DESARENADORESPRESENTACINLos 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. 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 de
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. Todos estos aspectos en una obra hidrulica hacen que se
proyecte y disee una estructura que solucione estas dificultades
como es el desarenador.Son estructuras que permiten eliminar
ciertas partculas ms finas de los slidos, que se encuentran en
suspensin en la masa fluida.
Cuando se capta el agua de un ro, inevitablemente estaremos
captando tambin 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
posteriormente, mediante una adecuada accin arrojarlas al ro. Para
las partculas de arrastre existe otra estructura denominada
desgravador o desrripiador.
El desarenador, como toda estructura hidrulica, tiene funciones
y objetivos especficos que deben ser claramente analizados y
comprendidos con el fin de lograr un buen diseo.
Un Desarenador es una estructura hidrulica que sirve para
separar (decantar) y remover (evacuar), las partculas finas en
suspensin que lleva el agua de un canal. Este material ocasiona
perjuicios a las obras:
1. Una gran parte del material slido va depositndose en el fondo
de los canales, disminuyendo su seccin. Esto aumenta el costo anual
de O y M. y produce molestas interrupciones en el servicio.
2. Si los canales sirven a las CC.HH. La arena arrastrada por el
agua pasa a las turbinas, desgastndolas, tanto ms rpidamente cuanto
mayor es la velocidad. Esto significa una reduccin del rendimiento
y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas.
I. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOSon dos las funciones que debe
cumplir un desarenador: Lograr la decantacin de una parte de las
partculas slidas, acarreadas en suspensin por la corriente de un
canal.Se busca crear en el desarenador velocidades bajas y
disminuir el grado de turbulencia. Existen diferentes tipos de
desarenadores que buscan cumplir con esta funcin. La idea
fundamental es la de disponer de varias naves paralelas para
disminuir la formacin de corrientes secundarias y lograr un flujo
paralelo, en la medida de lo posible.
Conseguir la purga del material slido decantado.Debe crearse las
condiciones para lograr durante la purga suficiente cantidad de
transporte y lograr que los slidos sedimentados se dirijan hacia
las ventanas, orificios o conductos de purga. Adicionalmente y para
que la purga sea posible debe haber carga suficiente (desnivel) con
respecto al ro o al lugar al que se descargan los sedimentos.Si la
descarga es, como ocurre generalmente, a un ro debe verificarse la
existencia de desnivel suficiente durante las avenidas, que es
cuando por lo general se presenta la mayor cantidad de slidos.
Bsicamente para que un desarenador sea eficiente debe cumplir:A.
Hidrulicamente Distribucin uniforme del 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
aguas arriba. Distribucin uniforme del caudal dentro de cada nave,
esto es importante en el momento de purga de la nave.
B. Sedimentolgicamente Sedimentacin de los materiales es
suspensin. Evacuacin al exterior de los depsitos. Limpieza uniforme
de las naves desarenadoras. No existencia de zonas imposibles de
limpiarlas en las naves. Transicin de entrada sin sedimentacin.
Eficiencia adecuada.
La sedimentacin es posible de lograr disminuyendo la velocidad
de flujo hasta un cierto valor para permitir su depsito. Dicho
valor est en funcin del dimetro de la partcula a extraer.
La evacuacin o limpieza es el mayor problema en el diseo del
desarenador. Esta fase obliga a tener un manual de operacin bien
detallado, a fin de lograr la total evacuacin de los sedimentos
depositados. El canal de purga debe tener por lo menos igual o
mayor pendiente que el conducto de purga de las naves.
Si el desarenador se encuentra aguas debajo de un canal es
necesario tener en cuenta el posible remanso que podra generar en
el canal, un vertedero o una compuerta situada al final de las
naves con el objetivo de establecer una cota de operacin, etc. Es
necesario que el desarenador se encuentre topogrficamente ms alto
que el rio con la finalidad de que pueda evacuar por gravedad los
sedimentos depositados en las naves desarenadoras.II. EVOLUCINLo
que determina la evolucin del desarenador es la forma como son
evacuados los sedimentos que se acumulan de la sedimentacin, en un
primer momento se efectuaba la limpieza mecnicamente para luego
pasar a la limpieza hidrulica.
