diseno planta aguas residuales
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CASO PRACTICO
DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL EMPLEANDO:
TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB)TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS)
JULIO CESAR TORRES SALAZAR
WAGNER COLMENARES MAYANGAhttp://www.ingenieriaquimica.org/usuario/wagner
JESUS ROBERTO MARCOS _ IBÁÑEZ BARRAZA
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Se tiene la localidad XXX, en el Dpto. de San Martín con 88,000 habitantes, con un crecimiento poblacional anual del 1.5%. Un plano de la zona es presentado abajo.Se ha realizado el levantamiento de información considerando los siguientes datos:
• A: Zona donde ubican los restaurantes turísticos y hoteles• B: Zona donde se ubica el comercio: los bancos, tiendas y mercados• C: Zona en que se ubican las viviendas residenciales de clase media• D: Zona donde se ubican los asentamientos humanos e industria ligera (30
has)• AE: Zona donde se ubica el aeropuerto.
El clima de la región es tropical con lluvias torrenciales en épocas de invierno. El problema de las lluvias provoca inundaciones en la parte baja de la ciudad, lo que ocasiona una elevada incidencia de malaria. Las inundaciones causan daño a la comunidad y a la propiedad privada.El uso del lago es para recreación. Antiguamente existían peces pero estos han ido despareciendo con el tiempo.
El abastecimiento de agua para la localidad es realizada partir del río Beta. Actualmente existen varias descargas de las aguas residuales al lago (de las zonas A y B) y del sector comercial, lo cual crea serios problemas de contaminación en el lago con elevadas concentraciones de Coliformes Fecales y Totales y florecimiento de algas. Un resumen de la situación actual se presenta en el siguiente cuadro:
Zona Población Área(ha)
Tipo de abastecimiento de agua
Saneamiento Cobertura de saneamiento
A 8000 40 Conexión domiciliaria
Colectores 90%
B 15000 100 Conexión domiciliaria
Colectores 90%
C 15000 80 Piletas publicasConexiones domiciliarias
LetrinasTanques sépticos
20%40%
D 50000 500 Piletas publicas Letrinas 60%
En base a la información se pide contestar las siguientes interrogantes:
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1. Presentar una estimación del caudal de desagüe proyectada en el horizonte del proyecto (20 años).
2. La caracterización de los colectores de la ciudad han dado los valores medios que se muestran en el Cuadro 1. En su opinión que sustancias podrían causar problemas en una planta de tratamiento.
3. PRE-diseñar una planta de tratamiento basada en dos etapas un tratamiento anaerobio seguido de un tratamiento aerobio. Considerar un diseño de al menos dos etapas 2015 y 2025. Verificar si es posible utilizar lagunas de estabilización y proponer algún sistema anaerobio/aerobio (p.e, UASB + Lodos Activados).Para el tratamiento anaerobio seleccionado, Indicar los valores de:
a. Caudal de diseño y principales características de diseño como volumen, altura, área.
b. ¿Usted recomendaría el uso del biogás? Dar sus consideraciones si esto es factible o no.
c. Carga orgánica de diseño (Kg DBO/día)4. Indicar posibles ubicaciones para las unidades de una futura planta
de tratamiento5. Una vez establecida la ubicación de la planta, ubicar todas las
instalaciones en el plano a una escala apropiada, incluir todos los edificios, salas de maquinas, accesos, jardines, etc.
6. Considerando el tema de reuso, indicar el tipo de reuso que UD daría al efluente tratado?. Si ambas márgenes del río Beta hay desarrollos agrícolas precarios.
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NORMAS AMBIENTALES PARA AGUAS RECEPTORAS
Las normas peruanas sobre la calidad del agua para las aguas receptoras se indican en la Tabla 2. Estas normas clasifican a las corrientes por su uso en seis categorías:1
I. Abastecimiento de agua sin tratamiento para el consumo doméstico.
II. Fuentes de abastecimiento de agua tratada.
III. Agua de riego para cultivos alimenticios que generalmente se comen crudos.
IV. Aguas usadas para recreación donde hay contacto corporal con el agua.
V. Aguas usadas para el cultivo de mariscos.
VI.Aguas usadas para la recreación sin contacto corporal y protección general del ambiente.
