Standardization of civil engineering works of small hydropower
plants
DISEO DEL DESARENADORPROPSITOEl objetivo de un desarenador es
separar los sedimentos indeseados trados por el flujo del aguaTIPO
CONVENCIONAL DE DESARENADORCmara Longitudinal de Sedimentacin:
consiste en una o ms cmaras lo suficientemente largas para permitir
la que las partculas de los sedimentos se asienten.
CRITERIOS DE DISEO Identificacin del tamao mximo de la partcula
que va a ser eliminada. El rango de diseo del tamao de la partcula
esta entre 0.1 mm y 1mm. Condiciones de flujo aproximadamente
uniforme en la cmara de decantacin, lo cual es particularmente
importante cuando se usan varias cmaras de decantacin en paralelo.
Condiciones de flujo uniforme en la cmara misma para facilitar el
proceso de sedimentacin. Longitud suficiente que permita a todas
las partculas que tengan el tamao de diseo sedimentarse. Instalacin
de un dispositivo que permita limpiar la cmara cuando sea
necesario.PARTE PRINCIPAL DE UN DESARENADOR: CAMARA DE DESARENADO
Para un diseo apropiado, las dimensiones de la cmara deben
corresponder a la caractersticas de asentamiento de la partcula de
diseo:
Donde: Velocidad de cada de las partculas en un flujo de agua
(m/s) Velocidad critica de flujo (m/s) Tamao de diseo de la
partcula (mm)Velocidad de cada o de asentamiento en agua en reposo
(m/s) Masa especfica de la partcula Masa especfica del fluido
Viscosidad dinmica del fluido Para la aplicacin de esta frmula la
siguiente figura muestra como funcin de
1: Velocidad critica del flujo 2: Velocidad de cada o
asentamiento en agua en reposo 3: Velocidad de asentamiento en un
agua fluyendo DISEO DE LA CAMARA DE DESARENADOLa longitud L, ancho
B y profundidad H de la cmara deben estar acordes a las siguientes
condiciones:
Recomendaciones: Aumentar la longitud de la cmara en 10% a 20%
para compensar la turbulencia que se pueda generar en el flujo.
Decidir tener dos o ms cmaras en vez de una para evitar que la obra
hidrulica este sin funcionamiento durante el mantenimiento de la
mismaGEOMETRIA DE LA CAMARA DE SEDIMENTACION Ancho (B), altura (H)
y longitud (L) de la cmara de sedimentacin para diferentes caudales
(0.5 a 5 m3/s) y diferente tamaos de partculas desde 0.1 mm a 1
mm.
Planning of Water intake structures for irrigation or
hydropowerPlanning for intake structures
DESRENADORES1. NECESIDAD DE DESARENADORESLos desarenadores son
necesarios cuando la cantidad de materia suspendida en el agua es
alta y cuando los componentes como tuberas a presin, rotores de
turbinas, vlvulas, etc., deben ser protegidos de la abrasin
provocada por partculas duras suspendidas, tales como el cuarzo
presente en las partculas de diferentes arenas.El desgaste y rayado
debido a la abrasin puede en un corto lapso de tiempo resultar en
daos serios y en el caso de las turbinas en una considerable
reduccin en la eficiencia. Mientras mayor sea la partcula
suspendida as como tambin la velocidad, mayores sern los peligros a
los componentes de una obra hidrulica.Entonces el propsito de un
desarenador es remover los granos- finos suspendidos en el agua y
proteger los diferentes componentes. Esto es logrado de forma ms
simple permitiendo que la materia suspendida se asiente a lo largo
de la cmara de decantacin. Esto se hace reduciendo la velocidad con
la que viene el agua a una ms lenta, tanto como sea posible en la
seccin de la cmara de decantacin. El tiempo que se demora en pasar
el agua a travs de la cmara de decantacin no debe ser menor que el
tiempo de asentamiento de la materia suspendida. Estas condiciones
requieren el uso estructuras largas.La velocidad del agua en el
canal de ingreso al desarenador no debe ser lenta, de otra manera
la materia suspendida se depositar en el canal de ingreso muy
rpido. El flujo dentro de la cmara de decantacin es por tanto
turbulenta. Para esto un buen diseo de la seccin de transicin debe
asegurar un paso estable del canal de ingreso a la cmara de
decantacin, asimismo, pantallas de amortiguamiento pueden ser
usadas y alcanzar buenos resultados.
