DISEO DE OBRAS HIDRALICASTEMA: DESARENADORES

GRUPO N6

INTEGRANTES: ARISTA ARVALO SAMIR QUESQUE ISIQUE WILLIAN PERLECHE SECLEN JUAN CARLOSNDICEI.- INTRODUCCINII.- OBJETIVOSIII.- DESARENADORES

3.1. DEFINICION:

3.1.1. FUNCIONES DEL DESARENADOR

3.2. FUNDAMENTOS DEL DISEO DE UN DESARENADOR.

3.2.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN DESARENADOR.

3.2.1.1. HIDRAULICAMENTE.3.2.1.2. SEDIMENTTOLOGICAMENTE.3.2.2. EVOLUCION.3.2.2.1. CAMARAS DE DECANACIN.3.2.2.2. DESARENADORES.3.3. ELEMENTOS DE UN DESARENADORES.3.3.1. TRANSICIN DE ENTRADA.3.3.2. NAVES DESARENADORAS.3.3.3. CONTINUIDAD DE SERVICIOS.3.4. TIPOS DE DESARENADORES.3.5. ESTUDIOS IMPORTANTES PARA EL DISEO3.5.1. INFORMACIN BSICA PARA EL DISEO.3.5.2. PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE UN DESARENADOR DEBERAN DETERMINARSE LOS SIGUIENTES PARMETROS DE DISEO.3.6. CRITERIOS DE DISEO.3.7 CONSIDERACIONES PARA EL DISEO HIDRULICOIV. SIMULACION NUMRICA DE DESARENADOR PARA UN NUEVO SISTEMA DE LAVADO V.EJEMPLO APLICATIVO

I. INTRODUCCIN: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 a las obras.

II. OBJETIVOS: Plasmar los conceptos sobre el Funcionamiento Hidraulico de un Desarenado.

Informar sobre los Fundamentos, Elementos y Criterios a utilizar en el Diseo de un Desarenador Hidrulico.

III. DESARENADORES:3.1. DEFINICION:Son las estructuras que permiten eliminar ciertas partculas ms finas de los slidos que se encuentran en suspensin en la masa de fluido.Cuando se capta agua de un ro inevitablemente estaremos tambin captando sedimentos en suspensin y de arrastre.Los desarenadores tienen la importante misin de eliminar las partculas indeseadas que se encuentran en suspensin en el agua y posterior, mediante una adecuada accin arrojarlas al ro.

3.1.1. FUNCIONES DEL DESARENADOR.LA DECANTACIN: De una parte de las partculas slidas, acarreadas en suspensin por la corriente de un canal .Para lograr la primera funcin se busca crear en el desarenador velocidades bajar y disminuir el grado de turbulencia.

PURGA: del material slido decantado. Para que el desarenador pueda realizar eficazmente su segunda funcin, debe crearse las condiciones para lograr durante la purga suficiente cantidad de transporte y lograr que los slidos sedimentador se dirijan hacia las ventanas, orificios o conductos de purga.

3.2. FUNDAMENTOS DEL DISEO DE UN DESARENADOR.El fundamento principal de diseo es disminuir la velocidad del agua, para que logren sedimentar las partculas en suspensin en una estructura que sea capaz a la vez, de ser limpiada en forma rpida y econmica.

3.2.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN DESARENADOR.

3.2.1.1. HIDRAULICAMENTE. Distribucin uniforme el caudal en las naves desarenadoras. Lneas de corriente paralelas, por lo tanto sin vrtices de eje vertical u horizontal. No causar remanso en el canal agua arriba.

3.2.1.2. SEDIMENTOLOGICAMENTE.

Sedimentacin de los materiales en suspensin. Evacuacin al exterior de los depsitos. Limpieza uniforme de las naves desarenadoras.

