e importante, y requiere de un monitoreo continuo en sistemas intensivos de

14

produccin. La concentracin de saturacin de oxgeno disuelto es ms alta a bajas

temperaturas y ms baja a altas temperaturas.

La solubilidad del oxgeno disminuye a medida que aumenta la temperatura y la

salinidad. Tanto la presin baromtrica como la altura influyen directamente en la

concentracin de oxgeno.

El Anexo B.4 muestra la concentracin de Oxgeno disuelto en funcin de la

temperatura y salinidad.

3.1.4.2 Temperatura

Frente al oxgeno disuelto, la temperatura del agua ocupa el segundo lugar en

importancia. La temperatura influye directamente en los procesos fisiolgicos, tales

como tasa de respiracin, eficiencia de alimentacin y asimilacin, crecimiento,

comportamiento y reproduccin.

3.1.4.3 Amoniaco/ Nitrito/ Nitrato

Estos derivados de Nitrgeno son contaminantes en la columna de agua de los

sistemas de acuicultura y deben estar presentes dentro de concentraciones

aceptables. El nitrgeno se necesita en pequeas cantidades, las cantidades

excedentes se convierten en desechos nitrogenados y es necesario extraerlos.

15

El amoniaco (NH3 N) es la forma ms txica, de modo que la toxicidad del

nitrgeno amoniacal total (NAT) depende del porcentaje en que se encuentra la

forma no ionizada en la concentracin del NAT. Un incremento del pH, temperatura

o salinidad aumenta la proporcin de la forma no ionizada (NH3 N) del nitrgeno

amoniacal total. Por ejemplo, a 20C y un pH de 7.0, la fraccin molar de amoniaco

es de solo 0.004, pero a un pH de 10, el amoniaco aumenta a 0.8.

El nitrito es el producto intermedio en el proceso de nitrificacin del amoniaco a

nitrato. Aunque el nitrito se convierte en nitrato relativamente rpido mediante ozono

y bacterias nitrificantes es un biofiltro adecuadamente equilibrado, constituye un

problema en sistemas de recirculacin porque es producido constantemente, por lo

que los peces estn expuestos continuamente a ciertas concentraciones de esta

molcula. El nitrito es txico porque afecta la habilidad de la hemoglobina de la

sangre para transportar oxgeno. Cuando el nitrito ingresa al torrente sanguneo,

oxida el hierro de la molcula hemoglobina desde el estado ferroso al frrico. El

producto resultante se llama metahemoglobina, que tiene un color caf

caracterstico, de all el nombre comn enfermedad de la sangre caf

El nitrato es el producto final de la nitrificacin y es el menos txico de los

compuestos nitrogenados. En los sistemas de recirculacin, los niveles de nitrato

son generalmente controlados mediante intercambio diario de agua fresca.

16

3.1.4.4 pH

El valor pH expresa la intensidad de las caractersticas bsicas o cidas del

agua. En trminos qumicos, pH es el logaritmo negativo de la concentracin del in

hidrogeno. La escala de pH vara desde 0 a 14, con un pH de 7,0 que corresponde

al punto neutro. Los valores de pH bajo 7,0 son cidos, y sobre 7,0 son bsicos o

alcalinos. El pH ptimo para el crecimiento y la salud de la mayora de los animales

acuticos de agua dulce est en el rango de 6,5 a 9,0.

El pH tambin influye en la toxicidad del Acido Sulfhdrico y de los metales tales

como cobre, cadmio, zinc y aluminio.

3.1.4.5 Alcalinidad/ Dureza

En trminos generales, la alcalinidad es una medida de la capacidad de

neutralizacin del pH o la capacidad de neutralizante-cida del agua. En trminos

qumicos, la alcalinidad se define como la capacidad acidoneutralizante de una

sustancia qumica en solucin acuosa expresada como mg/L equivalente de

carbonato de calcio (CaCO3). A veces la alcalinidad se expresa como

miliequivalentes/litro, donde 1 meq/l es igual a 50 mg/l como CaCO3. Los iones de

origen que distribuyen a la alcalinidad son el carbonato (CO3) y el bicarbonato

(HCO3). El Anexo B.5 proporciona una lista de aditivos comnmente usados para la

alcalinidad, su solubilidad relativa y sus bases equivalentes.

17

La alcalinidad del agua de mar es aproximadamente 120 mg/l CaCO3. El

mantener concentraciones necesarias de alcalinidad estn ligadas directamente al

pH del sistema y a las concentraciones de dixido de carbono a menos de 15 mg/l y

un pH entre 7.0 y 7.4 requiere una concentracin de alcalinidad menor que 70

(condicin de pH alto) a 190 mg/l CaCO3 (condicin de pH bajo). La relacin entre

concentraciones de pH, alcalinidad de pH, alcalinidad y CO2 se muestra en el Anexo

B.6

La alcalinidad se ajusta fcilmente mediante la adicin de bicarbonato de sodio

(NaHCO3), comnmente bicarbonato.

3.1.4.6 Salinidad

El agua generalmente se describe como dulce, salobre o de mar. Cada uno

de estos trminos se refiere a la salinidad del agua y no se han identificado

claramente puntos de empalme entre estas caracterizaciones. La salinidad se define

como la concentracin total de iones disueltos en el agua, y generalmente se

expresa como partes por mil (ppm), gramos de sal por kilogramo de agua. Cada una

de las especies acuticas tiene un rango ptimo de salinidad para su reproduccin y

crecimiento, aunque la tolerancia a la salinidad de la mayora de las especies

acucola es bastante amplia.

18

3.1.4.7 Slidos sedimentables, Suspendidos, Disueltos

Los desechos slidos que se acumulan en un sistema de acuicultura

provienen de alimentos no ingeridos, partculas finas de alimento, fecas de los

peces, algas, y pelculas bacterianas desprendidas de los filtros biolgicos. Algunos

estudios indican que los peces producen entre 0,3 a 0,4 kg. de slidos suspendidos

totales (SST) por cada kilo de alimento ingerido. Los desperdicios slidos influyen en

la eficiencia de todos los dems procesos de un sistema de recirculacin. Ellos

constituyen una fuente importante de la demanda de oxgeno e incorporacin de

nutrientes al agua, y pueden afectar directamente la salud de los peces dentro de los

sistemas de recirculacin daando sus branquias y amparando patgenos. El lmite

superior para los peces de agua dulce es de 25 mg SST/L, siendo 10 mg SST/L lo

recomendado para una operacin normal. Por lo tanto, la remocin de slidos es

uno de los procesos ms crticos e importantes en los sistemas de acuicultura.

Los slidos se clasifican generalmente en tres categoras: sedimentables,

suspendidos, y slidos disueltos o finos. La diferencia entre slidos sedimentables y

slidos suspendidos es sencillamente el tiempo que toman en sedimentar en el

fondo. Los slidos sedimentables sedimentan en menos de una hora. Los slidos

suspendidos no se van al fondo, y de alli que requieren un tratamiento diferente a los

sedimentadotes de gravedad convencionales. Por su naturaleza, los slidos

disueltos y finos son difciles de extraer.

19

CAPITULO IV

DESARROLLO DEL SISTEMA DE RECIRCULACIN

DE AGUA (SRA)

20

4.1 Mejoramiento de parmetros de calidad de agua

4.1.2 Ubicacin del SRA

Este sistema se instalar en una sala colindante de los estanques de produccin

de incubacin como se muestra en el plano.

Figura 4.1 Plano de salas de la instalacin.

