centrales desripiador rejillas de fernando lozano

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

FACULTAD DE INGENIERIA: ELCTRICA, ELECTRNICA, MECNICA Y MINAS

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERA ELCTRICA

Curso : Centrales Elctricas I

Docente : Octavio Caihua Cayocusi

Alumnos : Fernando Lozano Inca

Semestre : 2015-I

Fecha : 18 de Julio del 2015

CUSCO-PERU

2015

INFORME: DISEO DEL DESARENADOR Y DESRIPIADOR

CENTRALES ELECTRICAS

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OBJETIVOS

Tiene por objeto separar del agua cruda la arena y partculas en suspensin gruesa, con el fin de evitar se produzcan depsitos en las obras de conduccin, proteger las bombas de la abrasin y evitar sobrecargas en los procesos posteriores de tratamiento. El desarenado se refiere normalmente a la remocin de las partculas superiores a 0,2 mm. Establecer criterios para el diseo de las unidades de pre-tratamiento y acondicionamiento previo, desarenadores y sedimentadores para sistemas de abastecimiento de agua para generacin de energa elctrica en centrales hidroelctricas. Tener una idea clara sobre el clculo y diseo de un desarenador, que va a ser de gran ayuda despus en nuestra profesin Saber disear con criterios claros las diferentes estructuras hidrulicas que se presentan en una Desripiador. Calcular y disear las obras hidrulicas de la toma lateral: azud, muros de ala, rejilla, desarenado, desripiador y transicin. Saber de dnde sale todo el clculo que representa cada smbolo y de donde se lo obtiene que se presenta en el clculo de cada unidad.


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DESARENADORES EN CENTRALES HIDROELECTRICAS

DEFINICIN.

Los desarenadores consisten, simplemente, en un ensanchamiento del canal de pre-tratamiento, en donde la velocidad del agua disminuye lo necesario para permitir la sedimentacin de las partculas discretas, pero no lo suficiente para que se presente asentamiento de la materia orgnica. Su diseo est soportado, entonces, en las velocidades de sedimentacin de las partculas que quieren removerse, las cuales son explicadas mediante las frmulas de Stokes (flujo laminar), Newton (flujo turbulento) y Allen (rgimen transitorio).Estos desarenadores son obras hidrulicas que sirven para separar (decantar) y remover (evacuar) despus, el material solido que lleva el agua de un canal.

El material solido que se transporta ocasiona perjuicios las obras:

1. una gran parte del material solido va depositndose en el fondo de los canales disminuyendo su seccin. Esto aumenta el costo anual de mantenimiento y produce moletas interrupciones en el servicio del canal.

2. si los canales sirven a plantas hidroelctricas, la arena arrastrada pasa 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.


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Existen varios tipos de desarenadores, los principales son:

Desarenador Longitudinal:


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Desarenador de vrtice. (Corte longitudinal)

Desarenador de vrtice. (Planta)


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Clases de desarenadores

1. En funcin de su operacin

Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que al sedimentacin y evacuacin son dos operaciones simultneas.

Desarenadores de lavado discontinuo, (intermitente) que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimiento separado.

2. En funcin de la velocidad de escurrimiento:

De baja velocidad V1m/s (1 1.5).

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 diseado para una fraccin del caudal derivado.

Desarenadores de lavado intermitente

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.

Fases del desarenamiento.

- Fase de sedimentacin. - Fase de purga.

Elementos de un desarenador

Par cumplir su funcin, el desarenador se compone de los siguientes elementos:

1. TRANSICIN DE ENTRADA, la cual une el canal con el desarenador.

2. CMARA DE SEDIMENTACIN, en la cual las partculas slidas caen al fondo, debido a la disminucin de la velocidad producida por el aumento de la seccin transversal.


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Segn Dubuat, las velocidades lmites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversos materiales son:

Para arcillas 0.081m/s

Para la arena fina

0.081m/s

Para la arena gruesa

0.216m/s

De acuerdo a lo anterior, la seccin transversal de un desarenador, se disea para velocidades que varan entre 0.1 y 0.4 m/s, con una profundidad media de 1.5m y 4m. 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 da le tierra exterior y se disea 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 tengan una cauda hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1:8.

3. VERTEDERO, al final de la cmara se construye un vertedero sobre el cual pasa l 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 pequeas es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensin arrastran.

Como mximo se admite que esta velocidad puede llevar a V=1m/s.