En general las normas peruanas son consistentes con otras normas internacionales. Sin embargo, las normas peruanas no hacen una distinción explícita entre agua marina y agua fresca. Las Clases I, II y III se aplican claramente a aguas frescas.
1 Ley No. 17752, “Ley General de Aguas”, Decretos Supremos No. 26169AP y No. 00783SA
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Cuadro 1
Parámetro Unidad Ciudad XX
Bacteriológicos(B)Coliformes totales NMP/100
ml5.75*107
Coliformes fecales NMP/100 ml
2.98*107
Estreptococos fecales NMP/100 ml
1.82*107
Carga OrgánicaDBO5 mg/l 341DQO mg/l 981Aceites y grasas mg/l 77Nutrientes (N)Nitrógeno total mg/l 54.2Amoniacal mg/l 43.2Orgánico mg/l 12Nitritos mg/l 0.016Nitratos mg/l 0.38Fósforo total mg/l 10.6Metales (M)Arsénico (Ar) mg/l 0.044Cadmio (Cd) mg/l 0.018Zinc (Zn) mg/l 0.43Cobre (Cu mg/l 0.13Cromo total (Cr mg/l 0.84Hierro (Fe) mg/l 2.11Manganeso (Mn) mg/l 0.058Mercurio (Hg) mg/l 0.0003Níquel (Ni) mg/l 0.020Plata (Ag) mg/l 0.033Plomo (Pb) mg/l 0.19Otros Inorgán. (I)Alcalinidad total mg/l 286Dureza total mg/l 370Bicarbonatos mg/l 286Cloruros mg/l 199Fluoruros mg/l 0.15Sulfatos mg/l 254Sólidos totales mg/l 1460Sólidos suspendidos mg/l 417Sólidos solubles mg/l 1043Sólidos volátiles mg/l 558Sólidos sedimentables ml/l•hora 8.1Hidrocarburos en agua mg/l 3.6
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Tabla 2 Resumen de las Normas Peruanas para Aguas Receptoras
Parámetros y Otras Necesidades
Clase I
Fuentes deAbastecimiento
sin Tratar
Clase II
Fuentes deAbastecimiento
Tratadas
Clase III
Riego de Cultivos Alimenticios que se comen crudos
Clase IV
Agua para recreación de
contacto directo
Clase V
Maricultura
Clase VI
Recreación General y Protección Ambiental
Coliformes fecales, NMP/100 ml (80% de muestras mensuales)
0 4,000 1,000 1,000 200 4,000
Coliformes totales, NMP/100 ml (80% de muestras mensuales)
8.8 20,000 5,000 5,000 1,000 20,000
Oxígeno disuelto, mg/l 3 3 3 3 5 4
DBO, total, mg/l 5 5 15 10 10 10
Metales, mg/l
Cromo (+6) 0.05 0.05 n/a 0.05 0.05
Mercurio 0.002 0.002 1.0 n/a 0.0001 0.0002
Cobre 1.0 1.0 0.01 n/a 0.01 96 h LC50 x0.01
Plomo 0.05 0.05 0.5 n/a 0.01 0.03
Cadmio 0.01 0.01 0.1 n/a 0.0002 0.004
Níquel 0.002 0.002 0.05 n/a 0.002 96 h LC50 x0.02
Cianuro (CN) 0.2 0.2 0.005 0.005
Fenoles 0.0005 0.001 0.001 0.10
Bifenilos Policlorinados (PCB)
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Tabla 3 Directrices de calidad microbiológica y parasitológica recomendadas para el uso de aguas residuales en la agricultura (OMS, 1989)1
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A
B
C
D
Aeropuerto800msnm
800msnm
R Beta
Esc. 1 km
Lago
Descarga actual de aguas residuales
1000msnm
810msnmZona de cultivo
Zona de CultivoInundable Cota 790msnm
810msnmZona con potencial
agricola
815msnmZona cultivo
R. Alfa
N
Embarcaderos del Lago
PT AP.T.Agua
FUTURA PTAR
UBICACIÓN DE LA PTAR DE LA LOCALIDAD XXX – SAN MARTIN
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RESPUESTA DE LAS PREGUNTAS
I. CAUDAL DE DESAGUE PROYECTADA EN EL HORIZONTE DEL PROYECTO (20 AÑOS)
LOCALIDAD XXX - DPTO. SAN MARTINCalido<> tropical1. DATOS
Zona DescripciónPoblación
Area(Ha)Tipo de Abast. Agua
SaneamientoCobertura Saneamiento
Dotación l/habxdía
coeficiente de escorrentía(Ce)
A Rest. turísticos y hoteles
8000 40 C. Dom Colectores 90% 220 0,9
B Comercio: bancos, tiendas, mercados
15000 100 C. Dom Colectores 90% 220 0,8
C viviendas residenciales de clase media
15000 80 Piletas Públicas C, Dom.