21

4.1.3 Equipos empleados

4.1.3.1 Temperatura

La temperatura del agua para el Halibut del Atlntico, no debe superar los 7

C. Estos peces son de profundidad, por lo tanto, necesitan poca iluminacin, y por

ende bajas temperaturas.

Para el sistema de recirculacin de agua se emplear un enfriador de agua y

se crear en un circuito aparte. No interviene en la cadena de procesos del SRA,

sino que enfriar el agua del estanque de distribucin y recepcin del proceso.

El enfriador deber superar el caudal de la instalacin, para poder mantener

por ms tiempo la temperatura de la masa de agua contenida en el estanque.

4.1.3.2 Slidos suspendidos totales

El mecanismo de remocin de slidos ser con un fraccionador de espuma

(Skimmer). Este mecanismo se basa en que las burbujas de aire en una columna de

agua recogen material orgnico a medida que suben a la superficie.

Las molculas surfactantes son polares en un extremo. Este extremo es

hidroflico y del otro hidrofbico. El extremo hidrofbico se introduce en la burbuja de

aire dejando el extremo polar en el agua. El extremo polar con carga negativa que

ahora apunta hacia la columna de agua, en seguida entra a los materiales cargados

22

positivamente que se encuentran en ella. Estos materiales con carga positiva a su

vez atraen a las partculas con carga negativa que se adhieren a ellos. Como se

muestra en la figura 4.2

Figura 4.2 Propiedades de la molcula surfactante.

El fraccionado de espuma est considerado como uno de los pocos procesos

eficaces para la remocin de slidos finos de un SRA. En efecto, el condensado de

espuma est formado en su mayor parte por materia orgnica disuelta y partculas

de tamao inferior a 30 m. El esquema del fraccionado de espuma a utilizar se

muestra en el Anexo C.3

4.1.3.3 pH

Este parmetro se monitorear diariamente, y se regular segn se requiera,

cuando baje el pH, se subir aadiendo Bicarbonato de Sodio.

23

4.1.3.4 Liberacin de Dixido de Carbono y Nitrgeno

El dixido de carbono se introduce al agua a travs de la respiracin de los

peces y bacterias. A medida que se aumentan las densidades de cultivo y

disminuyen las tasas de recambio del agua, el dixido de carbono disuelto se

convertir en un factor limitante de la produccin.

La remocin del dixido de carbono disuelto es realizada fcilmente a travs

de un proceso de recambio de gases, pero la prediccin exacta de la tasa de

remocin es muy difcil.

Para liberar el dixido de carbono, se utilizar un diseo de desgasificador

especfico. Consiste en un estanque por el cual circular el agua a tratar, tendr una

conexin a un soplador, que inyectar aire produciendo agitacin en el agua. En el

agua se encontrarn sumergidos bioring (material inerte), que tendrn contacto

permanentemente con el aire, y liberarn el CO2 y nitrgeno acumulados en el

sistema.

24

4.1.3.5 Eliminacin de microorganismos

Este proceso se realizar con irradiacin UV (Luz Ultravioleta). La luz UV

(longitud de onda de (190-400 nm.) puede daar los microorganismos ya sea directa

o indirectamente alterando los cidos nucleicos. El dao directo se debe a la

absorcin de la irradiacin por el ADN formando fotoproductos como resultado. La

baja presin del vapor de mercurio de la lmpara emite aproximadamente el 85% de

la energa liberada como luz monocromtica a una longitud de onda de 253,7 nm.,

que est dentro del rango ptimo de longitud de onda de 250 a 270 nm. para efectos

bactericidas.

4.2 Eleccin de equipos

4.2.1 Enfriador de agua

La temperatura del agua de mar depende de la profundidad. A continuacin

se muestra la distribucin de temperatura a distintas profundidades:

Figura 4.3 Temperatura vs. profundidad

25

Como estos peces son de altas profundidades, se propone no superar la

temperatura de 6C.

Se dispone de un pozo que acopia el agua que viene de la sala de cultivos de

2.000 litros que, para la distribucin hacia el SRA, transita un caudal de 100 l/min.

Para mantener la temperatura haremos circular 120 l/min. en el circuito de

enfriamiento.

Para la eleccin del equipo enfriador tenemos los siguientes datos:

Requerimientos:

Caudal que circula por el enfriador: Q = 120 l/min. = 0,002 m3/seg.

Para obtener el diferencial de temperatura, tenemos los siguientes datos:

Temperatura natural del agua en Baha Laredo a la profundidad de obtencin

de tres metros:

Meses T Baha (C) Septiembre 6,5 Octubre 7,5 Noviembre 8,5 Diciembre 9,5

Tabla 4.1 Temperatura de agua de mar

26

Suponiendo que el equipo nos entregar agua a 6C, y la existencia de un

incremento de 1C por movimiento de agua en el SRA, el agua de llegada al pozo

ser de 7C. En el peor de los casos, con una reposicin de agua de 15% diaria, en

diciembre con una temperatura de 10C de agua de mar, ponderamos:

Temperatura de agua del pozo:

Ponderando los porcentajes de utilizacin de agua, con un 85% (7C) de agua

a recircular y un 15% (10C) de agua de recambio.

0,15*10 + 0,85*7 = 1,5 + 5,95 = 7,45 C

Se tiene que llevar el agua de 7,45C a 6C, entonces:

Diferencial de temperatura: T = 1,45 C.

Propiedades fsicas del agua de mar:

Densidad del agua de mar a 6C: = 1027,45 Kg /m3

Calor especfico: Cp = 4.213 kJ/kgK

27

Con la ecuacin 1.18 se calcula la potencia trmica del equipo:

TCmP p = **&

Solucin:

Para obtener la potencia requerida del equipo a ocupar, necesitamos obtener

el valor del flujo msico. Este se puede obtener con el caudal y con la densidad del

agua, como se muestra a continuacin:

*Qm =& (4.1)

==skgm 054,245,1027*002,0&

Luego la potencia requerida es:

[ ]kWP 547,1245,1*213,4*054,2 ==

El equipo enfriador de agua ser una unidad condensadora hermtica del

fabricante TECUMSEH Cool Products. Segn catlogos (Ref. 6), se opta por un

equipo de enfriamiento, las especificaciones del equipo que se muestran en Anexo

C.1 y C.2.

Se requiere 1 equipo de una potencia de 12,54 kW (42.811 BTU/hora).

28

Segn Anexo C.2 este equipo puede obtener una temperatura de 4,44C

(40F), se requiere una potencia trmica de 44.321 BTU/hora, con la salvedad de

que el aire que forzar el intercambio de calor del condensador con el agua que

circular, est a una temperatura de 32.2C (90F), lo cual d ms margen de

seguridad an cuando la temperatura ambiente en la instalacin en verano llegar a

lo ms a 25C.

4.2.2 Filtracin

Se ocuparn filtros de anillas, porque son uno de los ms eficientes, de nueva

tecnologa y satisfacen el filtrado que se necesita.

Los filtros de anillas estn constituidos por anillas planas de material plstico

provistos de ranuras. Dichas anillas estn colocadas una sobre otra y

comprimidas, formando el elemento filtrante. Los cruces entre las ranuras de

cada par de discos adyacentes forman pasos de agua, cuyo tamao vara segn

las anillas utilizadas.

29

Descripcin:

Figura 4.4 Partes del filtro de anillas

Funcionamiento:

Figura 4.5 Circuito del agua en el filtro.

La eleccin del filtro se hace en funcin del caudal y lo que se quiere obtener

del filtrado.

