capitulo 4 desarenador

7/29/2019 CAPITULO 4 DESARENADOR

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CURSO: IRRIGACIONES CAPITULO IV: EL DESARENADOR

Msc. Abel A. Muiz Paucarmayta Pgina 1

CAPITULO IV

EL DESARENADOR

4.1 GENERALIDADES.

La cantidad de sedimentos en suspensin que lleva el agua puede ocasionar erosin en las paredes

de los canales o la deposicin de las partculas ms finas provocando la reduccin de la caja del

canal y la consiguiente disminucin de su capacidad, en el caso de las maquinarias hidrulicas

instaladas en las centrales hidroelctricas se producen erosiones en las agujas y turbinas que

ocasionan altos gastos de mantenimiento o reduccin de la produccin de energa.El desgaste del equipo mecnico en plantas de alta calidad se puede reducir eliminando partculas

de 0.01 a 0.05 mm.

4.2 CAUSAS DEL DESGASTE DEL EQUIPO MECNICO.

Las principales causas del desgaste de las mquinas de las centrales hidrulicas segn N. Faletti

son las siguientes:

a. - Erosin mecnica o de abrasin.

b. - Corrosin qumica y electroqumica.

c. - Corrosin por efecto de la cavitacin

La erosin mecnica se debe principalmente a la accin de los granos sobre las superficies

metlicas de los equipos mecnicos bajo la presin del agua. Esta deformacin se presenta en

forma de gradas en las agujas y boquillas de las turbinas.

La corrosin qumica es causada por la accin de cidos provenientes de las sales contenidas en las

aguas o radicales cidos y se intensifica con el comportamiento electro qumico de la composicin de

los diferentes materiales con las que son fabricadas las turbinas que pueden ser bronce al nquel,acero al carbono u otros.


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Cuando la temperatura del agua alcanza la tensin del vapor se forman bolas gaseosas que en

contacto con las superficies metlicas producen la llamada corrosin por cavitacin.

Las causas anteriores hacen necesario que se instale en la misma toma o aguas abajo estructuras

llamadas desgravadores y desarenadores, con objeto de evacuar los materiales gruesostransportados por el agua y eliminar tambin las partculas finas que estn en suspensin en el

agua.

La eliminacin de los sedimentos en suspensin son ms exigentes en los proyectos de plantas de

tratamiento para potabilizar el agua y en las Centrales Hidroelctricas de alta cada, pero son menos

exigentes en los proyectos de Irrigacin donde, puede ser conveniente en algunos casos conducir en

los primeros aos sedimentos finos para mejorar los suelos arenosos especialmente en los

proyectos de la costa peruana que tiene extensos arenales.

Es usual disear los desarenadores para eliminar un limite inferior del tamao de las partculas, sin

embargo es mejor controlar el grado de desarenamiento, (relacin entre la concentracin despus y

antes de la desarenacin).

Los desgravadores son estructuras que generalmente se instalan entre la toma y los desarenadores

y tienen por objeto eliminar las gravas antes de que puedan ingresar a los desarenadores.

4.3 ESTUDIOS NECESARIOS PARA EL DISEO DEL DESARENADOR

Durante el periodo de avenidas, las aguas de los ros transportan material slido en suspensin y de

fondo que fluctan entre el 80 % y el 90 % del total del ao.

En ese lapso de tiempo las turbinas de las centrales hidroelctricas sufren el desgaste prematuro y

acelerado de sus piezas metlicas, igualmente los vasos de almacenamiento reducen su capacidad

y vida til y los canales de irrigacin se colmatan de sedimentos o en el peor de los casos se

erosionan y en algunos casos quedan inhabilitados.

Con el objeto de escoger el tipo ms conveniente de desarenador se efectan los siguientes

estudios de:

a. Topografa:

Los desarenadores requieren reas planas para la ubicacin de sus diversas estructuras, como

de suficiente altura para instalar las pozas y conductos de purga para la eliminacin de los

sedimentos (6 a 10 metros encima del ro). Las reas de ubicacin de estas estructuras para su

operacin inspeccin, y mantenimiento deben ser de fcil acceso.

b. Geologa:

Para la seleccin del tipo de desarenador se realizan estudios geolgicos y de mecnica de

suelos para conocer las formaciones geolgicas y las propiedades de los terrenos y material

rocoso en una profundidad de 10 metros.