Letrinas tanques sépticos
20% 40%
220 0,82
D Asent. Humanos, industria ligera
50000 500 Piletas Públicas
Letrinas 60% 220 0,18
AE Aeropuerto 30Población 88000
Crecimiento Poblacional 1,50%
2. CALCULO DE CAUDAL DE AGUA RESIDUAL
Se va ha calcular el caudal de agua residual considerando el aporte por crecimimiento poblacional.
Concepto Criterio calculoAños
0 10 20Pob. Total(1) Pt=Po(1+r)t 88000 102128 118523Cons. Percapita (L/hab/día)(2) 220 220 220Evacuación per. cápita L/hab/día(3)
(2)*80% 176 176 176
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Cobertura(4) año0=∑ pobzona∗cob/Pob .Total23,52% 50% 95%población servida(5) 1*4 20700 51064 112597caudal promedio( l/s) 42 104 229M M=1+14/(4+P1/2) 2,64 2,26 1,96Caudal max. diario(l/s) Qmxh=M*Qprom. 111 235 448Caudal min diario(l/s) Qminh=Qprom/M 16 46 117
3.CAUDAL DE LLUVIAIntensidad promedio lluvia( i) mm/año
2460
Área de drenaje(Ha) 720 795,35 882,79Caudal Zona A(l/s) Q=167*Ce*i*A 28Caudal Zona B(l/s) 63Caudal Zona C(l/s) 51Caudal Zona D(l/s) 70
Caudal zona de crecimiento(l/s) 48Caudal zona de crecimiento(l/s) 104
Caudal de lluvia(l/s) 91 260 364Caudal promedio total l/s 133 364 593Caudal Máximo diario total l/s 202 495 812Caudal Mínimo diario total l/s 107 306 481
No se ha considerado el aporte de agua de lluvia, en el calculo de las unidades de tratamiento, con la finalidad de no sobredimensionarlas. Se ha considerado solamente los aportes del agua de uso domestico
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II. SUSTANCIAS QUE PODRÍAN CAUSAR PROBLEMAS EN UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
La concentración umbral del plomo de efecto inhibitorio en organismos heterotróficos es de 0.1 mg/l y el reportado al caracterizar el agua residual es de 0.19 mg/l, por lo tanto esta sustancia ó elemento pueden causar problemas en la planta de tratamiento.
Aceite y grasas 77mg/l y los Hidrocarburos 3.6 mg/l no afectan al proceso aeróbico o anaerobio de tratamiento.