Representacin de un desarenador2. DISEO HUDRALICO2.1. CONTENIDO
DE MATERIA SUSPENDIDAAl entrar en contacto los diferentes
componentes de un proyecto hidrulico como vlvulas, tuberas,
turbinas y rotores con el agua son erosionados por las partculas
suspendidas, por lo tanto es necesario determinar la concentracin y
composicin.En general, la materia suspendida es encontrada
compuesta por diferentes partculas de diferentes tamaos. En ros en
las partes bajas o en montaas bajas, las partculas pueden varias en
dimetros desde limos hasta arenas (0.002 mm a 0.2 mm o 1 mm),
mientras que en ros de montaas altas con pendientes altas, las
partculas pueden variar de tamao en 2 a 3 mm.La cantidad de materia
suspendida es expresada por la concentracin de materia suspendida,
es decir:Concentracin de materia suspendida = kg de materia
suspendida/ m3 de aguaLas concentraciones de materia suspendida (C)
son generalmente En partes bajas del rio C=0.1 A 1.0 kg/m3 En ros
del montaas C=2.0 a 10 kg/m3De acuerdo con la naturaleza del rea
(topografa, geologa, utilizacin, vegetacin), estos valores pueden
se largamente excedidos o no ser alcanzados. Por ejemplo la
concentracin de materia suspendida en la parte baja del curso de
Rio Amarillo en China varia estacionalmente entre 60 a 600 kg/m3.La
concentracin de materia suspendida puede ser medida mediante
muestreo y controladas por inspeccin.El contenido de materia
suspendida vara de estacin a estacin y depende de las
precipitaciones en el rea captacin de y del rgimen del ro.2.2.
MEDIDA DE DESARENAMIENTOLa medida de desarenamiento es expresada
por la relacin de concentracin de materia suspendida del agua
desarenada Cperm entre la concentracin de materia suspendia C del
agua del ro que no ha sido desarenada.Grado de desarenamiento = 100
Cperm/C (%)No existen regulaciones o estndares para la seleccin del
grado de desarenamiento; valores empricos han sido derivados de la
operacin de hidroelctricas existentes y han sido tomados como
base.Los criterios para fijar un grado de desarenamiento son:
Minimizacin del dao causado por la materia suspendida (abrasin) a
los componentes de la planta u obras hidrulicas La sensibilidad de
las turbinas a la materia suspendida dependiendo del tipo de
turbina, del dimetro de las partculas en suspensin, la naturaleza
mineralgica de las partculas, y la altura de la planta
hidroelctrica.La experiencia ha mostrado que Turbinas del tipo
cruzadas al flujo son relativamente insensible a impurezas suaves
como limos, arcillas y materia flotante como hojas, grass, etc. Las
turbinas Kaplan, Francis y Pelton son ms sensibles cualquier tipo
de materia suspendida, siendo las turbinas Pelton usadas en micro y
mini plantas hidroelctricas las menos afectadas por impurezas del
agua. Como sea es posible que el desgaste en los cucharones
incrementen rpidamente.La concentracin de materia suspendida
permisible es tambin determinada por la definicin del tamao de la
partcula que va a ser separada mediante el desarenador.2.3.
DETERMINACION DEL TAMAO DE LA PARTICULACon respecto a los criterios
y requerimientos de operacin mencionados anteriormente, la
indicacin del dimetro de la partcula sirve para definir un tamao
lmite de la materia suspendida que solo va a ser permitido
depositarse. De la experiencia es posible asumir que:a) Para
alturas de plantas hidroelctricas bajas: b) Para plantas
hidroelctricas de medianas: c) Para plantas hidroelctricas altas:
Si las partculas a ser depositadas consisten en arenas de cuarzo,
se debe aplicar los valores ms bajos. Hay que tener en cuenta que
se considera que una hidroelctrica es de baja altura para aquellas
menores de 10 m de altura.Si los tamaos de partculas que se han
mencionado son considerados para diferentes tipos de plantas y si
se asume un pequea hidroelctrica es menor a 100 m de altura, se
puede concluir que el lmite del dimetro de las partculas a ser
separadas Puede en un caso normal ser fijado en 0.2 mm Debe ser
solo en casos excepcionales igual a 0.05 mm, siendo estas
excepciones cuando la altura sea mayor a 100 m, la composicin de
las partculas sea de cuarzo puro o algn similar, o las turbinas
sean del tipo Francis.