El caudal ser de 100 l/min., y se desea filtrar a 8 micras.

30

En catlogo y asesora nos encontramos con un filtro de anillas recto, este

tipo de filtro divide el caudal en 2 y cada flujo pasa por un filtro compuesto de mallas

de 130 55 y 20 micras.

Figura 4.6 Filtracin vs. Caudal

Luego, segn la asesora, la unidad filtrante puede llegar a 8 micras con el

caudal de 6 m3/hr 100 l/min.

Figura 4.7 Filtro de anillas recto Figura 4.8 Circuito de agua en el filtro

Tambin es posible implementar, 2 filtros de anillas marca Azud de

conexiones de 3 pulgadas, que lo provee Retec en Chile, estos deben estar

conectados en paralelo, para que su funcionamiento individual maneje un caudal

adecuado para la filtracin.

31

4.2.3 Fraccionador de espuma

El Skimmer o fraccionador de espuma es un equipo consistente en una gran

columna de contacto en PRFV (Plstico reforzado con fibra de vidrio). Este equipo

posee dos entradas, una para agua a tratar y otra, para aire inyectado a travs de un

Venturi. En su interior se produce la mezcla de estos dos fluidos generando una gran

cantidad de espuma por la coagulacin de protenas, la cual es arrastrada a la zona

superior de la columna y eliminada por accin de un spray limpiador.

Esta tecnologa ha sido ampliamente probada en mltiples aplicaciones de

acuicultura y resulta ser un eficiente proceso para la limpieza del agua, eliminacin

de espuma, remocin de protenas y materia orgnica.

Para elegir el Skimmer necesitamos el caudal que va a circular por el equipo,

y la tasa de slidos suspendidos totales (SST) del agua.

Q = 100 l/min = 144.000 l/da

SST = 60 mg/l

Tenemos que obtener la tasa de remocin de slidos voltiles Rsv (g/da).

Rsv = Q x SST

Rsv = 144.000 x 60 = 8.640.000 mg/da

Rsv = 8.640 g/da

32

Para la obtencin de la tasa de flujo de aire Qaire (LPM), tenemos:

600.214,0

640.84,0

=== RsvQaire l/min

El flujo superficial de gas, Ug, para la columna de un fraccionado expandido

en 25% (para eficiencia mxima), muestra un Ug requerido de 0,035 m3/m2/s, o

convirtiendo a LPM por cm2, Ug = 0,21 LPM/cm2 flujo de aire.

Figura 4.9 Retencin de gas, Eg, vs. Velocidad del Gas Superficial, Ug.

Superficie transversal requerida para las unidades de fraccionamiento de

espuma:

857.102min/21,0

min/600.21

2

==cmllA cm2

33

Estas son las cifras para 100 kg de alimento que se ingiere, de modo que

podemos expresar estos requerimientos por kg de alimento ingerido al da:

Qaire = 21.600/100 = 216 l/min flujo de aire

A = 102.857,14/100 = 1.028,5 cm2 1.030 cm2 = 0,103 m2

El fraccionador de espuma es cilndrico, luego el dimetro que debe tener la

seccin transversal es:

4

2DA = AD 4= =

1030*4 = 36,2 cm.

Como se muestra en el Anexo C.3, el nivel mnimo de agua en la columna del

fraccionador es de 1 m.

Luego el volumen del tanque para un minuto de retencin se obtiene:

V = 1m * 0,103 m2 = 0,103 m3 100 l.

4.2.4 Liberador de CO2 y nitrgeno (desgasificador).

La utilidad de este equipo es liberar el CO2 y el Nitrgeno del agua, y darle

cabida al oxgeno. Obtener una relacin exacta para el diseo de este equipo es

complejo. Por lo que nos guiaremos por las opciones que nos entrega la literatura

(Ref.1) y un programa computacional. Para los clculos se utiliz el programa

computacional Control del dixido de carbono Book, versin 1.0 Copyright, Abril

34

1998. Este programa es capaz de hacer todas las comparaciones entre las opciones

nombradas a continuacin:

Control de CO2:

1. Torre Empacada

2. Adicin de NaOH

3. Recambio de agua

4. Aireacin de superficie en el estanque

5. Aireacin de superficie en estanque lateral

6. Aireacin por difusores en el estanque

7. Aireacin por difusores en el estanque lateral

Ocuparemos la opcin 6, ya que es una de las ms simples de instalar.

Descripcin del uso para obtener los resultados de diseo para la instalacin:

El programa pide como datos de entrada, las caractersticas fsicas y trmicas

del recinto. (Ver Anexo C.5)

Luego, en otra pantalla pide los datos para el cultivo de peces. (Ver Anexo

C.6)

Adems pide los datos para la opcin de Control. (ver Anexo C.6)

35

Despus de haber completado las ventanas de entrada, y despus de la

simulacin, se puede ver la ventana de resultados (ver Anexo C.7) para la opcin

tomada.

Motor Power 0,017 kW Aerator SAE 1,2 kg/kWh SOTR 0,020 kg/h AOTR 0,01 kg/h Air Flow 849 l/min Diffuser Depth 70 cm CO2 Kla 8,1/h O2 Kla 8,2/h Tank CO2 15 mg/l Tank pH 7

Tabla 4.2 Resultados del programa.

Motor Power: La potencia requerida por el motor del equipo de aireacin con

difusores

SOTR: Tasa estndar de transferencia de oxgeno del equipo de aireacin con

difusores.

Air Flow: El flujo de aire a travs del equipo de aireacin difusa.

CO2 Kla: Coeficiente de transferencia de masa global del dixido de carbono a

20C.

Tank CO2: La concentracin de dixido de carbono disuelto en el agua del

estanque de cultivo.

Aerator SAE: La eficiencia de aireacin estndar del equipo de aireacin con

difusores.

AOTR: Tasa efectiva de transferencia de oxgeno del equipo de aireacin por

difusores de acuerdo a las condiciones dadas.

Diffuser Depth: Profundidad del difusor.

O2 kla: Coeficiente de transferencia de masa global del oxgeno a 20C.

Tank pH: El pH del agua en el estanque de cultivo.

36

Como resultado tenemos que la potencia del motor del Aireador debe ser de

un mnimo de potencia de 0,017 kW., y un flujo de aire de 849 l/min. 30 CFM, para

el estanque instalado de 1 x 0.5 x 2 m. y unos Bioring de plstico de 1 pulgada de

tamao nominal.

El equipo que cumple con estas condiciones es el siguiente:

Sweetwater Regenerative Blowers, 1/3 hp, 43" max duty, 230V Single Phase

Las especificaciones tcnicas se pueden ver en el Anexo C.8.

El equipo que se encuentra instalado es de 1,85 Hp, por lo tanto cumple los

requerimientos mnimos.

4.2.5 Germicida UV

Este equipo fabricado en Chile, consiste en una o ms carcasas de

irradiacin construida en HDPE (Polietileno de Alta Resistencia), equipados con

lmparas de 40 watts de cuarzo, con una altsima emisin de energa germicida,

eliminando la contaminacin microbiolgica y obteniendo as un agua segura para el

uso en el proceso.

Algunos microorganismos y su dosis para ser eliminados, se muestran en el

Anexo C.9.

37

Para la eleccin de este equipo se utiliza lo que se encuentra en el mercado

(Ref. 5.). Los parmetros que se piden para la eleccin son: Dosis de energa

ultravioleta y caudal que es capaz de transportar el equipo.

Dosis estndar: 30.000 U.G., considerando que el agua posee un contenido

de slidos en suspensin menor a 2 ppm y una transmitancia UV sobre 90 %.