Todos los demás elementos están por debajo del valor umbral que inhib
III. DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL (ANAEROBIO- AEROBIO)
TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB)
DATOSAño 0 Año 10 Año 20
Qp(m3/h) 151,2 374,4 824,4Qmax(m3/h) 399,6 846 1612,8Qmin(m3/h) 57,6 165,6 421,2DBO5(Kg/m3) 0,341DQO(Kg/m3) 0,981Y (Kg SST/Kg DQO apl.) 0,18Yobs (Kg DQO Lodo/Kg DQO apl.) 0,11 - 0,23P (Atm) 1K (gr DQO/mol 64R (Atm*L/mol*ºk) 0,08206
CONSIDERANDOTemp. Aire del mes más frío °C 18Temp. agua del mes más frío °C 23,35temp. retención hidráulica TRH horas 7 fuente: Lettingaaltura zona sedimentación Hse m 1,2Veloc. ascensional(lodo floculento, desagüe domestico)
Vo m/h 0,7 fuente: Lettinga
Area de influencia de cada distribuidor Ad Ingreso/m2
3
CALCULOSDimensionamiento del reactor
10 años 20 años
Volumen de reactor (m3) Vr=Qp*TRHmin
m3 2620,8 5770,8
altura del manto de lodos(m) Hs=Vo*TRH m 4,9altura de reactor(m) H=Hs+Hse m 6,1altura de fondo(m) Hf m 0,4altura borde libre(m) Hbl m 0,3
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Nº módulos(Por facilidades constructivas y operacionales los volúmenes no pasen de 1500m3
3 6
Volumen de cada modulo Considerando 1000 m3.
m3 1000 1000
Área de cada modulo A=Vr/Hs m2 204Adoptar reactores rectangulares
a m 11,66 Consideramos 12 m
L=1.5a m 17,49 Consideramos 18 m
Verificando:Año 10 Año 20
Área de cada modulo Au=L*a m2 216
Área totalA=Nº módulos*Au m2 648 1296
Volumen V=A*Hs m33175,
2 6350,4TRH TRH=V/Q horas 8,48 7,70Cargas Orgánica Volumétrica COV=Qp*So/V
KgDQO/m3*d 2,78 3,06 ( 3.5 m3/m3.dia)
Cargas Hidráulica Volumétrica CHV=Q/V m3/m3*d 2,83 3,12
(2.5 -3.5KgDQO/m3*día)
Velocidades superficiales:Para Qp v=Qp/A m/h 0,58 0,64 (0.5 - 0.7 m/h)para Qmax v=Qmax/A m/h 1,31 1,24 (0.9 - 1.1 m/h)
Distribución de afluentePuntos de distribución asumiendo Und. 12,00
L m 1,50Area de influencia de cada punto de distribución
Ad=(L/puntos de distribución)2
m2 2,25 (2 - 3 m2)
N° ingresos de afluente N°=A/Ad Und. 96,0a lo largo de cada reactor (18m) Und. 12a lo ancho de cada reactor (12m) Und. 8,00Nº puntos distribución - reactor Und. 96
EficienciaEficiencia de remoción de DQO para 20 - 25ºC.
EDQO=100*(1-0,68*TRH-
0,35) 67,82 66,72Eficiencia de remoción de DBO para 20 - 25ºC.
EDBO=100*(1-0,70*TRH-
0,50) 75,96 74,78
DQOfinal(Kg/m3)DQOf=DQOo-(E*DQOo)/100 0,316 0,326
DBO5final(Kg/m3)DBOf=DBOo-(E*DBOo)/100 0,082 0,086
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Producción de metano. Año 10 Año 20DQO Convertida en metano DQOCH4=Q(So-
S)-Yobs*Q*SoKgDQO/d 4127,32 8874,2
0K(t)=P*K/R(273+T)
Kg DQO/m3
2,63
Producción volumétrica de metano
QCH4=DQOCH4/K(t)
m3 CH4/d 1568,28 3371,99
Producción de biogás Q biogás=QCH4/0,75
m3/d 2091,04 4495,98
Dimensionamiento de colectores de gases:Dimensionamiento de colectores de gases:Numero colectores de gases
7 por cada reactor N° 21,00 42,00
Longitud de cada colector a lo ancho del reactor
m 12,00 12,00
Longitud total de colector de gases
m 252,00 504,00
Ancho de cada colector de gas