3.2.2. EVOLUCIN.Lo que determina la evolucin del desarenador en la forma como son evacuados los sedimentos.

3.2.2.1. CAMARAS DE DECANACIN.En un inicio se usaban sas estructuras formadas por tazas, donde la decantacin y la extraccin de los depsitos eran dos operaciones sucesivas.3.2.2.2. DESARENADORES.En un primer tiempo, en las tomas de agua para irrigacin se iniciaron con los llamados desarenadores en corrientes con velocidades lentas, caracterizadas por una baja velocidad de escurrimiento, entre 0.2 y 0.6 m/s.Posteriormente con la aparicin de las grandes centrales hidroelctricas y surgiendo necesidad de mantener secciones de ciertas dimensiones, sobre todo en tneles, se piensa en velocidades de hasta 1.0 y 1.5 m/s.

3.3. ELEMENTOS DE UN DESARENADORES.

1.Entrada de transicin, el cual conecta el canal con el desarenador.

2.Cmara de Sedimentacin, en el cual caen al fondo partculas con cada fuerte, debido a la disminucin en la velocidad causada por un aumento de seccin transversal

Segn Dubuat los lmites de velocidad bajo qu agua cesa para arrastrar varias materias son:

Arcilla a 0.081 m / s Para arenas 0.160 m / s Para gravas 0.216 m / s

3. Vertedero, el extremo de la cmara es un vertedero en el cual se construye para que el agua pasa al canal limpio Las capas superiores son los primeros en ser limpiado es la razn por la salida de agua del desarenador se hace a travs de un vertedero, que en lo posible debe trabajar con descarga libre.

De la ecuacin de un vertedero rectangular sin contracciones:

Dnde:

Q = Flujo (m3 / s)C = 1.84 (cresta aguda)C = 2.0 (Creager perfil) L = longitud del cresta(m)h = Cabeza sobre el vertedero (m)

4. Compuerta de Lavado o Limpieza, suele sacar material depositado en el fondo. Para facilitar movimiento de arena hacia la puerta, el desarenador est dado un gradiente fuerte hacia abajo de 2% a 6%. La profundidad del efecto creciente obtenido por este gradiente no es incluido en el clculo del desarenador, pero el volumen adicional est tomando obtuvo como reservorios para la arena sedimentada entre dos lavados sucesivosGeneralmente, cuando el lavado del desarenador se realiza, los amortiguadores de entrada estn cerrados. Sin embargo, el desarenador de alimentacin de emergencia se debe vaciar incluso con estas puertas abiertas. Por esta razn, el lavado de compuertas debe ser diseado para un caudal igual al canal mximo por lavado obtenido dividiendo el volumen del desarenador para el tiempo de lavado.

5. Canal De Limpieza, para el que sirve al vaciar el desarenador. El lavado se lleva a cabo generalmente en un corto perodo de tiempo, pero si cualquier motivo, reparacin o inspeccin, es necesario secar la cmara del desarenador, el canal directo a su contorno, permite que el servicio no se detenga. Para ello, la entrada de dos puertas, una de las entradas para el desarenador y se coloca otra para el canal directo.

3.4. TIPOS DE DESARENADORESExisten tres tipos de desarenadores fundamentales:3.4.1. DESARENADORES DE FLUJO HORIZONTAL:Consisten en un ensanchamiento del canal del pre tratamiento de forma que se reduzca la velocidad de flujo y decanten las partculas. Al reducirse la velocidad las partculas se sedimentan cuando son transportadas por el agua. Debe disearse con un canal paralelo para proceder a su limpieza que se realiza manualmente.

3.4.2. DESARENADORES DE FLUJO VERTICAL:El flujo se efecta desde la parte inferior hacia arriba. Las partculas se sedimentan mientras el agua sube. Pueden ser de formas muy diferentes: circulares, cuadrados o rectangulares. Se construyen cuando existen inconvenientes de tipo locativo o de espacio. Su costo generalmente es ms elevado. Son muy utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales.3.4.3. DESARENADORES DE FLUJO INDUCIDO:Son de tipo rectangulares aireados. En estos equipos se inyecta aire por medio de grupos motosoplantes creando una corriente en espiral de manera que permite la 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.