La presin absoluta mxima de operacin es de 80 Psi. Este tipo de equipos

puede ser utilizado con sistemas presurizados mediante Hidropack o presstatos.

Segn catlogos (Ref. 5.), una buena dsis germicida es de 30.000 U.G. y se

tiene un caudal de 100 l/min.. Luego escogemos el siguiente equipo:

Equipo modelo UV 80 (Anexo C.10) que tiene un caudal de operacin de 10

m3/hr que corresponde a 166 l/min. lo que supera el caudal requerido en la

instalacin

4.3 Clculo Hidrulico

Para la eleccin de las bombas como se menciona en el Capitulo III se

necesita saber lo siguiente:

El flujo de descarga de agua salada que va a impulsar La carga total a soportar expresada en metros (m.c.a) El punto de operacin de la bomba

38

Se comienza con la configuracin del sistema, el orden es el siguiente:

1. Sector Enfriador de agua

2. Sector Filtros de anillas y Fraccionado de espuma

3. Sector Desgasificador

4. Sector Germicida UV

5. Suministro a estanques cnicos.

4.3.1 Sector Enfriador de agua

Para alimentar de agua el enfriador, se necesita sacar agua del pozo de

acopio, hacerla pasar por el enfriador y devolverla al pozo.

Se considerar un flujo de agua de 120 l/min., buscando tener una velocidad

del agua cercana a 1 m/seg.

Con Q = A * V

Q = 120 l/min. = 0,002 m3/s.

V = 1 m/s.

A = 0,002 / 1 = 0,002 m2 Dimetro tubera, D = 0,05 m = 50 mm.

La tubera ser de PVC Hidrulico, clase 10, de un dimetro de 50 mm., y el

recorrido en tramos rectos ser de 7mts.

39

Clculo de carga total de la bomba

Prdidas de carga por friccin:

Con la ecuacin 1.5 se puede calcular las prdidas primarias y con la

ecuacin 1.7 se calcula el nmero de Reynolds. Con la tabla 1.1 se tiene el

coeficiente de friccin f:

Datos:

V = 1m/s ; D = 0,05 m ; agua salada = 1,51 * 10-6 m2/seg

610*51,105,0*1Re = = 33.112,58 f = 0,023

Luego

=

8,9*21*

05,07023,0

2

LH = 0,16 m

Con la ecuacin 3.8 se calcula las prdidas secundarias:

Se consideran los siguientes accesorios y su coeficiente de friccin K:

Codos 90.0,57 (5 codos)

Vlvula de bola abierta 50%..5,6 (1 vlvula)

Reduccin 50 a 13 mm....0,45 (1 reduccin)

Expansin de 25 a 50 mm..0,67 (1 expansin)

En el equipo enfriador de agua la cada de presin es 0,78m (Anexo C.1)

40

Luego, ( )

+++=

8,9*2167,045,06,585,2

2

LH + Lequipo = (9,57 * 0,051) + 0,78 = 1,26

m 1,3 m

La prdida por friccin total es:

HL = 1,3 + 0,16 = 1,46 m.

La altura topogrfica desde el nivel del pozo es de 0,6 metros

La carga total de la bomba es:

H = 1,46 + 0,6 = 2,06 m.

La potencia de la bomba se calcula con la ecuacin 1.12:

= * g = 1.027,45 * 9,8 = 10.069,01 N/m3 48,4106,2*002,0*01,069.10 ==uN W.

Observando los catlogos y grficos de bombas para agua salada se busca la

que entregue el caudal en una buena eficiencia y baja potencia, ya que las prdidas

que existen son bajas y la altura de presin no llega a los rangos de operacin.

Al seleccionar las dos opciones ms indicadas, debemos tomar una decisin

entre las que se muestran en el Anexo C.11.

De las bombas Piscis marca ESPA, el modelo 3 70M en el punto de operacin

indicado en la figura 4.10, la potencia de la bomba es de 0,63 kW a una eficiencia de

43% aproximadamente, el modelo 3 50M tiene una eficiencia de 38% y una potencia

de 0,58 kW.

41

La curva de la instalacin y el punto de operacin es la siguiente:

Figura 4.10 Punto de operacin

Con la ecuacin 1.11, se calcula la potencia de accionamiento:

Bomba modelo 3 50M:

kWkWN

Nb

ua 52,138,0

58,0 ===

Bomba modelo 3 70M:

kWkWN

Nb

ua 41,143,0

61,0 ===

Finalmente se escoge el modelo 3 70M, ya que la potencia de accionamiento

es menor, as se dimensiona totalmente el circuito de enfriamiento del agua.

42

4.3.2 Sector Filtros de anillas

Se dispone de un filtro que se encuentra entre el pozo y el fraccionado de

espuma (Skimmer). A continuacin se harn los clculos pertinentes para la

seleccin de esta bomba. Esta ser representativa para las que se pondrn entre los

dems procesos, ya que el caudal requerido es de 100 l/min. para todos y que la

prdida de carga se va a asumir baja en los otros equipos. Tomando en cuenta que

se tiene dos equipos alimentados con esta bomba, el filtro y el Skimmer, el cual

requiere por lo menos de un nivel de agua de 1m (Anexo C.3).

Datos:

Caudal requerido de 100 l/min. La Tubera ser de PVC Hidrulico de un dimetro de 40 mm., y el

recorrido en tramos rectos ser de 4mts.

Filtros ubicados a una altura de 0.8 m del pozo Nivel de agua del Skimmer respecto del pozo es de 1.4 m.

Clculo:

La velocidad del agua ser de 1,33 m/seg.

Clculos de prdidas por friccin:

Anlogo a lo anterior se calcula los nmeros de Reynolds y se obtiene el

coeficiente de friccin f.

43

V = 1,33 m/s ; D = 0,04 m ; agua salada = 1,51 * 10-6 m2/seg

610*51,104,0*33,1Re = = 35.231,78 f = 0,023

De la ecuacin 1.5 se calcula las prdidas primarias:

=

8,9*233,1*

04,04023,0

2

LH = 0,02 m

De la ecuacin 1.8 podemos calcular las perdidas secundarias:

Se consideran los siguientes accesorios y su coeficiente de friccin K:

Vlvulas de bola 100% abierta.2,5 (5 vlvulas)

Codos 90.0,57 (6 codos)

En el Filtro de anillas la cada de presin es de 0,4 m (Anexo C.4).

No se considerar prdida de carga en el Skimmer, ya que para efectos de la

bomba es slo un depsito en el que descarga el agua. El funcionamiento del equipo

es independiente ya que la unidad fraccionadora de espuma viene con su propia

bomba.

Luego, ( )

+=

8,9*233,142,35,12

2

LH + Lequipo = (15,92 * 0,09) + 0,4 = 1,83 m

44

La prdida por friccin total es:

HL = 0,02 + 1,83 = 1,85 m

La altura topogrfica desde el nivel del pozo es de 1,4 metros:

Luego la carga total de la bomba es:

H = 1,85 + 1,4 = 3,25 m.

La potencia de la bomba se calcula con la ecuacin 1.12:

4,5225,3*0016,0*01,069.10 ==uN W.

En este caso el punto de operacin nos indica que el modelo 3 50M

trabajar a una eficiencia de 35% y a una potencia de 0,49 kW y el modelo 3 70M

trabajar a una eficiencia de 37% y a una potencia de 0,58 kW.

La curva y el punto de operacin de la instalacin es la siguiente:

Figura 4.11 Punto de operacin.