adoptado m 0,25 0,25
Área total colectores de gases
Ag m2 63,00 126,00
Verificación tasa de liberación biogás
Vg=Q biogás/Ag m3/m2*h 1,38 1,49 mínima: 1.0 m3/m2*h
Dimensionamiento aberturas de decantadores
Año 10 Año 20
Adoptando 6 separadores trifásicosN°de aberturas simples por reactor 2 6,00 12,00N°de aberturas dobles por reactor 5 15,00 30,00N° equivalente de aberturas simples
36,00 72,00
largo de cada abertura 12,00 12,00Largo equivalente de aberturas simples
m 432,00 864,00
Ancho de cada abertura adoptada m 0,45 0,45Area total de aberturas m2 194,40 388,80Verificación velocidades en aberturas:Para Qp m/h 1,87 1,53 (2.0 - 2.3
m/h)Para Qmax m/h 2,55 2,09 (4.0 - 4.2
m/h)Aberturas simples largo=12m ancho=0.45
mAberturas dobles largo=12m ancho=0.90
m
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Dimensionamiento: compartimiento de decantador
Año 10 Año 20
N° de compartimientos decantador por decantador
6 18,00 36,00
ancho de cada decantador a lo ancho del reactor
m 12,00 12,00
ancho total total m 216,00 432,00ancho de cada colector de gas (0.25+0.05) m 0,30 0,30ancho cada compartimiento decantador
m 3,00 3,00
ancho util de cada decantador m 2,70Area total de decantador m2 583,20 1166,4
0verificando tasas aplicación superficial:para Qp Vd m/h 0,64 0,71 (0.6 - 0.8
m/h)para Qmax Vd m/h 1,45 1,38 (<1.2 m/h)
Evaluación de la producción de lodo Año 10 Año 20Producción de lodo P
lodo=Y*DQOapliKg SST/día 1586,68 3493,74
Volumen de lodo Vlodo=Plodo/d*C m3/día 38,89 85,63
a.- Caudal de Diseño :
Caudal Año 0 Año 10 Año 20
Qprom (lps) 42 104 229Qmax (lps) 111 235 448Qmin (lps) 16 46 117
b.- Uso de Bio_Gas:
La producción de bogas (Metano), al año 10 es de 2091 m3/dia y al año 20 de 4496 m3/dia, el cual se puede usar para la generación de energía electrica de uso en la misma planta y de uso en la comunidad. Es posible además su uso en el secado térmico de los lodos, quitándole su agresividad bacteriológica y parasitaria.
c.- Carga Organica de Diseño:
Carga organica Año 10 Año 20DBO(kg/dia) 3064 6747DQO(kg/dia) 8815 19410
TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS)
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I.- Información GeneralNombreUbicación San MartínArea disponibleCota topográfica 800Temperatura MáximaTemperatura mínima agua 23Método de tratamiento del afluente
Lodo activado Convencional
Año meta de diseño Año 10 Año 20
II.- Características del Afluente y calidad del Efluente EsperadoAño 10Caudales l/s m3/h m3/diaPromedio 104 374 8986Caudal Maximo diario 235 846 20304Caudal Minimo diario 46 166 3974
Año 20 Promedio 229 824 19786Caudal Maximo diario 448 1613 38707Caudal Minimo diario 117 421 36374
ParametroAfluente Efluente Remoción
mgr/l Kgr/m3 Kgr/día mgr/l Kgr/m3 %DBO5 86 0.086 772.80 15 0.015 82.56DQO 326 0.326 2929.44 SS=
f´´b (relación SSb/SSV) fracciónbiodegradable = 0.8
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III. PARAMETROS Y COEFICIENTES
Parametros cineticos:
Sintesis(Y) 0,5<Y<0,73(A/R domestico)
mgSSV/mgDBO 0.65