3.5. ESTUDIOS IMPORTANTES PARA EL DISEO.

3.5.1. INFORMACION BASICA PARA EL DISEO.

Caudal de Diseo: Las unidades en una planta de tratamiento sern diseadas para el caudal mximo diario

Calidad fisicoqumico del agua: Dependiendo de la calidad del agua cruda, se seleccionarn los procesos de pre tratamiento y acondicionamiento previo

Caractersticas del clima: Variaciones de temperatura y rgimen de lluvias.

3.5.2. PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE UN DESARENADOR DEBERAN DETERMINARSE LOS SIGUIENTES PARAMETROS DE DISEO: Tamao de la particula inorgnica Velocidad de sedimentacin de las partculas minerales Us (cm/s). Velocidad de escurrimiento horizontal Uh en la zona de desarenacion. Velocidad de paso por el vertedero de dalida o carga hidrulica unitaria qv (m3/s). Temperatura del agua predominante en periodos frios (T C).

3.6. CRITERIOS DE DISEO

3.6.1. DESARENADORES CON FINES DE IRRIGACION:La mayor parte de estos desarenadores se disean para extraer, de la masa fluida, partculas iguales o mayores a 0.2 mm.

NombreTamao en mm.

ArcillaMenor que 0.002

Limo fino0.002 a 0.006

Limo medio0.006 a 0.02

Limo grueso0.02 a 0.06

Arena fina0.06 a 0.2

Arena media0.2 a 0.6

Arena gruesa0.6 a 2

Grava2 a 100

Tab 13. Clasificacin del suelo por el tamao de sus partculas.

3.6.2. DESARENADORES PARA CENTRALES HIDROELECTRICAS.No existe hasta una profunda investigacin para determinar el dimetro mximo de sedimento, que deber pasar por una turbina sin que acelere el desgaste.Los criterios que actualmente se utilizan son los que figuran en las siguientes tablas:

Tabla 14. Dimetro mximo de la arena segn el tipo de turbina de la central hidroelctrica.

Tipo de turbinaDimetro mximo de arena

Pelton0.2 mm a 0.4 mm

Francis0.4 mm a 1 mm

Kaplan1 mm a 3 mm

Tabla 15. Dimetro mximo de la arena en funcin a la altura de cada.

Altura de cadaDimetro mximo de arena

Mayor a 500 m0.1 mm a 0.3 mm

300 a 500 m0.3 mm a 0.5 mm

200 a 300 m0.5 mm a 0.6 mm

100 a 200 m0.6 mm a 1.0 mm

Menor a 100 m1.0 mm a 3.0 mm

3.6.3. PROCESO DE SEDIMENTACION.El agua estancada es el estado ptimo para permitir la sedimentacin, pero las condiciones econmicas y de continuidad de servicio obligan a utilizar procedimientos ms eficaces para su tratamiento.Es por esto que se presenta un anlisis del proceso que sigue una partcula al sedimentar. Uno de los parmetros ms importantes en el estudio de la sedimentacin es el clculo de la velocidad de cada.

A. Fuerzas que actan sobre las partculas suspendidas en agua tranquila y clculo de la velocidad de cada.Se pueden considerar tres fuerzas principales que actan sobre una partcula: Peso de la partcula (P) Empuje del agua sobre la partcula (E). Fuerza de resistencia a la cada (), que depende de la forma de la partcula. Segn las leyes dinmicas:

= B. Velocidad de cada.

= [ , , , ]

: Velocidad de cada: Densidad del fluido: Densidad de la partcula: Viscosidad dinmica del fluido: Dimetro de la partcula: Factor de forma de la partcula: Frecuencia de oscilacin o volcamiento de la partcula.: Rugosidad de la superficieF: Peso de la partcula sumergida en agua

C. Formula de Rubey.Esta frmula es actualmente muy utilizada y su ventaja sobre otras frmulas radica en que tiene en cuenta ms parmetros que influyen sobre la velocidad de cada.