De la ecuacin de Francis para de un vertedero rectangular sin contracciones, se tiene:

= 3/2


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Dnde:

Q: caudal (m3/s)

C: 1.84 (para vertedero de cresta aguda)

C: 2.0 (para vertedero de perfil CREAGER)

L: longitud de la cresta (m)

h: carga sobre el vertedero (m).

Siendo el rea hidrulica sobre el vertedero:

A=L*h

La velocidad, por la ecuacin de continuidad, ser:

=

= 1/2 Y la carga sobre el vertedero:

= 2

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 continuos 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 la aleja del vertedero.

4. 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 obtenido por efecto de esta gradiente o se incluye en el tirante de clculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depsito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos.

Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamao de sedimento que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia.


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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 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 este vaca la cmara, se abre 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 las compuertas este ms alto que el punto del rio 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 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 idea, obligndolo desplazarlo aguas abajo en el canal.

5. CANAL DIRECTO, por el cual se da servicio mientras se esta lavando el desarenador. El lavado se efecta generalmente en un tiempo corto, ero 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 dos compuertas, una a la entrada del desarenador y otra al canal directo.

En al 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.


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Criterios de diseo

- El periodo de diseo, teniendo en cuenta criterios econmicos y tcnicos es de 8 a 16 aos. - El nmero de unidades mnimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento.

En caso de caudales pequeos y turbiedades bajas se podr contar con una sola unidad que debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento.

Figura 4. Desarenador de 2 unidades en paralelo (planta).

Figura 5. Desarenador de 1 unidad con by pass (planta).

- 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.


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- La relacin largo/ancho debe ser entre 10 y 20.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEO HIDRULICO

1. Calculo del dimetro de las partculas a sedimentar

El dimetro mximo de la partculas normalmente admitido para plantas hidroelctricas es de 0.25 mm. En los sistemas de riego generalmente se acepta hasta un dimetro de 0.50 mm

Tabla 1. Dimetro de las partculas en funcin de la altura de cada.

dimetro de partculas(d) que son retenidas en el desarenador(mm)

Altura de cada (H) (m)

0.6 100-200 0.5 200-300 0.3 300-500 0.1 500-1000

2. calculo de la velocidad del flujo v en el tanque.

La velocidad se considera lenta cuando est comprendida entre 0.20 a 0.60m/s.

Formula de Camp:

= (Cm/s) Dnde:

d=dimetro (mm)

a=constante en funcin del dimetro


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a d(mm) 51 < 0.1 44 0.1 - 1 36 > 1

3. calculo d la velocidad de cada w (en agua tranquila)

Peso especfico del material sedimentar en gr/cm3 Peso especfico del agua turbia en gr/cm3

Luego as se tiene la siguiente tabla.

3.1. Tabla preparada por Arkhangelski

d(mm) w(cm/s) 0.05 0.18 0.10 0.69 0.15 1.56 0.20 2.16 0.25 2.70 0.30 3.24 0.35 3.78 0.40 4.32 0.45 4.86 0.50 5.40 0.55 5.94 0.60 6.48 0.70 7.32 0.80 8.07 1.00 9.44 2.00 15.29 3.00 19.25 5.00 24.90


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3.2. La experiencia generado por Sellerio.

3.3. Formula de Owen: = ( 1) Dnde: w: velocidad de sedimentacin (m/s).

d:dimetro de partculas (m)

=peso especifico del material (g/cm3)

k: constante que vara de acuerdo a la forma y naturaleza de los granos.

forma y naturaleza k arena esfrica 9.35 granos redondeados 8.25 granos cuarzo d>3mm 6.12 granos cuarzo d


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PARA EL CLCULO DE w DE DISEO, SE PUEDE OBTENER EL PROMEDIO DE LOS wS CON LOS MTODOS ENUNCIADOS ANTERIORMENTE

4. Calculo de las dimensiones del tanque

v

w

La mnima profundidad prctica, la cual para velocidades entre 0.20 y 0.60m/s, puede asumirse entre 1.50 y 4.00 m.

4.1. Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentacin

Calcular la longitud con la ecuacin:

=

Calcular el ancho del desarenador con la ecuacin:

=

Calcular el tiempo de sedimentacin con la ecuacin:

=

Calcular el volumen de agua conducido en este tiempo con la ecuacin:

= Verificar la capacidad del tanque con la ecuacin:

= 4.2. Considerando los efectos retardatorios de la turbulencia:

Calcular , segn Bastelli et al:


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= 0.132h

Calcular w, segn Levin:

= v Calcular w, segn Eghiazaroff:

= 5.7 + 2.3 Calcular la longitud L utilizando la ecuacin:

=

Para los valores de w obtenidos de las ecuaciones de Bestelli y Eghiazaroff

Calcular L, corregida segn la ecuacin:

=

De los valores de L obtenidos, elegir uno de ellos. Definido h, b y L se tiene las dimensiones del tanque desarenador. Para facilitar el lavado, al fondo del desarenador se le dar una pendiente del 2%.