Decaimiento endogeno(0,04<Kd<0,075)
d1 0.05 (20ºC)
Kd (23ºc) K20=1.020 Kd(23)=K20* ^t20θ 0.0530604 Kd(23ºC)Corrección de temperatura( )θ d1 1.07
Relación(O2/SSb) grO2/gr SSVbiodegradables
1.42
Relación(DBOu/DBO5) 1.46
Relación entre sólidos:-
Desague crudo: SSb/SSV 0.6SSV/SS 0.8Solidos biologicos que seran generados: SSb/SS 0.8SSV/SS 0.9Carga de DBO 5 removida en la etapa biologica (Sr) Kg/Hora 10 años Qmedio*(DBO Total -DBO salida) 638.006Carga de DBO 5 removida en la etapa biologica (Sr) Kg/Hora 20 años Qmedio*(DBO Total -DBO salida) 1404.806
Coeficientes relativos a la aereación Θ(para corrección de Kla, por temp.) a 20ºC y a 0 msnmm 1.024Masa especifica del aire Kgr/m3 1.2fracción de O2en el aire( por peso) grO2/gr aire JJJHJ
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IV.SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL
Parametros de Proyecto A) REACTOR. totalmente aerobio sin zonas anoxicas ó anaerobias
cθ días 6SSVTA Kv (mgr/lt) 3000B) SISTEMA DE AEREACIÓN ODmin(con Qmax)(Cl) mgr/lt 1ODmax(con Qmin)(Cl) mgr/lt 2Aeración mecanica(baja rotación) Kgr O2/Kw h 1.8
CALCULOS 1. Volumen de Reactor para 10 años
Fracción Biodegradable fb fb=f´b/(1+ (1fb´)kd*θc 0.75211121Volumen del Reactor (m3) V= Y * c *Sr / Xv* (1+fb*Kd* c)θ θ 669.177346Altura ( m) asumiendo una altura 4Area (m2) m2 167.294336Ancho (m) A=(Area/2)^0.5 9.14588258Largo (m) L=2A 20PRH 2.13903743
Nota:-Ancho (m)= A=(Area/2)^0.5=9.14588258=Tomando 10 mPRH=2.13903743=(*) TRH bajo ya que la demanda de DBO5 es muy baja 86 mg/l
1.- Volumen de Reactor para 20 años Volumen del Reactor (m3) V= Y * θc *Sr / Xv* (1+fb*Kd*θc) 1473.44124Altura( m) 4Area (m2) 368.360309Considerando 2 unidades 184.180155Ancho A 10Largo L 20PRH PRH=V/Q 1.78815684
Nota:- Considerando=2 unidades=184.180155=asumimos 200 m2PRH=PRH=V/Q=1.78815684=(*) TRH bajo ya que la demanda de DBO5 es muy baja 86 mg/l
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2.- Demanda de Oxigeno por el Reactor
a´=(DBOu / DBO5)-(DBOu/Xb)*Y=1.46-1.42*Y = 0.537 = Kg O2/KgDBO5b´=(DBOu-Xb)*fb*Kd = 0.0566684 = Kg O2/CGSB
Demanda para Sintesis a´*Sr 754 KgO2/DiaDemanda de Oxigeno Para respiración Endogena b´*Xv*V 272 KgO2/DiaDemanda Total (Qpromedio) Romedio xxxxxxxxxxxxxx 1026 KgO2/Dia
Demanda de Oxigeno Total (QMax)(Qmax / Qpromedio)*ROmedio 2008 KgO2/Dia
3 Dimensionamiento de los Aereadores SuperficialesCsw(agua limpia, 20ºC)
9.02
α
Saturación de la concentración de O2 en aguas residuales / Saturacion de la concentración de O2 en el agua pura 0.85
β 0.9 No 1.8 Kg O/KWHCL 2 mg/lCst 9.17 mg/lT ºC 23 ºCPA(800nmm) 721.6 mmhgp a (23ºC) 21 mmhgCsw 8.7 mg/lC´sw C´sw=Csw(PA-p/760-p) 8.24792963 mg/lTasa de Tranferencia del Oxigeno por el Aereador en el Campo
N=No[α(β*C´sw-CL)/Cst)*1.024^(T-20)] 0.97156646 Kg O/KWH
23.3175951 Kg O/Kwdia
Potencia Total de los Arreadores = 86.1112304 = Kh = verificar en catalogos Según la Distribucion se necesita 2 Aereadores Verticales por cada unidad 100Kw/4
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