=

: Velocidad de cada: Densidad de la partcula: Densidad del agua: Viscosidad dinmica: Dimetro de la partcula

D. Formula de Stokes.

=

: Velocidad de la partcula en agua calma: Dimetro de la partcula: Coeficiente de viscosidad dinmica: Fuerza que tiende a hacerle mover

E. Ubicacin del desarenador.Para seleccionar la ubicacin del desarenador se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones.

Lo ms cercano posible a la bocatoma. Cota topogrfica que permita evacuar los sedimentos de purga al ro. Lo ms cercano al ro. Zona plana para evitar fuertes movimientos de tierra. Fuera de una zona de derrumbes o inundacin.

3.7 CONSIDERACIONES PARA EL DISEO HIDRULICO

3.7.1 Contenido de materia Suspendida

Cuando los componentes de planta que vienen a contacto con el agua como vlvulas de deslizamiento, tubos de presin, turbinas, motores y cubiertas est destruido por la materia suspendido, es necesario de determinar su concentracin y composicin.

En general, la materia en suspensin se encuentra para compuesto de partculas de diferentes tamaos. En los ros de las tierras bajas , las partculas coloidales puede ser de dimetros del barro fraccin a la fraccin de arena (f 0,002 mm a 0,2 mm o ~ 1 mm), mientras que en ros de montaa con pendientes pronunciadas, los tamaos de partcula pueden ser del orden de 2 a 3 mm

3.7.2 Medida del Desarenador

La medida de desarenado se expresa por la relacin de la concentracin de materia en suspensin de la agua desarenada para Cperm generacin de energa. A la concentracin de materia en suspensin C del ro agua que no ha sido desarenada

Grado de desarenado = 100 Cperm./C (en%)

3.7.3 Determinacin del grano-lmite de medida

Con respecto a los criterios antes mencionados y los requisitos de la operacin, la indicacin de la dimetro de partcula sirve para definir un tamao lmite de la materia en suspensin que slo se acaba permiti depositar. Por experiencia se puede suponer que:

* centrales elctricas de baja altura dlimit. = 0.2 to 0.5 mm* centrales elctricas de media y alta altura dlimit. < 0.1 a 0.2 mm* de 100 m de altura a ms: dlmit. 0.01 - 0.05 mm

3.7.4 Determinacin de las dimensiones de Desarenadores

Debido a una ampliacin de la seccin transversal, el agua que fluye desarenador es tan lenta que las partculas de materia en suspensin ya no se pueden mantener en suspensin.

Las partculas de agua que entran y las partculas de materia en suspensin transportados por ellos horizontalmente a una velocidad incluso debe alcanzar el final de la cuenca slo cuando se ha completado el proceso de hundimiento, es decir, el tiempo de hundimiento deben ser ms corto que el tiempo de paso.

Seccin Longitudinal de desarenador. Curva de camino esquemtico de una partcula de arena

4. SIMULACION NUMRICA DE DESARENADOR PARA UN NUEVO SISTEMA DE LAVADO

Bsicamente, un desarenador representa una cuenca de resolver qu est generado por un canal recto y ancho. A lo largo del canal, la seccin de cruz es normalmente mantenida constante de reducir el efecto de turbulencia. El parmetro significativo de una trampa de arena es su velocidad de flujo mala. El sedimento continuamente resuelve en la cuenca y es espordicamente sacado por un apropiado sistema de lavado (Bouvard 1992).

Para verificar la eficiencia hidrulica de la trampa de arena Dufour, la instalacin de dos cuencas existentes en el Mrel HPP en Fiesch, Suiza, fue elegido como objeto de referencia. Esta trampa de arena ha sido construida en 1942. Las descargas mnimas y mximas son de 5 y 12 m3 / s para cada cuenca. Como primer paso, un enrojecimiento reduccin se llev a cabo en la cuenca.