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En el caso de materiales sueltos se prefieren pozas profundas, en materiales duros o rocosos

sern convenientes pozas de poca profundidad para disminuir costos.

c. Hidrologa:

La informacin hidrolgica debe referirse al periodo de avenidas y a las mediciones desedimentos para conocer los volmenes en suspensin y de los slidos de fondo.

d. Anlisis de Slido:

El anlisis mineralgico de los slidos en suspensin y de los slidos de fondo es muy

Importante para el diseo de las estructuras de evacuacin de los slidos contenidos en las

aguas.

Es igualmente importante conocer la granulometra y las caractersticas de las partculas

minerales especialmente de alta dureza, mayores de 5 en la escala de Mhos.

e. Anlisis del uso del agua:

Depende de los sistemas hidrulicos y del uso del agua la eliminacin de un determinado

dimetro de partculas. En el caso de las plantas de tratamiento de agua potable, la turbiedad del

agua debe ser mnima por lo cual adems de desarenadores se usan floculadores

En el caso de los pro yectos de irr igaci n basta elimin ar partculas m ayores de 0.5 mm,

dado que podra ser aconsejable el transportar arcillas y limos para mejorar los suelos de reas

desrticas.

En cambio en los proyectos de hidroelctricas de alta cada el desgaste de rodetes, agujas y

turbinas ocasiona gastos de mantenimiento grandes por lo cual se prefiere eliminar materiales

finos hasta de 0.1 mm.

4.4 FUNCIN DEL DESARENADOR.

El desarenador es la estructura que ayuda a potabilizar el agua de consumo humano, mediante la

eliminacin de partculas en suspensin mayores de cierto dimetro, y tambin, para el mejor

aprovechamiento de las aguas en las hidroelctricas y en los proyectos de riego, evitando daos enlas estructuras.

La eliminacin de los materiales acarreados en un flujo comprende dos tareas que deben realizar los

desarenadores:

1. La decantacin de los materiales en suspensin.

2. La evacuacin de los materiales depositados.

La prim era etapase efecta obligando a los flujos de agua a fluir con una velocidad baja, de tal

manera que el flujo pierda su capacidad de transporte y decante los materiales en suspensin.


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La segunda etapa consiste en eliminar los materiales depositados, al inicio esta accin se realizaba

por medios mecnicos (palas mecnicas) y en la actualidad se eliminan los materiales gruesos

aprovechando la energa del agua.

Los desarenadores propiamente dichos son estructuras hidrulicas donde las dos operaciones seefectan, tanto la de decantacin como la eliminacin de los materiales depositados en forma

simultnea.

Los desgravadores son tambin llamados trampas de piedras se disean con el objeto de eliminar

principalmente las piedras que pudieran haber sido transportadas hasta el canal de derivacin, su

diseo se muestra en la Figura No 4.1.

FIG. No 4.1

ESQUEMA DE UN DESARENADOR INTERMITENTE

4.5 CLASIFICACIN DE LOS DESARENADORES:

Los desarenadores generalmente se clasifican en:

1. En funcin de su operacin:

Desarenadores de lavado continuo: Es aquel en que la sedimentacin y evacuacin son dos

operaciones simultneas.

Desarenadores de lavado discontinuo: (intermitente), que almacena y luego expulsa lossedimentos en movimientos separados.

2. En funcin de la velocidad de escurrimiento:

De baja velocidad: v < 1 m/s (0.20 0.60 m/s)

De alta velocidad: v > 1 m/s (1 a 1.5 m/s).

3. Por la disposicin de los desarenadores.

En serie: Formado por dos o ms depsitos construidos uno continuacin de otro.

En paralelo: Formado por dos o ms depsitos construidos paralelamente y diseados para una

fraccin del caudal derivado.


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4. Por la ubicacin de los orificios de purga: Pueden ser desarenadotes de orificios frontales,

laterales y de fondo.

FIG. 4.2

NAVES DEL DESARENADOR

CC.HH MANTARO

4.6 ELEMENTOS DE UN DESARENADORPara cumplir su funcin, el desarenador se compone de los siguientes elementos:

TRANSICIN DE ENTRADA:

Es la estructura que une el canal con el desarenador.

