resalto hidraulico en plantas de tratamiento

1

HIDRÁULICA APLICADA A PLANTAS DE TRATAMIENTO

MEZCLADORES HIDRAULICOS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION

DEPARTAMENTO DE HIDRÀULICA Y MEDIO AMBIENTE

• Ing. María Elena Baldizón A.

Managua, Abril, 2013

Unidades de Mezcla Rápida.

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La Mezcla Rápida es una operación empleada en el tratamiento del agua. Tiene la finalidad de dispersar rápida y uniformemente el coagulante a través de toda la masa de agua. Puede efectuarse mediante turbulencia provocada por medios hidráulicos o mecánicos tales como: • Resaltos Hidráulicos: la mezcla es ejecutada como un resultado de la

turbulencia que existe en el régimen de flujo.

• En los mecánicos: la mezcla es inducida a través de impulsores rotatorios del tipo de hélice o turbina.

Unidades de Mezcla Rápida. “Resalto hidráulico”

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Las unidades de resalto hidráulico, son adecuadas para todo tipo de aguas; es decir, tanto para las que coagulan por el mecanismo de adsorción o neutralización de carga como para las de barrido, pero son más utilizadas para aguas que la mayor parte del tiempo están coagulando mediante el mecanismo de adsorción; es decir, aguas que presentan alta concentración de coloides Los más utilizados por su simplicidad y eficiencia, los siguientes: • vertederos rectangulares y triangulares • canales con grada o con cambio de pendiente (rampas); • canaletas Parshall; La mezcla es producida por la generación de un resalto hidráulico que causa un gradiente de velocidad de alrededor de 1.000 s-1. Estas unidades tienen la ventaja de que, además, involucran la medición del caudal de ingreso a la planta.

Parámetros de Diseño

4

1. El gradiente de velocidad “G” 1000 G 2000 seg-1

2. Tiempo de retención de la mezcla debe ser menor o igual que 1

segundo.

3. Números de Froude (F) : variables entre 4,5 y 9,0 para conseguir un salto estable, con excepción de la canaleta Parshall, que funciona mejor con números de Froude entre 2 y 3.

• La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para plantas de medianas a grandes (Q ≥ 500 L/s).

• El canal con cambio de pendiente se adecúa a cualquier rango de caudal.

• Los vertederos rectangular y triangular solo a caudales pequeños; el último, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s.

5

Energía específica en canales: Tirante crítico.

Energía específica ES: Es la energía total de la

unidad de peso del líquido que fluye en un canal con relación a la solera o fondo del canal que se toma como plano de referencia.

V y

2

2V

g

Línea de energía

ES

2

2V

S gE y La energía de posición se considera igual a cero.

Z=0

6

Energía específica: Tirante crítico.

Para un caudal constante, se puede graficar la curva de variación de la energía específica “ES” , en función del tirante “y”.

ES

y

min32 E

gV2

2

minE

cy

Energía potencial

2

2V

gy E

45º

Flujo subcrítico

Flujo supercrítico

y

cy

gV2

2

Tirante crítico “yc”: La profundidad correspondiente al punto “A” se denomina tirante crítico y se presenta cuando Es es un mínimo.

A

7

Tirante crítico. Para un canal de sección rectangular, pendiente constante y ancho unitario el tirante crítico se encuentra de la siguiente manera:

2

2

Caudal unitario

Sustituyendo en E

2

2

q

y

Q VbyAVb b b

q

y

Vg

g

Q AV

q

q Vy

V

E y

E y

2

2

2

2

2

2

2 2

2 2 3

2 3

2

2

2

q

gy

q

gy

E y

E y

q gy E y

q g Ey y

q g Ey y

b

y

8

Tirante crítico. Es aquel para el cual “ES” es un mínimo

12

12

1122

1122

2 3

2 3 212

2 3 212

2 3 212

2

23

2min3

Tirante critico

2

2 2 2 3

2 2 2 3

2 2 3 0

2 3 0

2 3 0

2 3 0

2 3

dq

dy

dq

dy

dq

dy

c

q g Ey y

g Ey y g Ey y

g Ey y g Ey y

g Ey y Ey y

Ey y

y E y

E y

E y

y E

y E

8

9

Tirante crítico

3min 2

3 332

6 3 3

2

3 3 3

2 3

Sustituyendo en q

2

2

3 2

c

c c

g

c c

c c c

c

E y

q g y y

q y gy

q gy gy gy

q gy

2

2

3

3

q

c g

q

c g

y

y

2

3min 2

3 3min 2

c

q

g

E y

E

10

RESALTO HIDRÁULICO

Es una sobreelevación de la superficie libre del agua ( u otro

fluido) que fluye en un canal. Ocurre cuando en un tramo de canal se pasa de régimen supercrítico a régimen subcrítico

Resalto hidráulico

Régimen Supercrítico

Régimen Crítico

Régimen

Subcrítico

11

3min 2

232

232

212

2

2

2

2

2

2

NUMERO DE FROUDE

c

c c

c c

c

c

Vcg

Vcg

Vcg

Vcg

E y

y y

y y

y

y

2

2

1

c

c c

c c

Vcg

Vcgyc

Vcgyc

y

V gy

V gy

F

RESALTO HIDRÁULICO

12

NUMERO DE FROUDE

Vc

gycF

El valor que toma el número de froude nos indica el tipo de régimen de flujo que se manifiesta.

= 1 ------- Régimen crítico.

F < 1 -------- Régimen subcrítico.

> 1 -------- Régimen supercrítico.

La energía específica mínima ocurre cuando el número de Froude es igual a la unidad.

13

APLICACIONES DEL RESALTO HIDRÁULICO Existen muchas aplicaciones, las más comunes son:

1. Disipar energía en agua escurriendo sobre diques, presas y otras

estructuras hidráulicas, para prevenir erosión o socavación aguas abajo

de las estructuras.

2. Recuperar o levantar el nivel de agua en un canal, aguas abajo de un

dispositivo de medición de caudal, con el objetivo de mantener un nivel

que permita el riego u otros propósitos de distribución de agua.

3. Incrementar el peso sobre un lecho amortiguador para reducir la presión

hacia arriba sobre una estructura, aumentando el tirante sobre el lecho.

4. Incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrás el nivel

aguas abajo.

5. Como unidad hidráulica de mezcla rápida en plantas

potabilizadoras.

6. Como unidad de aireación en plantas potabilizadoras.

7. Remover bolsas de aire y prevenir bloqueos en líneas de conducción de

sistemas de agua potable.

14

Situaciones que pueden dar lugar a la formación de un

resalto hidráulico.

Flujo en un canal de pendiente supercrítica que cambia a pendiente subcrítica.

15

Situaciones que pueden dar lugar a la formación de un

resalto hidráulico.

Flujo en un canal horizontal con una estructura de caída.

Flujo bajo una compuerta instalada en un canal de pendiente subcrítica.

Flujo al pie del vertedero de rebose de una presa.

Flujo en un canal horizontal ante la presencia de un obstáculo como un vertedero o un medidor de caudal de flujo crítico.

16

Situaciones que pueden dar lugar a la formación de un resalto hidráulico.

Flujo bajo una compuerta instalada

en un canal de pendiente subcrítica.

Flujo al pie del vertedero de rebose de una presa.

17

RESALTO HIDRÁULICO EN CANALES HORIZONTALES

RECTANGULARES.

y1

y2

V1

V2

Para un canal horizontal de sección rectangular y ancho unitario las fuerzas de empuje que actúan en ambas secciones son:

F1

F2

21 11 1 1 1 1 12 2

21 12 2 2 2 2 22 2

1

1

( )( )

( )( )

F p A y y y

F p A y y y

1

2

18

RESALTO HIDRÁULICO EN CANALES HORIZONTALES

RECTANGULARES.