El material depositado no fue completamente evacuado, incluso durante el lavado retiro, de manera que los depsitos restantes tenan que ser lavados con un pequeo flujo suministrado por apertura de la puerta de aguas arriba. La Figura 4 muestra los depsitos restantes en el excluidor de sedimentos y el lavado final con una pequea la descarga

CONCLUSIONES

Un nuevo sistema de lavado que puede ser integrado en existir Dufour trampas de arena ha sido diseadas y probado numricamente. Los simulacros muestran la eficacia hidrulica del diseo nuevo. Un mximo lavado descarga de alrededor de 1 m3 / s en comparacin con el doble del viejo sistema, que se requiere para permitir evacuacin de sedimentos adecuada sin lavado reduccin y el cierre de la turbina. En conclusin, otros experimentos fsicos seran validar los resultados numricos.

V. EJEMPLO APLICATIVO

Diseo de un desarenador con los mtodos de Rubey

1.- Canal de Aduccin

fondo referencial: 282.00 msnm

1.1.caracteristicasHidrulicas del Canal de entrada

Q = 75,00 m3/sZ =0S =0,02b =21,00 mn =0,014Aplicando Manning

y= 1.75 m

1.2.CaracteristicasHidrulicas del Canal de salida

Q = 70,00 m3/sZ =0 S =0,02b =33,00 mn =0,014y= 1.59 m

2. Calculo de la velocidad de flujo (V)

Aplicando la formula de CAMP

a =constante en funcin del dimetrod =dimetro de la partcula

para: d =0,5 mmsegn tabla tenemos:a =44

V=31,11 cm/s

3. Calculo de la dimensiones del Desarenador (rea Transversal)

A=150,00 mm2

4. Altura neta de sedimentacin del DesarenadorH=y= 1.75 m

5. Ancho del Desarenador

B = 85,714 m

6. Longitud estimada del DesarenadorL > = 2BL = 171,43AsumimosL = 30 m

7. Calculo de la velocidad de caidateorica con eficiencia del 100%

Wo = V * ( H / L )Wo = 0,029 m/sWo = 29,17 mm/s

8. Calculo de la velocidad de caida (W)

Para: = 0,2 mmW =0,021 m/sW =20,57 mm/s

Para: = 0,5 mmW =0,054 m/sW =53,95 mm/s

9. Construccion de la Tabla para ingresar al diagrama de CAMP

Entonces: incrementamos longitud del desarenador

L = 38,0 m

a). Calculo de la velocidad de caidateorica con eficiencia del 100%

Wo = V * ( H / L )Wo = 0,023 m/sWo = 23,03 mm/s

b). Calculo de la velocidad de caida (W)

Para: = 0,2 mm W =0,019 m/s W =18,95 mm/s

Para: = 0,5 mm W =0,054 m/s W =53,95 mm/s

10. Clculo de la longitud de la transicion:

Lt entrada =79,00 mLt salida=79,00 m

11. Clculo de la longitud del vertedero al final del Tanque:

h =1,00 m c =2tipo perfil creagerLv =38 m12. Clculo del angulo central y el radio R con que se traza la longitud del vertedero:

L = 2 R / 360R = 180 L / Cos = (R - b) / RR = b/(1 - cos ) /(1 - cos) = 180 L / b

Calculo de =51,08

Calculo de R:

R = 42,1 m

13. Calculo de la longitud de la proyeccion longitudinal del vertedero:

Sen = L1 / RL1 = R SenL1 = 32,7 m

14. Calculo de la longitud promedio:

Lp = ( Lv + L1) / 2L =35,1 m

15. Calculo de la longitud total del desarenador:

LT = Lt + Lp + LLT =152,1 m

16. Calculos de la cada de fondo

s = 2,0 %=1,462 m

17. Calculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado

h = Q / ( b * v )

h =1,75 m

H = 3,21 m

18. Calculo de la altura de la cresta del vertedero con respecto al fondohc = H - 0.25hc =2,96 m

19. Calculo de las dimensiones de la compuerta de lavado

Cd =0,6Ao =12,20 m2

20. calculo de la velocidad de salida

V =21,48 m/s

21. Calculo de las dimensiones del canal de limpia

y =1,665mb =3,33y =1,67f =0,40

V= Q/A =3,87m/seg