45

Con la ecuacin 1.11, se calcula la potencia de accionamiento:

Bomba modelo 3 50M:

kWkWN

Nb

ua 4,135,0

49,0 ===

Bomba modelo 3 70M:

kWkWN

Nb

ua 56,137,0

58,0 ===

Finalmente se escoge el modelo 3 50M, ya que la potencia de accionamiento

es menor.

46

4.3.3 Sector Desgasificador

A continuacin del Skimmer, para su descarga implementaremos un estante de

acopio del cual se bombear el agua hacia el estanque desgasificador. Este

estanque es necesario para albergar el agua, ya que no se puede succionar

directamente del Skimmer ya que interrumpira el normal funcionamiento de este.

El estanque tendr unas dimensiones de 1m x 1m x 0,5m, es decir, albergar un

volumen de 0,5 m3.

Como se mencion en la eleccin de la bomba anterior, para suministrar los 100

l/min. se ocupa la misma bomba, ya que solo se tiene un tramo recto de dos metros

de tubera, una vlvula de bola y dos codos de 90.

4.3.4 Sector Germicida UV

En esta eleccin se toma en cuenta que hay que alimentar el germicida UV y la

llegada del agua a los estanques de cabecera que alimentan por gravedad a los

estanque se incubacin.

Datos:

Caudal requerido de 100 l/min. La tubera ser de PVC Hidrulico de un dimetro de 50 mm., y el

recorrido en tramos rectos ser de 14m.

Germicida ubicado al nivel de la bomba.

47

El nivel de los estanques de cabecera respecto del nivel del desgasificador es de 3,6 m.

Clculo:

La velocidad del agua ser de 0,85 m/seg.

Se calcula el nmero de Reynolds y el coeficiente de friccin f:

V = 0,85 m/s ; D = 0,05 m ; agua salada = 1,51 * 10-6 m2/seg

610*51,105,0*85,0Re = = 28.145,7 f = 0,02

Clculos de prdidas por friccin:

Se calculan las prdidas primarias:

Luego

=

8,9*285,0*

05,014023,0

2

LH = 0,23 m

Clculo de las prdidas secundarias:

Se consideran los siguientes accesorios y su coeficiente de friccin K:

Vlvulas de bola 100% abierta...2,5 (4 valvulas)

Codos 90...0,57 (8 codos)

Tee...0,3 (1 Tee)

Equipo Germicida..2,85

48

Luego, ( )

+++=

8,9*285,085,23,056,410

2

LH = (17,71 * 0,0368) = 0,65 m

La prdida por friccin total es:

HL = 0,23 + 0,65 = 0,88 m

La altura topogrfica desde el nivel del desgasificador es de 2,6 metros:

Luego la carga total de la bomba es:

H = 0,88 + 2,6 = 3,48 m.

La potencia de la bomba es:

18,5648,3*0016,0*01,10069 ==uN W.

En el clculo se observa que cambi el dimetro de la tubera. Esto se justifica

porque con un dimetro de 50 mm., las prdidas bajan y se puede pensar que a

futuro la instalacin pueda cambiar y agregar ms tendidos de tubera e incrementar

la carga de la bomba. Con esto se asegura que utilizando la misma bomba anterior

satisface los requerimientos.

4.3.5 Suministro por gravedad a estanques.

Para dimensionar los estanques de cabeceras se tiene dos opciones. Una opcin

es elegir el tipo de tubera (dimetro), y dependiendo de eso dimensionar los

estanques que logren vencer la carga requerida. La otra opcin es elegir los

estanques y despus calcular las tuberas.

La segunda opcin es la escogida, ya que en la instalacin se restringen mucho

ms los estanques, ya sea por la ubicacin, espacio y peso de estos.

49

Datos:

Dispuestas las instalaciones, se consideran 2 estanques de 1m. de dimetro y 1m. de alto.

Ubicados a una altura de 3,55 m. del suelo. El nivel del agua que alcanzan los estanques es de 4,55 m del suelo. Existe un estanque intermedio en la sala de incubacin, para regular la

salinidad y el pH del agua.

Los clculos se harn en planilla Excel, ya que los dimetros varan en la instalacin.

Despus de haber hecho los clculos pertinentes (ver Anexos D), la altura de

prdidas totales fueron de 2,95 m., lo cual al haber puesto los estanques a la altura

de 4,55 m., asegura que la carga del sistema es vencida.

50

CAPITULO V

ACLARACIONES Y

DISPOSICIN FINAL DEL PROYECTO

51

5.1 Aclaraciones

Es importante en el Sistema de Recirculacin de Agua, lograr un sistema centralizado, es decir, realizar una instalacin sin contacto con los cultivos, que

solo entregue el agua en condiciones ptimas. Por esto se opt por implementar

los estanques de cabecera, para reemplazar una bomba. Estos estanques nos

permiten tener una estabilidad trmica mayor, un factor de seguridad del sistema,

que vendra siendo el tiempo que demora en vaciarse cuando exista algn

problema inesperado con el SRA, tambin advierte de un mal filtrado, ya que el

agua de acumulacin en el estanque se ver afectada de forma lenta, puesto que

el agua mal filtrada se disuelve en el depsito que an contiene agua bien filtrada.

Tiempo que demoran en vaciarse los estanques:

QT= 100 l/min

VT= 785,3 * 2 = 1.570,8l.

15100

8,1570 ===T

T

QVT 42.

La regulacin de los caudales, y puntos de operacin de las bombas se harn por medio de vlvulas implementadas convenientemente. En el suministro hacia los

estanques, se proporciona un caudal para cada sala, segn requieran los estanques

de recambio de agua. Para la sala de incubacin se regulan las vlvulas de bola

para un recambio de agua de 1 l/min., en 28 estanques. Para la sala de incubacin

se regula la matriz a 28 l/min.

52

Los equipos necesarios para el proceso, se calcularon segn necesidades y disposicin fsica de la instalacin, los clculos fueron efectuados gracias a un

respaldo terico y un coeficiente de seguridad estimado para cada equipo.

El clculo de la instalacin hidrulica, tendido de tuberas, distribucin a estanques, regulacin de caudales, fueron hechos y escogidos segn lo que

nos muestra la teora y lo que existe en el mercado. Se aument el factor de

seguridad, ya que las elecciones de capacidad siempre se tomaron al valor

prximo mayor.

Para la sala de los estanques de larvas con saco vitelino (Yolk-Sac) se requiere de

un flujo de recambio de agua de 2 l/min., en 10 estanques. Es decir la sala de Yolk-

Sac se regula para 20 l/min. Se tiene un caudal total utilizado de 48 l/min.,

tericamente, ya que habr prdidas de agua, en la realidad se ocupar ms de 48

l/min. Para el caudal que no se ocupe, se instalar una tubera conectada con la

matriz de drenaje que se dirige de vuelta al pozo de acopio en la sala del SRA; con

esta tubera se regular el nivel de agua de los estanques de cabecera.

El retorno del agua al pozo de acopio, se har de forma natural. El agua

correr por las tuberas por gravedad, estas debern tener una pendiente mnima de

1%.

5.2 Disposicin final del proyecto

El orden en que van los equipos est dado por el orden de filtrado, de lo mas

grueso (captacin de SST), hasta lo ms fino (bacterias).

53

El orden de los equipos y el dimetro de las tuberas se resumen en la figura

5.1:

Figura 5.1Instalacin de Sistema de Recirculacin de Agua.

Un mejor detalle se muestra en isomtrico del plano contenido en esta

memoria.