Esta inclinacin comienza al finalizar la transicin. Coeficientes para el clculo de desarenadores de baja velocidad

velocidad de escurrimiento(m/s) K 0.20 1.25 0.30 1.50 0.50 2.00


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5. Clculo de la longitud de transicin.

= 1 22 22.51 Dnde:

L: longitud de transicin.

T1: espejo del agua del desarenador.

T2: espejo de agua en el canal.

PROCEDIMIENTO PARA EL CLCULO EN EL SOFTWARE DEL DISENO DEL DESARENADOR

1. Introduccin de los datos y la velocidad del agua en el desarenador.

En la hoja de clculo que nos facilit, ya exista el siguiente ejemplo en el cual detallaremos el comportamiento de las ecuaciones que rigen el siguiente diseo.

Para obtener el dimetro de las partculas a sedimentar, se procede de la siguiente manera, recurriendo a las tablas. Los desarenadores se disean para un determinado dimetro de partcula es decir, que se supone que todas las partculas de dimetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del dimetro mximo de partcula normalmente admitido para plantas hidroelctricas es de 0.25 mm. En los sistemas de riego generalmente se acepte hasta d = 0.5 mm. En sistemas hidroelctricos el dimetro puede calcularse en funcin de la altura de cada como se muestra en la tabla 1, o en funcin del tipo de turbina como se muestra en la tabla 2.


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Por ende en el procedimiento para el uso correcto de este software, se introdujo el tamao de las partculas a depositarse.

Determinacin la velocidad del agua en el desarenador.

Dnde: D = dimetro (mm) a = constante en funcin del dimetro.


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2. Clculo de la velocidad de cada de las partculas (w), en aguas tranquilas

Para este aspecto, existen varias frmulas empricas, tablas y nomogramas, algunas de las cuales, se consideran: Peso especfico del material a sedimentarse: s gr/cm3 (medible) Peso especfico del agua turbia: w gr/cm3 (medible) As se tiene:

La experiencia generado por Sellerio, la cual se muestra en el nomograma de la figura 2, la misma que permite calcular w (en cm/s) en funcin del dimetro d (en mm).

Figura 2. Experiencia de Sellerio

La Tabla 3 preparada por Arkhangelski, la misma que permite calcular w (cm/s) en funcin del dimetro de partculas d (en mm), en el cual, para este ejemplo emplearemos esta tabla. Tabla 3. Velocidades de sedimentacin w calculado por Arkhangelski (1935) en funcin del dimetro de partculas.


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Donde la tabla fue diseada por la siguiente formula de OWENS.

3. Dimensiones del tanque del Desarenador.

Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentacin, se puede plantear las siguientes relaciones:


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De donde la longitud, aplicando la teora de simple sedimentacin es:

Considerando los efectos retardatorios de la turbulencia Con el agua en movimiento la velocidad de sedimentacin es menor, e igual a w- w, donde w. es la reduccin de velocidad por efectos de la turbulencia. Luego, la ecuacin (4) se expresa:

en la cual se observa que manteniendo las otras condiciones constantes la ecuacin (5) proporciona mayores valores de la longitud del tanque que la ecuacin (4). Eghiazaroff, expres la reduccin de velocidad de flujo como:

Levin, relacion esta reduccin con la velocidad de flujo con un coeficiente:

En el clculo de los desarenadores de bajas velocidades se puede realizar una correccin, mediante el coeficiente K, que vara de acuerdo a las velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:

donde K se obtiene de la tabla 5.


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En los desarenadores de altas velocidades, entre 1 m/s a 1.50 m/s, Montagre, precisa que la cada de los granos de 1 mm estn poco influenciados por la turbulencia., el valor de K en trminos del dimetro, se muestran en la tabla 6.