El impulso de las fuerzas debe igualar la variación de la cantidad de movimiento:

2 22 1

1 2

2

1 2

22 1

1 2

1 22 2

22 2

2 1

2 1 12 1 2 1

2

2 1 2 1

Como v

( )( )

( )( )

y y q q

g y

q q q

g y y

q

g y y

y yq

g y y

V V

y y

y y y y y

y y y y

19

RESALTO HIDRÁULICO EN CANALES HORIZONTALES RECTANGULARES.

2

1 2

2

1

2

1

221 1

1

2

2 1

2

2 2 1

22

2 1 2

2

2 2 4

( )

( )

0

q

gy y

q

gy

q

gy

y yq

gy

y y

y y y

y y y

y

1 1Como

:Caudal unitario

q v y

q

2 21 1 1 1

2 21 2

2

2 2 4

1 22 2

Ecuación del resalto hidráulico.

Perdida de carga entre "1" y "2".

y V y y

g

V V

f g g

y

y y y

20

RESALTO HIDRÁULICO EN CANALES HORIZONTALES RECTANGULARES.

2 21 1 1 1

2 21 1 1 1 1

1

2 211 1 1

2

2 2 4

2

2 4 2

82 24

Número de froude

(Canales rectangulares horizontales).

1

Ecuación del resalto hidráulico:

y V y y

g

V y y y V

g gy

yy V y

g

y

y F

y

y1

y2

V1

V2

21

1 11

1

1 1

1

2

1

2

2 2 2

2 2 2

2

2 2 1

2112

Canal rectangular horizontal.

8 1

8 1

1 8

1 8 E cuación del resalto en función

Ecuación del resalto hidráulico:

1

1

y yV

gy

y y

y

y

y

F

y

y

y F

Fde "F ".

21

TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO

PARA F = 1 EL FLUJO ES CRÍTICO Y NO SE FORMA EL RESALTO.

SE PUEDEN CLASIFICAR CONFORME EL NÚMERO DE

FROUDE.

Para F =1 a 1.7 Resalto ondular

Se forman ondulaciones

22

TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO

• Para F = 1.7 a 2.5 Resalto débil.

Se forma una serie de pequeñas ondas sobre el tramo de desarrollo del resalto, aguas abajo la superficie del agua permanece lisa.

La velocidad a lo largo del tramo es ligeramente uniforme.

La pérdida de energía es baja.

23

TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO

• Para F = 2.5 a 4.5 . Resalto oscilante.

Se genera un chorro oscilante entrando al resalto del fondo a la superficie y hacia atrás. Cada oscilación produce una onda de período irregular, la cual puede viajar varios kilómetros.

24

TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO

• Para F = 4.5 – 9.0 hf = 45 – 70 %

Resalto permanente

El desarrollo y posición del resalto son menos sensibles a la variación de la profundidad aguas abajo. El resalto está bien balanceado y su rendimiento es el mejor.

La disipación de energía varía entre el 45 y 75 %.

25

TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO

• F > 9 hf = 85 %

Resalto fuerte.

Muy efectivo. Las ondas generadas se desplazan aguas abajo. Esto generalmente no es conveniente en una planta de tratamiento.

26

CONTROL DEL RESALTO HIDRÁULICO

Vertederos de cresta delgada.

Vertederos de cresta ancha.

Levantamiento abrupto.

Caída abrupta.

El resalto hidráulico puede ser controlado por escalones y otros dispositivos de diversos diseños como:

El objetivo de estos dispositivos es asegurar la formación del resalto y controlar su posición bajo todas las posibles condiciones de operación.

27

CONFIGURACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO GENERADO POR UN VERTEDERO RECTANGULAR, SIN CONTRACCIONES LATERALES, EN UN CANAL HORIZONTAL DE SECCIÓN RECTANGULAR

y2

x y1

1 Lm Lj

P

H yc

Punto de aplicación

del coagulante.

Vertedero rectangular de pared delgada sin contracciones

28

CONFIGURACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO GENERADO POR UN VERTEDERO RECTANGULAR, SIN CONTRACCIONES LATERALES, EN UN CANAL HORIZONTAL DE SECCIÓN RECTANGULAR

Vertedero rectangular de pared delgada sin contracciones

P

H B

1 2

y1

y2 yC

Lj Lm

29

CONFIGURACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL HORIZONTAL CON VERTEDERO RECTANGULAR SIN CONTRACCIONES LATERALES

1 2

2 21 8 1 1

yy F

32 1

2 14

y y

f y yh

Cálculo de alturas conjugadas del resalto, “y1” y “y2”:

• La profundidad “y1” está relacionada con la profundidad crítica “ yc”.