2.4. DETERMINACION DE LAS DIMENSIONES DEL DESARENADORDebido al
ancho de la seccin, la velocidad del agua que fluye dentro del
desarenador es disminuida de tal forma que las partculas no pueden
mantenerse en suspensin y decantan.Las partculas del agua y la
materia suspendida es transportada por ellas deben entrar a una
velocidad de tal forma que se logre decantar las partculas. El
tiempo de decantacin (ts) debe ser ms corto que el tiempo en que
demora pasar el agua a travs de la cmara (td).En la siguiente
figura se representa un esquema del camino curvo que sigue una
partcula durante el proceso de decantacin y bajo la influencia de
turbulencia. Siendo Vd la velocidad del flujo en la cmara de
decantacin, Vs la velocidad de decantacin en agua en reposo, w la
flotacin de generada por la turbulencia, siendo la condicin de que
td>ts.
La velocidad real de las partculas es por lo tanto:
Donde w es esencialmente una funcin de la velocidad de flujo
dentro de la cuenca. Con un valor estimado:
Para el proceso de asentamiento, de la figura anterior resulta
la siguiente relacin:
Donde:L=longitud efectiva de la cmara de decantacin en
mVd=Velocidad del flujo en m/s Adems:
Donde:h=altura efectiva del desarenador (m)Vs=velocidad de cada
De una seccin rectangular de un desarenador se obtienen las
siguiente relaciones:
Donde:Q= caudal en m3/sB=ancho de la cmara de decantacinh=altura
del desarenadorMediante reemplazos y usando la relacin td=ts,
tenemos:
Como se puede ver, el denominador puede asumir un valor
negativo. Si este es el caso, la decantacin no es posible bajo las
condiciones asumidas. Por lo tanto la determinacin de la velocidad
de decantacin o de cada es la de mayor importancia. De acuerdo a
Popel, Vs es una funcin del movimiento del agua, el estado de flujo
en el agua, la viscosidad cinemtica, la forma tamao de la materia
suspendida, y del peso especfico de las partculas.La velocidad de
cada depende fuertemente del estado de flujo alrededor de la
partcula durante su decantacin, y por lo tanto del nmero de
Reynolds. Para lo cual lo siguiente es vlido: Para :
Donde:d=dimetro de la partculas=densidad relativa de la partcula
(2.6 a 2.7 para arena)v= viscosidad cinemtica del agua (0.0132
cm2/s a una temperatura de 10C en agua limpia)g=aceleracin debida a
la gravedad (9.81 m/s2) Para:
Donde:c=coeficiente de resistencia de las partculas (0.5 para
partculas redondas) Para
Que corresponde al rango de transicin de acuerdo a RubeyEn la
figura siguiente se muestra la velocidad de decantacin vs las
relaciones vistas arriba.
Fig.: Velocidad de decantacin de partculas en agua destilada a
10C. En otras temperaturas los valores dentro de la ley de Stokes
deben ser multiplicados por v/(1.31*10^-2).
Par desarenadores existe un flujo turbulento con el nmero de
Reynolds de:
Donde:D=dimetro equivalente (4F/U=4(Bh)/(B+2h))B=ancho de la
cmara de decantacinh=altura efectiva del desarenadorF=rea de la
seccin del desarenadorU=permetro mojado
Entonces la velocidad de cada o de decantacin debe obtenerse de
la figura mostrada y se debe introducir en la frmula (4). La
velocidad Vd no debe exceder un valor mayor para que pueda Permitir
a la materia suspendida decantar. Prevenir que la materia
suspendida que ha sido decantada sea llevada a suspensin otra
vezEsta velocidad, la cual es considerada como el valor lmite,
puede ser tratada como un equivalente a la velocidad crtica. De
acuerdo a Camp, la velocidad crtica es
Donde:d= dimetro de la partculaa=coeficiente en funcin de d, que
se obtiene de la siguiente tablaad (mm)
36> 1
441-0.1
51Vcr, las partculas permanecen en suspensin, y con V