1. Cmaras de decantacinEn un inicio se usaban stas estructuras
formadas por tazas, donde la decantacin y la extraccin de los
depsitos eran dos operaciones sucesivas. La decantacin era posible
al tener velocidades muy pequeas.La evacuacin de sedimentos era
mecnica, razn por la cual se les llamaba cmaras de extraccin
mecnica. Actualmente ningn diseo contornea este criterio.Luego se
pens en utilizar la misma agua para efectuar la limpieza y
sugirieron las llamadas cmaras da evacuacin hidrulica, que
constituyeron un verdadero avance. Las ms antiguas obras de este
tipo tienen en general fondo plano y la abertura de evacuacin de
dimensiones reducidas y a menudo ubicadas lateralmente. Las obras
ms o dems tienen pendientes longitudinales del 3% al 5%, con
aberturas de evacuacin de 0.70 a 1.00 m. aproximadamente. (Ver
figura).
2. DesarenadoresEn el diseo del desarenador, el objetivo no
solamente es que se produzca la sedimentacin y luego se pueda
efectuar la limpieza hidrulicamente, sino que sedimenten partculas
hasta un cierto dimetro, segn sea el uso que se desee dar al
agua.Los desarenadores propiamente dichos, son aquellos en los
cuales las operaciones de decantacin y extraccin de los depsitos
son operaciones simultneas. Su evolucin tambin se ha visto
enmarcada dentro de las necesidades hidrulicas. As en un primer
tiempo, en las tomas de agua para irrigacin se iniciaron con los
llamados desarenadores en corrientes con velocidades lentas,
caracterizados por una baja velocidad de escurrimiento, entre 0.2 y
0.6 m/s, que permiten la eliminacin de elementos hasta 0.1 mm. (Ver
figura N 2). Posteriormente con la aparicin de las grandes
centrales hidroelctricas y surgiendo necesidad de mantener
secciones de ciertas dimensiones, sobretodo en tneles, se piensa en
velocidades de hasta 1.0 y 1.5 m/s, lo que tambin limita la
eliminacin de partculas hasta de 0.5 mm, en los llamados
desarenadores con velocidades a/fas. (Ver figura N 3).
Existen diversos estudios sobre desarenadores, tratando de
establecer modelos de diseo que sirvan para aplicar en distintos
casos, entre estos se encuentran:a) BUCHI.- Eliminaba el agua de la
capa superficial con un tablero de rendijas. Sin embargo las
mayores concentraciones de sedimentos en suspensin se encuentran en
zonas bajas.
b) BOUCHER.- Buscando disminuir la velocidad de rgimen del agua,
desviaba los filetes fluidos de la direccin horizontal a vertical,
mediante unos tabiques, siendo evidente que el choque de los
filetes contra estos tabiques que dificultaban el proceso de
decantacin.
c) DOFOUR.- Es recomendable para ros con mucho transporte de
slidos. Tiene aberturas a lo largo del fondo del desarenador,
teniendo una seccin transversal en forma de carena de nave, forma
que favorece la conduccin de la arena de las aberturas. Este modelo
ha sido modificado por otros investigadores.
d) PABLO BONER.- Existen numerosos desarenadores en el Per que
se han construido bajo el diseo del ingeniero Boner. Estos se
ubican mayormente en los ros Rmac y Santa Eulalia en Lima Los
desarenadores son parte de las centrales hidroelctricas que fueron
ejecutadas desde inicios de siglo.
e) DOFOUR, MONTAGNE, LEVI. - Con velocidades de 1.0 a 1.5 m/s.
Se caracteriza porque las aberturas de purga se encuentran en las
zonas finales de las naves.
III. CLASIFICACIN DE DESARENADORES1. 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.
2. En funcin de la velocidad de escurrimiento: De baja velocidad
v < 1 m/s (Recomendable: 0.20 - 0.60 m/s). De alta velocidad v
> 1 m/s (Recomendable: 1 - 1.5 m/s).
3. 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.
4. Por su topologa Desarenador longitudinal Su funcionamiento se
basa en la reduccin de la velocidad del agua y de las turbulencias,
permitiendo as que el material slido transportado en suspensin se
deposite en el fondo, de donde es retirado peridicamente.
Normalmente se construyen dos estructuras paralelas, para
permitir la limpieza de una de las estructuras mientras la otra est
operando.
De vrticeLos sistemas de desarenacin del tipo vrtice se basan en
la formacin de un vrtice (remolino) inducido mecnicamente, que
captura los slidos en la tolva central de un tanque circular. Los
sistemas de desarenador por vrtice incluyen dos diseos bsicos:
cmaras con fondo plano con abertura pequea para recoger la arena y
cmaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la
tolva. A medida que el vrtice dirige los slidos hacia el centro,
unas paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para
levantar el material orgnico ms liviano y de ese modo retornarlo al
flujo que pasa a travs de la cmara de arena.