CAMARA DE SEDIMENTACIN:

Es la estructura en 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 arcillas : 0.081 m/seg.

Para arena fina : 0.160 m/seg.

Para arena gruesa : 0.216 m/seg.

De acuerdo con lo anterior, la seccin transversal de un desarenador, se disea para velocidades

que varan entre 0.1 m/seg a 0.40 m/seg, con una profundidad media de 1.5 m a 4.00 m.

La seccin transversal puede ser rectangular o trapezoidal; por facilidad constructiva se escoge el

rectangular.


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Con el objeto de facilitar el lavado, concentrando las partculas hacia el centro, conviene que el fondo

tenga una cada hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1: 8.

VERTEDERO:

Al final de la cmara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Lascapas 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.

Su dimensionamiento se realiza mediante la ecuacin de Francis:

2/3.. hLCQ (Ec. 4.1)

Donde:

Q : Caudal m3/seg.

C : 1.84 (para vertederos de cresta aguda).

C : 2.00 (para vertederos de perfil Greager).

L : Longitud de la cresta (m).

h : Carga sobre el vertedero (m)

Siendo el rea hidrulica sobre el vertedero:

A = L x h

La velocidad por la ecuacin de continuidad ser:

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..

..hC

hL

hLC

A

Qv (Ec. 4.2)

y la carga sobre el vertedero:

2)(C

vh (Ec. 4.3)

De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el mximo valor de h no

debera pasar 25 cm.

Casi siempre el ancho de la cmara del desarenador no es suficiente para construir el vertederorecto y perpendicularmente a la direccin del agua. Por eso se le ubica en curva que comienza en

uno de los muros laterales y continan hasta cerca de la compuerta de desfogue.

COMPUERTA DE LAVADO:

Sirve 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 obtenida por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de

calculo, si no que el volumen adicional obtenido se lo toma como deposito para las arenas

sedimentadas entre dos lavados sucesivos.


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Hay que asegurarse que la cota de fondo de las compuertas de lavado est por encima de la cota

del ro al cual se conducen las aguas del lavado y que la gradiente sea suficiente para arrastrar las

arenas.

Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rpida y eficaz esta velocidad debeser de 3 a 5 m/seg.

CANAL DIRECTO:

Sirve para dar servicio mientras se esta lavando el desarenador. 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 por el

caudal total mientras la otra se lava.

4.7 ECUACIONES BSICAS PARA EL DISEO DE LOS DESARENADORES

De acuerdo a la teora simple de sedimentacin (w) es velocidad de cada de las partculas en aguas

tranquilas y (v) velocidad critica de sedimentacin, que depende del tamao de los granos.

a. Lo ng itu d d e Cada:

La longitud de cada de una partcula se relaciona con las anteriores velocidades y se expresa.

L = h.v/w (Ec. 4.4)

Para relacionar la anterior ecuacin con las dimensiones mnimas del tanque de sedimentacin

tendremos que el caudal por unidad de tiempo ser:

vhbQ ..

(Ec. 4.5) luego wvhbfl ,,,

b. Velocid ad de sedim entacin:

Sellero demostr la inaplicabilidad de la Ley de Stokes para la precipitacin de partculas

mayores de 0.1 mm.

FIG. 4.3

EXPERIENCIAS DE SELLERIO

En esta ecuacin la velocidad de sedimentacin w queda relacionada segn estudios de Sudry,

por el peso especfico del agua con cierta concentracin de sedimentos, el dimetro de las

partculas a precipitar, dando la velocidad de sedimentacin en cm/seg. Ver Figura No 4.4.


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FIG. 4.4VELOCIDAD DE SEDIMENTACIN DE GRANOS DE ARENA EN AGUA TURBIA SEGN SUDRY

c. Velo cid ad crtica d el flu jo

Por otro lado la velocidad crtica (v) de las partculas depende del tamao de stas.

La frmula de Camp, para el clculo de la velocidad crtica v en cm/seg es:

dav (Ec. 4.6)

El coeficiente a tiene los valores mostrados en el Cuadro No 4.1.

a d (mm)

36 > 1

44 1 - 0.20

51 < 0.1

COEFICIENTE DE CAMP

TABLA No 4.1

COEFICIENTES DE CAMP

FRMULA DE VELIKANOV.