54

CAPITULO VI

CONCLUSIONES

55

6.1 Conclusiones

Se dise un Sistema de Recirculacin de Agua (SRA), con el objetivo

general de mejorar un sistema de cultivo de peces a partir de la calidad de agua.

De experiencias realizadas en cultivo de peces planos de la Universidad de

Magallanes en Bahia Laredo, este sistema ha dado muy buenos resultados,

cumplindose el objetivo principal, que es aumentar la tasa de sobrevivencia de los

cultivos de larvas.

Esta experiencia se realizo en los meses de septiembre, octubre, noviembre y

diciembre del ao 2007, no mejoro el nmero de larvas, comparado con el ao

anterior, los resultados se reflejaron en la fase siguiente, que es la obtencin de

juveniles, esta fase es ya realizada la transicin de larvas a pez, aumento

considerablemente el numero de juveniles, este proceso de obtencin esta en curso,

y se pronostica un numero de 4.000 o mas juveniles, siendo la produccin del ao

pasado, sin este proyecto, de 280 juveniles.

De los aspectos especficos, se concluye lo siguiente:

Se observa que para optimizar el proceso, se debe hacer un estudio minucioso de los requerimientos. Se investigaron los parmetros de calidad

del agua para el mejoramiento del hbitat de la especie, obtenindose los

valores especficos de pH, temperatura, salinidad, filtrado, oxgeno.

Se estim los resultados gracias a la informacin obtenida de personal encargado del centro acucola de la Universidad de Magallanes. Se espera

mantener una estabilidad trmica de +/- 0,5C, agua casi sin SST y con baja

56

carga microbiolgica, La sobrevivencia se estima en un 1% lo cual sera muy

bueno.

Los resultados obtenidos fueron los requerimientos mnimos para este sistema de recirculacin de agua en particular, algunos equipos, tales como,

los filtros de anillas, el soplador, y el germicida UV, son distintos a los que ya

se encuentran instalados, siendo estos de una capacidad mayor, se concluye

de esto, que este proyecto, comprueba las capacidades instaladas.

El Proyecto, se realiz, durante el Segundo Semestre del ao 2007. Se ejecuto, en las instalaciones del Centro de Cultivos Marinos Baha Laredo de

la Universidad de Magallanes, y est funcionando en forma eficiente, en

beneficio del cultivo de peces planos Halibut.

57

REFERECIAS

1. M.B. Timmons, J.M. Ebeling, F.W. Wheaton, S.T. Summerfelt, B.J. Vinci,

Sistemas De Recirculacin para La Acuicultura. Edicin en Espaol,

G.Parada, M. Hevia. julio 2002

2. Vctor L. Streeter, Benjamn Wylie, Keith W. Bedford, Mecnica de Fluidos,

novena edicin, noviembre 1997.

3. Gilbert Bernab, Acuicultura II, Edicin Omega, 1991.

4. Julio Coll Morales, Acuicultura Marina Animal, 3 edicin, 1991

5. http://www.biolight.cl (septiembre 2007)

6. http://www.tecumsehcoolproducts.com/inside/tr_search_air_cooled_by_one.p

hp (noviembre 2007)

7. http://es.wikipedia.org/wiki/Agua_de_mar (septiembre 2007)

8. http://www.aquatic-eco.com/index.cfm (octubre 2007)

58

ANEXOS

59

Anexos A

Teora Mecnica de los Fluidos

60

Anexo A.1

Tabla A.1: Valores de K para varios tipos de accesorios

61

Anexo A.2

Grafico A.2: Diagrama de Moody

62

Anexos B

Teora Propiedades del Agua

63

Anexo B.1

Tabla B.1: Uso de agua por Kg. De produccin (segn Phillips et al., 1991)

Especies y sistemas

Intensidad de produccin

Agua Necesaria Relacin=Uso de agua o terreno a Uso de SRA

(kg/ha/ao) (l/kg) Terreno Agua O.niloticus (Tilapia del Nilo) 17.400 21.000 77 210 lagunas I.punctatus (Bagre de Canal) 3.000 3.000-5.000 448 400 lagunas 0.Mykiss (Trucha Arcoiris) 150.000 210.000 9 2,1 "Raceways" Camaron Panaeido

de laguna 4.200-11.000 11.000-21.340 177 160

(Taiwan) 0.niloticus (Tilapia del Nilo) 1.340.000 a 100 1 1 SRA

64

Anexo B.2

Tabla B.2: Criterios de calidad de agua para Acuicultura.

65

Anexo B.3

Grafico B.3: Dependencia de concentraciones de Dixido de carbono disuelto

segn pH y alcalinidad (grafico superior), Concentraciones de Amoniaco y

Nitrgeno Amoniacal total (NAT) (grafico inferior).

66

El Anexo B.4

Tabla B.4: Concentracin de Oxigeno disuelto en funcin de la temperatura y

salinidad.

Salinidad Temp.(C) 0 5 10 20 30 0 14,6 14,11 13,64 12,74 11,9 1 14,2 13,73 13,27 12,4 11,58 2 13,81 13,36 12,91 12,07 11,29 3 13,45 13 12,58 11,76 11 4 13,09 12,67 12,25 11,47 10,73 5 12,76 12,34 11,94 11,18 10,47 6 12,44 12,04 11,65 10,91 10,22 7 12,13 11,74 11,37 10,65 9,98 8 11,83 11,46 11,09 10,4 9,75 9 11,55 11,19 10,83 10,16 9,53 10 11,28 10,92 10,58 9,93 9,32 11 11,02 10,67 10,34 9,71 9312 12 10,77 10,43 10,11 9,5 8,92 13 10,53 10,2 9,89 9,3 8,74 14 10,29 9,98 9,68 9,1 8,56 15 10,07 9,77 9,47 8,91 8,38 16 9,86 9,56 9,28 8,73 8,21 17 9,65 9,36 9,09 8,55 8,05 18 9,45 9,17 8,9 8,39 7,9 19 9,26 8,99 8,73 8,22 7,75 20 9,08 8,81 8,56 8,07 7,6 21 8,9 8,64 8,39 7,91 7,46 22 8,73 8,48 8,23 7,77 7,33 23 8,56 8,32 8,08 7,63 7,2 24 8,4 8,16 7,93 7,49 7,07 25 8,24 8,01 7,79 7,36 6,95 26 8,09 7,87 7,65 7,23 6,83 27 7,95 7,73 7,51 7,1 6,72 28 7,81 7,59 7,38 6,98 6,61 29 7,67 7,46 7,26 6,87 6,5 30 7,54 7,34 7,14 6,76 6,39

Conversin de clorinidad (Cl) a salinidad (S):

S = 1.80655 x Cl Agua de mar normal es 35% o 35 ppt S (19.37 ppt Cl)

67

Anexo B.5

Tabla B.5: Propiedades de aditivos de Alcalinidad.

Formula Qumica

Nombre(s) Comn(es)

Peso equivalente(q/eq.)

Solubilidad Tasa de solubilizacion

NaOH hidrxido de sodio 40 alta rpida

Na2CO3

carbonato de sodio, ceniza de soda

53 alta rpida

NaHCO3 bicarbonato de sodio 83 alta rpida

CaCO3 carbonato de calcio, calcita 50 moderada moderada

CaO cal muerta 28 alta moderada

Ca(OH)2 hidrxido de calcio, cal hidratada

37 alta moderada

CaMg(CO3)2 dolomita 46 moderada lenta

MgCO3 carbonato de magnesio, magnesita

42 moderada lenta

Mg(OH)2 hidrxido de magnesio 29 moderada lenta

68

Anexo B.6

Grafico B.6: Relacin entre concentraciones de pH, alcalinidad de pH, alcalinidad y

CO2

69

Anexos C

Diseos y equipos para el Sistema de Recirculacin de agua

70

Anexo C.1

Tabla C.1: Especificaciones generales del enfriador de agua

71

Anexo C.2

Tabla C.2: Comportamiento trmico del enfriador de agua.