IV. ELEMENTOS DE UN DESARENADORLos desarenadores estn compuestos
por cinco partes, como se muestra en el esquema siguiente: Esquema
de un Desarenador de lavado intermitente Transicin de entradaLa
cual une el canal con el desarenador.
Cmara de sedimentacinEn 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 fina0,16 m/s.
Para la arena gruesa0,216 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.
VertederoAl 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
arrastra. La velocidad lmite es 1 m/s, para evitar turbulencias.De
la ecuacin de un vertedero rectangular sin contracciones:
Donde:
Si el rea hidrulica sobre vertedor es:
la velocidad ser :
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 contina 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 aleja del vertedero.
Compuerta de lavadoSirve 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, si
no que el volumen adicional 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. Para lavar una cmara del
desarenador se cierran las compuertas de admisin y se abren las de
lavado con lo que el agua sale con gran velocidad arrastrando la
mayor parte de los sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue
pasando al canal sea a travs del canal directo o a travs de otra
cmara del desarenador. Una vez que est vaca la cmara, se abren
parcialmente las compuertas de admisin y el agua que entra circula
con gran velocidad sobre los sedimentos que han quedado,
erosionndolos y completando el lavado.Generalmente, al lavar un
desarenador se cierran las compuertas de admisin. Sin embargo, para
casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive
con estas compuertas abiertas. Por este motivo las compuertas de
lavado deben disearse para un caudal igual al trado por el canal ms
el lavado que se obtiene dividiendo el volumen del desarenador para
el tiempo de lavado.Hay que asegurarse que el fondo de la o las
compuertas este ms alto que el punto del ro al cual se conducen las
aguas del lavado y que la gradiente sea suficiente para obtener una
velocidad capaz de arrastrar las arenas.Se considera que para que
el lavado pueda efectuarse en forma rpida y eficaz esta velocidad
debe ser de 3 - 5 m/s. Muchas veces esta condicin adems de otras
posibles de ndole topogrfica, impiden colocar el desarenador
inmediatamente despus de la toma, que es la ubicacin ideal,
obligando desplazarlo aguas abajo en el canal.
Canal directoPor 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.V. ESTUDIOS
IMPORTANTESActas de la Conferencia Internacional de 2013 sobre la
Mecnica, Fluidos, Calor, elasticidad y campos
electromagnticos1.Investigacin sobre Dinmica de sedimentos y aguaEl
flujo en una trampa de arena ConclusinEl estudio mostr que la
trampa de arena para Golen Gol estacin de energa hidroelctrica con
una dimensin de 100 metros x 7m x 8m, diseo capacidad de descarga
de 10 m3/ s y sedimentos de carga de 0.279 kg / s puede realizar
satisfactoria. Los anlisis numricos mostraron que velocidad
horizontal en el intervalo de 0,117 m / s a 0,123 m / s y velocidad
vertical en el rango de -0,0168 m / s a -0,0161 m / s, ideal para
la deposicin de tamao de partcula 0.2 mm podran alcanzarse en la
regin de la cuenca de sedimentacin de la trampa de arena. Estas
velocidades son ideales para el 100% de la deposicin de las
partculas de sedimento de tamao 0.2 mm. Adems, la deposicin de
sedimentos de partculas clases de 0,059, 0,108 tamao, 0,157 mm se
encontr que era 36%, 75% y 95%, respectivamente. La eficiencia
global de eliminacin fue de 90,4 por ciento.
2.Normalizacin de la ingeniera civil obras de pequeas centrales
hidroelctricas
3.SIMULACIN NUMRICA DE UN NUEVO SISTEMA DE LAVADO SAND TRAPVI.
DISEO DE UN DESARENADORCRITERIOS DE DISEO En general, a menor
velocidad y mayor longitud del desarenador es mayor la eficiencia
de decantacin. Lo mismo puede decirse con respecto a las partculas
slidas. Mientras ms pequeas sean, su probabilidad de decantacin es
menor. Las partculas muy finas, cuya forma se parece notoriamente
de la esfrica, decantan ms difcilmente. Se trabaja con valores
medios y por lo tanto hay que aceptar errores, que en algunos casos
pueden ser de magnitud considerable. El diseo debe considerarse
necesariamente el conocimiento detallado acerca del tipo de
partculas slidas que se desea eliminar: tamao, cantidad y calidad.