De la fórmula de White podemos encontrar “Y1”:

1 2

1.06 1.5

2

11.06 1.5

pcyc

c

p

yc

y

y

yy

23 q

c g

Q

B

h

q

La profundidad “y2” se encuentra con la formula del resalto y sustituyendo “y1”:

Calculo de la pérdida de carga en el resalto.

Fórmula de Belanger.

Longitud del resalto hidráulico.

2 16( )jL y yFórmula de

Smetana

30

CONFIGURACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL HORIZONTAL CON VERTEDERO RECTANGULAR SIN CONTRACCIONES LATERALES

• Distancia de caída ( Lm ):

Vertederos rectangulares de pared delgada, sin contracción. Se aplica la ecuación de Scimeni:

0.541.45mL P

H H

Vertederos rectangulares de pared gruesa, sin contracciones.

0.9

4.30cyLm

P P

31

RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL HORIZONTAL CON VERTEDERO RECTANGULAR SIN CONTRACCIONES LATERALES

j

m

L

VT

1 .

Preferiblemente

0.5 .

T seg

T seg

Longitud del canal de aproximación. 4.5L B

L B

Altura del murete de salida.

126

X y

Aplicación del resalto como unidad de mezcla rápida.

Tiempo de mezcla: T.

Velocidad media en el resalto: Vm .

1 2

2

V V

mV

32

CONFIGURACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL HORIZONTAL CON VERTEDERO RECTANGULAR SIN CONTRACCIONES LATERALES

Aplicación del resalto como unidad de mezcla rápida.

El resalto generado debe de ser del tipo estable.

Gradiente de velocidades: G .

1

-1

1

1000

Nunca inferior a 1000 seg

CEPIS recomienda

1000 2000

fh

TG G seg

G seg

33

CONFIGURACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL HORIZONTAL CON CAÍDA.

Lj Lm

h yP

y1

y2

z

LT

H

y3

x

yc

y0

Los parámetros de diseño de la estructura de caída se expresan en función del parámetro adimensional denominado “Número de caída: D” (adimensional).

y z

D = q2/gh3

34

CONFIGURACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL HORIZONTAL CON CAÍDA.

Alturas conjugadas del resalto hidráulico.

Si el tirante en la caída libre es crítico, Rand demostró que se cumplen las siguientes funciones exponenciales, las cuales fueron obtenidas experimentalmente con un error del 5% o menos.

Para mantener el resalto dentro de la estructura del mezclador hidráulico se construye un murete de control o escalón de salida con una altura

La relación entre la profundidad crítica “YC” y la profundidad en el umbral de entrada “H” (carga del vertedero) es:

75.0cy

H

y1= 0.54 h (yc /h)1.275

y2= 1.66 h (yc /h)0.81

Ld= 4.30 h (yc /h)0.09

Lj= 6.9 (y1- y2)

X=1/6 y2

35

CONFIGURACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL HORIZONTAL CON CAÍDA.

El resalto generado por la estructura de caída puede aplicarse como

mezclador rápido hidráulico en plantas de tratamiento, para lo cual debe cumplir con los requisitos del caso.

1

1

-1Nunca inferior a 1000 seg

PIS recomiendaCE

1000

1000 2000

fh

TG G seg

G seg

Las caídas también se utilizan para vencer pequeños desniveles, para regular profundidades de agua en confluencias y cruces, para disipar energía.

Canal con pendiente inclinada

36

Ecuación de momentos

Canal con pendiente inclinada

37

23

132

2

11

1

12

KF

FCos

F

CosFCosK

33

8 1

1

2 CosKF

d

da

3

1

2

1gF

qd

Cos

dh 1

1 122 addh

38