Figura C.2.1: Dimensiones del equipo:

72

Anexo C.3

Figura C.3: Fraccionado de espuma tipo Venturi

73

Anexo C.4

Figura C.4: Filtro de anillas recto

74

Anexo C.5

Figura C.5: Programa de calculo del control de dixido de carbono

Control del dixido, de carbono Book, version 1.0Programa DOS

Figura C.5.1: Programa de calculo del control de dixido de carbono, parmetros de

contruccin

75

Anexo C.6

Figura C.6.1: Programa de calculo del control de dixido de carbono, parmetros de

entrada de acuicultura

Figura C.6.2: Programa de calculo del control de dixido de carbono, parmetros de

entrada de control

76

Anexo C.7

Figura C.5: Programa de calculo del control de dixido de carbono, Resultados de

instalacin de Desgasificador

77

Anexo C.8

Figura C.8: Equipo aireador del desgasificador

78

Anexo C.9

Tabla C.9: Algunas bacterias y su dosis letal

79

Anexo C.10

Figura C.10: Modelos Genocida UV

C: Unin PVC a cementar.

80

Anexo C.11.

Grafico C.11: Bombas Hidrulicas para agua salada.

81

Anexos D

Perdidas de carga en salas de estanques

82

Anexo D.1

Tabla D.1: Tabla prdidas de carga

83

Anexo D.2

Tabla D.2: Tabla prdidas de carga

84

Anexo D.3

Tabla D.3: Tabla prdidas de carga

85

Anexo D.4

Tabla D.4: Tabla prdidas de carga

86

Anexo E

Costos de materiales y equipos

87

Anexo E

Tabla E.1: Lista de precios de equipos y tuberas PVC Hidrulico

Cantidad Producto Precio unitario Precio total

2 Tubera D:25mm. (tiras de 6 metros) 2.380 4.7602 Tubera D:40mm. (tiras de 6 metros) 5.190 10.3805 Tubera D:50mm. (tiras de 6 metros) 8.490 42.4505 Tubera D:63mm. (tiras de 6 metros) 11.490 57.4501 Fiting 50.000 50.0002 Bomba piscis marca ESPA, modelo 3 70M 136.933 273.8662 Bomba piscis marca ESPA, modelo 3 50M 132.358 264.716

1 Equipo enfriador Condensing Unit,TECUMSEH 1.655.480 1.655.4801 Filtro de anillas recto 326.700 326.7001 Fraccionado de espuma Skimmer 1.850.000 1.850.000

1 Soplador Sweetwater Regenerative Blowers max duty 230V Single Phase 247.494 247.494

1 Germicida UV - 80 630.000 630.000 Total: $ 5.413.296

Cotizacin hecha el 27 de diciembre de 2007

88

ANEXO F

Mecnica de los fluidos

89

Mecnica de Fluidos

La mecnica de fluidos es el estudio del efecto de las fuerzas sobre los

fluidos, e incluye la esttica de fluidos (fluidos fijos) y la dinmica de fluidos (fluidos

en movimiento). En trminos de ingeniera, un fluido es una sustancia que se

deforma continuamente cuando esta sometida a un esfuerzo de corte. En

acuicultura, el agua y el aire son los dos fluidos de mayor inters. El agua es un

lquido a las presiones y temperaturas comunes, aunque en esas condiciones

tambin existen pequeas cantidades de agua como gas (vapor). Como lquido, el

agua puede ser tratada como un fluido incompresible. El aire, por otra parte, es un

gas compresible. Dos propiedades fsicas de importancia en los fluidos que manejan

son la densidad y el peso especfico. La densidad se define como masa por unidad

de volumen (kg/m3), y el peso especfico se define como peso por unidad de

volumen (N/m3). La gravedad especfica de un fluido es la razn entre su densidad y

la densidad del agua y es adimensional.

La presin de un fluido se define como la fuerza normal (perpendicular)

ejercida sobre una unidad de superficie, generalmente se expresa en Pascal (Pa),

libras por pulgada cuadrada (psi), milmetros de mercurio (mm Hg) y otros. La

medicion de la presin puede ser absoluta o puede referirse al exceso sobre la

presin atmosfrica. Si la lectura de la presin usa de referencia el cero absoluto,

hay que referirse a la medicin como la presin absoluta indicando en sus unidades

la letra a, como en psia. La presin atmosfrica (absoluta) a nivel medio del mar es

de 101 kN/m2, 14,7 psi o 760 mm de mercurio (Hg).

90

Ley de conservacin de masa.

La masa no puede ser creada ni destruida, entrega el concepto de la ecuacin

de continuidad. Para el flujo en una tubera significa que la masa del fluido que

atraviesa una seccin de una tubera cerrada debe tambin pasar por todas las

dems secciones de esa tubera, puesto que no tiene otras vas por donde pasar. Al

usar la ecuacin de continuidad, las velocidades en la tubera pueden ser calculadas

fcilmente si se conoce el caudal que viaja en la tubera:

Q = 1 A1 V1 = 2 A2 V2 (1.1)

Adems, se puede determinar la velocidad a travs de secciones de

diferentes dimetros de la tubera puesto que la densidad del flujo es la misma, de

ah que:

V1 A1 = V2 A2 (1.2)

(1.3)

La magnitud de la velocidad del agua es una variable fundamental, ya que

influye en las prdidas de presin del trayecto, curvas y accesorios encontradas a lo

largo de la tubera.

4* 2DA =

91

Ley de conservacin de energa

La energa total en cualquier punto de un fluido est formada por tres

componentes:

La energa potencial debido a la ubicacin vertical de un elemento de fluido. La energa potencial debido a la presin. La energa cintica consecuencia del movimiento del fluido.

De la ley de conservacin de energa, la energa total en cualquier punto de

un sistema fluido debe ser la misma. Esto nos entrega la ecuacin de Bernoulli, la

que generalmente se expresa como:

2

222

2

211

11 *2*2E

gVPZ

gVPZE =++=++= (1.4)

Donde:

Z1, Z2 : Elevacin respecto a un nivel base.

g

V*2

21 ,

gV*2

22 : Altura de velocidad o carga.

1P ,

2P : Altura de presin.

92

Prdidas por friccin

La magnitud de las prdidas por friccin en las tuberas, est en relacin con

la friccin del dimetro interno de la tubera, la longitud, la velocidad del fluido,

rugosidad de las superficies internas y ciertas propiedades fsicas del fluido, tales

como densidad y viscosidad.

Prdidas de carga primarias

Son las prdidas que se producen en los tramos rectos de tubera.

Ecuacin de Darcy-Weisbach

=

gV

DLfH L *2

*2

(1.5)

Donde:

HL: Prdidas de carga en el tramo recto de tubera.

f : Factor de friccin.

L : Longitud de tubera.

V : Velocidad del fluido.

D : Dimetro de tubera

g : Aceleracin de gravedad.

93

Ecuacin Hazen-Williams

=

87.4

852.1852.1

*100*2083.0DQ

CH

WHL (1.6)

Donde:

HL : Prdidas de carga en tramo recto de tubera (fth2o/100fttubera)

CH-W : Constante de Hazen-Williams.