Es indispensable, el estudio de las propiedades fsicas de los
slidos para obtener parmetros que sean tiles en el diseo. El
periodo de diseo, teniendo en cuenta criterios econmicos y tcnicos
es de 8 a 16 aos. El periodo de operacin es de 24 horas por da.
Debe existir una transicin en la unin del canal o tubera de llegada
al desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la
zona de entrada.La transicin debe tener un ngulo de divergencia
suave no mayor de 12 30.
La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequea
para causar menor turbulencia y arrastre de material
(Krochin,V=1m/s). La llegada del flujo de agua a la zona de
transicin no debe proyectarse en curva pues produce velocidades
altas en los lados de la cmara. La relacin largo/ancho debe ser
entre 10 y 20. La sedimentacin de arena fina (d 0,5; por lo tanto,
no se encuentra en la zona de la ley de Stokes.
Se realiza un reajuste mediante la figura 4.46.
Trmino del dimetro:
Trmino de la velocidad de sedimentacin:
Luego Vs = 2.54 cm/seg.Comprobamos nuevamente:
Entonces se encuentra en la zona de transicin (ley de
Allen).
- Se determina el coeficiente de arrastre:
Entonces la Velocidad de Sedimentacin ser:
Si se asume una eficiencia del 75%, de acuerdo con la figura
4.48 se adopta un coeficiente de seguridad igual a 1,75.
De tal manera que se obtiene el rea superficial As = 1.36 m2
- Se determina las dimensiones de largo, ancho y profundidad
respetando los criterios de diseo.Largo: L = 5 mAncho: B = 0,5
mProfundidad: h = 0,4 mLuego la velocidad horizontal:
Se determina el valor de rugosidad de la cmara mediante:
Luego se ingresa a la figura 4.49, de donde se tiene f =
0,027.
- Se determina la velocidad de desplazamiento o resuspensin:
Lo que indica que no habr resuspensin pues Vd > Vh .- Se
determina el periodo de retencin:
Se determina la longitud del tramo de transicin.
L = 0.25 m
Ejemplo 02
Se debe disear un desarenador para un Qmaximo, de grano de 0.3
mm cuando el caudal de toma es 0.5 m3/s, para una temperatura de
agua de 10 C, dado el ancho del canal igual a 1.50 m, peso
especifico del grano 2.65 g/ cm3
Solucin:Datos:S = 2.65 g/cm3 (peso especifico de los granos).d =
0.0003 m.Q = 0.5 m3/s.
= 0.00000132 m2/s, (viscosidad cinemtica de agua).
Paso 1) calcular Vs, asumir flujo laminar:
Para rgimen en transicin se tiene:
Re (Dato)Cd (2)Vs (m/s) (1)Re (3)
1.00027.3400.0173.908
3.9008.0130.0327.219
7.2194.7810.0419.346
9.3463.8890.04610.362
10.3623.5880.04710.788
10.7883.4780.04810.958
Paso 2) clculo de las dimensiones del tanque. Q = V* rea = V* b
h
L= longitud, aplicando la teora de simple sedimentacin.Donde:
h=0.8m, asumido
(tal que a=44 para d=0.3mm)
Entonces las dimensiones del tanque son:L=4.00m b=2.60m
h=0.80m
Tiempo de sedimentacin
Volumen de agua:
Verificar la capacidad del tanque:
Calculo de la longitud del desarenador L, con turbulencia:
Entoces:
Paso 3) clculo Longitud de transicin:
, T1 en la seccin del canal, T2 ancho del desarenador.
Entonces:
Paso 4) clculo de la longitud del vertedero. , dada la ecuacin
de vertederos con C=2 (para perfil tipo creager). Asumir h=0.15m
(altura de carga sobre el vertedero)
Entonces:
Ahora calculamos el valor de con la ecuacin:
Calculo de R:
Entonces la longitud total del desarenador es:
Paso 5) clculo de la cada de fondo: dado S = 2%
Paso 6) Clculo de la profundidad del desarenador frente a la
compuerta de lavado:
Entonces:
Paso 7) clculo de la altura de cresta del vertedero con respecto
al fondo:
, sustituyendo: ,
Paso 8) clculo de las dimensiones de la compuerta de lavado:
ecuacin para orificios.
Para un orificio cuadrado ,
sustituyendo en la ec. De orificios para un (orificio de pared
delgada):Se tiene:
Resolviendo
Tomar:
Entonces la velocidad de salida:
, este valor est dentro de los permitidos entre 3 a 5 m/s,
entonces todas las partes del desarenador estn diseadas.