Teniendo en cuenta el efecto retardador de la turbulencia que hace ms lenta la decantacin en

agua fluyente la longitud de cada de las partculas segn Velikanov es:

2

222

.51.7

21.0

w

hvL

(Ec. 4.7)

Donde:

h : Altura de cada de las partculas en la poza.

: Depende de la relacin de concentraciones antes y despus de la sedimentacin. El valor de

se da en la curva de la Figura No 4.5.


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FIG. 4.5

RELACIONES DE VELIKANOV w = f() PARA DISEO DE DESARENADORES

FRMULA DE BESTELL I BUCHI

Segn Bestelli, Buchi la longitud viene dada por la frmula:

1

.

ww

hvL

(Ec. 4.8)

Donde:

vaw .1 (Ec. 4.9)

2/1132.0

ha (Ec. 4.10)

NORMAS RUSAS.

Se puede relacionar el grado de desarenamiento o garanta de precipitacin en % (W) con curvas de

funcin w/v que permiten deducir la relacin h/L y fijar las dimensiones del desarenador. Se

recomienda utilizar eficiencias entre 95 y 98 %. Ver Figura No 4.6.

En general las pozas largas y anchas son ms econmicas, que las pozas profundas, se prefiere

tirantes entre 1.5 y 4.0 metros (altura poza til) y velocidades menores de 0.60 m/seg.


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FIG. No 4.6

NORMAS RUSAS PARA DISEO DESARENADORES

4.8 DIMETRO DE PARTCULAS POR ELIMINAR

En los proyectos de riego generalmente es suficiente eliminar partculas mayores de 0.5 mm y

algunas veces es conveniente transportar materiales finos con dimetros menores con la finalidad de

mejorar los suelos del proyecto.

En desarenadores para centrales hidroelctricas se considera la siguiente tabla:

100 200 0.6

200 300 0.5

300 500 0.3

500 1000 0.1

EN FUNCION DE LA ALTURA DE LACAIDA DE LA CENTRAL

DIAMETRO DE

PARTICUA A ELIMINAR(mm)

ALTURA CAIDA(m)

TABLA No 4.2

ALTURA DE CADA VERSUS DIMETRO DE PARTCULAS A ELIMINAR

Otros diseadores relacionan la partcula por eliminar segn el tipo de turbina as:


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KAPLAN 1 a 3

FRACIS 0.4 a 1

PELTON 0.2 a 0.4

PARTICULA POR ELIMINAR SEGN TIPODE

DIAMETRO DEPARTICUA A ELIMINAR

(mm)

TIPO DETURBINA

TABLA No 4.3

TIPO DE TURBINA VERSUS DIMETRO DE PARTCULAS A ELIMINAR

4.9 ALGUNAS RECOMENDACIONES PARA EL DISEO DE LOS DESARENADORES

Como, aspectos complementarlos al diseo de las pozas indicaremos que es conveniente que el

escurrimiento sea lo ms uniforme posible, para lo cual puede ser necesario instalar amortiguadoresy rejas en la seccin de ingreso y las transiciones deben mejorar la distribucin del agua.

En el caso de los desarenadores de purga continua es conveniente que el flujo de sedimentos en el

conducto de lavado y el colector de sedimentos sea continuo, as como la operacin de las

compuertas de lavado.

Generalmente la entrega de las aguas limpias se efecta mediante un vertedero de pared gruesa

instalado al fondo de las pozas.

Segn el tamao de los desarenadores los conductos de purga pueden permitir el ingreso de

operarios para su limpieza y mantenimiento.

Tambin para asegurar la limpia de las naves del desarenador conviene disponer de monitores para

remover con mayor facilidad los materiales sedimentados.

La purga puede efectuarse por medio de una caseta de mando, y dispositivos de compuertas tipo

Bieri, que pueden efectuar la purga cada cierto tiempo. O por una determinada altura de los

sedimentos en las pozas. Ver Figuras No 4.7 Desarenadores de Majes..


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FIG. No 4 .7

DESARENADOR PROYECTO MAJES

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