D : Dimetro de tubera (pulg)

Q : Caudal (gal./min.)

Nmero de Reynolds

El nmero de Reynolds, Re, es el producto de la velocidad y el dimetro de la

tubera (fuerzas de inercia) dividido por la viscosidad cinemtica (fuerzas

viscosas):

vVD=Re (1.7)

Donde:

V : Velocidad del fluido.

D : Dimetro de tubera.

: Viscosidad cinemtica.

94

El Re se usa con un diagrama de Moody, ver Anexo A.2, para determinar el

factor de friccin f. Para las tuberas lisas, por ejemplo: plstico, cobre, vidrio,

etc., se puede usar la siguiente tabla:

Re f 2.300 0,042 10.000 0,030 20.000 0,025 50.000 0,021 75.000 0,019 100.000 0,018 200.000 0,016 500.000 0,013 1.000.000 0,012 2.000.000 0,011

Nota: para Re

95

Bombas

Todos los sistemas de recirculacin para acuicultura utilizan alguna clase de

bomba para llevar el agua a la cota ms alta o para incrementar la presin en el

sistema y hacer posible la filtracin, aireacin, la desgasificacin, etc.

La bomba centrfuga est presente en la mayora de los sistemas de

impulsin usados en la industria acucola.

Seleccionar una bomba requiere conocer al menos los siguientes factores:

Carga total necesaria. Flujo de descarga necesario. Altura de aspiracin necesaria. Lquido que debe ser bombeado y sus caractersticas (agua dulce, agua

salada, slidos suspendidos)

Bombeo continuo o independiente. Fuente de poder disponible (energa monofsica o trifsica, motor diesel o

gas)

Espacio, peso, y limitaciones similares. Requisitos especiales.

El trmino altura y carga se usan comnmente para expresar la presin en

algn punto en trminos de elevacin (pies o metros). Las siguientes expresiones de

96

altura son encontradas frecuentemente en la industria para describir los parmetros

de diseo y desempeo de los sistemas:

Altura esttica: La presin hidrulica en algn punto del fluido (agua) cuando este se encuentre en reposo.

Altura de Prdida por friccin: Es la altura (energa) requerida para vencer la resistencia al flujo en las caeras con sus accesorios.

Altura de velocidad: La energa de un fluido debido a su velocidad. Altura de presin: Presin medida en las unidades de altura

equivalentes.

Altura de descarga: La altura de velocidad ms la presin de salida en una bomba en operacin.

Altura dinmica total: Es la diferencia entre la altura total de descarga y la altura de succin de una bomba en operacin.

Altura de succin total: Es la presin medida en la succin de la bomba ms la altura de velocidad en ese punto.

Carga de succin total: Es la distancia vertical desde la superficie esttica del agua al centro de la succin de bomba. Este valor es

positivo cuando la bomba est ubicada en cota superior a la de la

superficie del agua.

La altura de succin total es la presin atmosfrica menos la diferencia de

cota entre la succin de la bomba y la superficie libre del fluido, menos las prdidas

por friccin en las tuberas del lado de la aspiracin de la bomba, y ms la altura de

velocidad en la succin. Como los valores de altura de velocidad y prdidas por

97

friccin son generalmente pequeos en relacin con los de altura de succin, con

frecuencia son desperdiciados.

Si la presin cae debajo de la presin de vapor de agua en la entrada a la

bomba, el agua se vaporizar y generar pequeas burbujas provocando cavitacin.

Este proceso de formacin de burbujas de vapor en la succin y su posterior colapso

cuando la presin aumenta debido al trabajo de la bomba, produce fatiga de piezas

metlicas de la bomba e impulsores, y picaduras en sus superficies.

NPSH de una bomba

En teora, la mayor carga de succin posible est cerca de 10 metros a nivel del

mar, pero lmites prcticos reducen este valor al rango 4,6 a 6,1m para operaciones

razonables eficientes. La altura de succin neta requerida (NPSHrequerida, Net Positive

Suction Head), para impedir cavitacin, es una funcin del diseo y velocidad de la

bomba, y generalmente se encuentra especificada por el fabricante.

NPSH requerido < NPSHdisponible (1.9)

Donde NPSH disponible se define como la presin atmosfrica menos las prdidas

por friccin en el lado de la aspiracin de la bomba, la altura de aspiracin, y la

presin de vapor de agua.

gVP

HHP

NPSH svsuccsuccdisponible 2

20 = (1.10)

98

Rendimiento de una bomba

La bomba absorbe energa mecnica de una mquina impulsora y restituye al

fluido energa hidrulica en forma de presin y caudal. Existe una disminucin de

ella, por efectos de calor y rozamiento de partes mecnicas.

La capacidad que tiene la bomba de entregar energa al fluido a partir de la

que absorbe de su motor va asociada al concepto de rendimiento:

a

ub N

N= (1.11)

Donde:

b : Rendimiento de la bomba

Nu : Potencia de la bomba.

Na : Potencia de accionamiento.

La potencia de la bomba es:

HQNu **= (1.12) Donde:

Q : Caudal que circula por la bomba.

H : Altura manomtrica de la bomba.

: Peso especfico del fluido.

99

Altura manomtrica

Para la eleccin de una bomba en un sistema se deduce la ecuacin derivada

de la ecuacin de Bernoulli (ec. 3.4) aplicada entre la aspiracin y la descarga del

sistema:

De 22

222

211

11 *2*2E

gVPZ

gVPZE =++=++= ;

Con Z2 - Z1 = Htop e incorporando las prdidas; Tenemos:

HHtopgVVPPHm +++= *2

21

2212

(1.13)

Donde:

Hm : Altura manomtrica

g

V*2

22 -

gV*2

21 : Altura de velocidad o carga.

2P -

1P : Altura de presin.

Htop : Altura topogrfica.

H : Altura de prdidas por friccin.

100

Curva de la instalacin

La curva de elevacin total de una bomba cualquiera que trabaja con un

caudal dado a travs de un sistema, es la suma algebraica de la altura topogrfica

de elevacin ms la diferencia de altura de presin entre los niveles de impulsin y

descarga ms todas las prdidas de carga que se registran con ese caudal.

HPPHtopHinst ++= 12 (1.14)

H es funcin cuadrtica de la velocidad y por ende del caudal, as tenemos:

gVKH

*2* 2= (1.15)

Donde:

AQV =

La inclinacin de la curva depende del valor que adopte K`.

2'*QKH = (1.16)

Donde K es una constante que involucra los coeficientes de prdidas de

carga de la instalacin y las caractersticas de la tubera.

101

Energa y Potencia trmica

Al aumentar la temperatura de un sistema, sin que vare nada ms, aumenta

su energa interna reflejado en el aumento del calor del sistema completo o de la

materia estudiada.

Sin que se modifique la composicin qumica o cambio de estado de la

materia que compone el sistema, se habla de variacin de la energa interna

sensible y se puede calcular de acuerdo a los siguientes parmetros:

TCmE p = ** (1.17)

Donde:

E : Variacin de energa o de calor del sistema en un tiempo definido

m : Masa

Cp : Calor especfico a presin constante

T : Variacin de temperatura

102

Como sabemos que la potencia se define como energa por unidad de tiempo

tenemos que la potencia es:

TCmP p = **& (1.18)

Donde:

P : Potencia trmica

m& : Flujo msico

Cp : Calor especfico a presin constante

T : Variacin de temperatura

TAPA TESIS1 hojas tesistrabajo titulo