El largo y el ancho de los tanques pueden en general, construirse a ms bajo costo que las profundidades, en el diseo se deber adoptar la mnima profundidad prctica, la cual para velocidades entre 0.20 y 0.60 m/s, puede asumirse entre 1.50 y 4.00 m. El proceso de clculo se puede realizar de la siguiente manera: Asumiendo una profundidad (por ejemplo h = 1.50 m) Aplicando la teora de simple sedimentacin:

Considerando los efectos recordatorios de la turbulencia:


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Donde, en el software se calcula de la siguiente manera:


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4. Clculo de la longitud activa del desarenador (L)

Para calcular la longitud, se considera desde la ecuacion (5), descrito en el item anterior.

Entonces los calculos que se realizo como ejemplo se da ha conocer:

5. Clculo de la longitud de la transicin de entrada al desarenador

La transicin debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentacin depende de la uniformidad de la velocidad en la seccin transversal, para el diseo se puede utilizar la frmula de Hind:

Por consiguiente en la hoja de calculo se obtubo el siguiente resultado:


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6. Clculo de la longitud del vertedero

Al final de la cmara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Mientras ms pequea es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensin arrastran. Como mximo se admite que esta velocidad pueda llegar a v = 1 m/s y como se indic anteriormente, esta velocidad pone un lmite al valor mximo de la carga sobre el vertedero h, el cual es de 0.25 m.

Por lo general la longitud del vertedero L, es mayor que el ancho del desarenador b, por lo que debe ubicar a lo largo de una curva circular, que comienza en uno de los muros laterales y contina hasta la compuerta de lavado, como se muestra en la figura del esquema del diseo del desarenador en la hoja de clculo.

7. Clculo del ngulo (U) y radio (R)

En la figura 4, se muestra un esquema del tanque del desarenador donde se muestran los elementos R y L.


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Clculo de :

Clculo de R:


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Entonces obtenemos los siguientes valores.

8. Clculo de la proyeccin longitudinal del vertedero

9. Clculo de la longitud final (LT) del desarenador

En este procedimiento se determina la longitud total del tanque del desarenador.


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10. Clculo de la cada de Fondo

Esta determinado por la siguiente ecuacion:

11. Clculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado (H)

Esta determinado por la siguiente ecuacion:

12. Clculo de la altura de carga de agua desde la superficie hasta el fondo del desarenador (hc)

Est constituida por la siguiente ecuacin la altura de cresta del vertedero con respecto al fondo.


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13. Clculo de las dimensiones de la compuerta de lavado del Desarenador

Entonces:

14. Clculo de la velocidad de salida de la purga del Desarenador

Est determinada por el siguiente parmetro:


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Por lo tanto tenemos:

15. Transicin de salida del desarenador

Aplicando la misma definicin de la ecuacin del tem anterior.


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EJEMPLO HIPOTETICO PARA EL DISENO DE UN DESARENADOR

El ejemplo se muestra en el software hoja de clculo de excel, con sus respectivos grficos como resultados.

El grafico es:


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DESRIPIADORES Y REJILLAS LATERALES EN MICROCENTRALES HIDROELECTRICAS

I.REJILLA LATERAL.

En la orilla de la conduccion se tendra que disponer de una rejilla para la captacionde la toma de entrada del agua. El umbral del orificio debe de estar a una altura no menor de 60 a 80 cm. Los barrotes deben ser lo suficientemente fuerte para resistir el impacto de troncos y otros materiales flotantes que ocacionalmente son traidos por la crecida del rio.

Los barrotes deben de estar al ras o sobresalir un poco de la cara del muro para facilitar su limpieza del material flotante que a veces tiende a tapar la reja.

La reja debe de estar a una cierta distancia aguas ariba del azud a fin de que durante la construccion quede espacio durante una ataguia.

Para un entendimiento del diseo de la rejilla, ene ste marco teorico ilustraremos mediante un ejemplo dado.


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Z= diferencia de elevacin de las superficies de aguas arribas y debajo. Hn= elevacin del agua sobre la cresta. y2= elevacin sobre el fondo, aguas abajo.


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II.DESRIPIADOR.

Es un tipo de sedimentadores de partculas, para pequeas centrales hidroelctricas. Lo cual tiene similar caracterstica al de un desarenador. Por ende para su mejor comprendimiento, nuestro marco terico, lo explicaremos a travs de un ejemplo de diseo.

Realizando un diseo de un desripiador con los datos siguientes.

Hn = 0.65 metros

P2 = 0.5 metros

Z = 0.10 metros

P3 = 1.1 metros

Q = 3.8 m3/s

B = 9 metros.


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Calculo Transicin Desripiador Canal del Desarenador.

El diseo se basa en el siguiente figura.


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Calculo de la compuerta del lavado del desripiador.


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Para eliminar las piedras que se depositan en el fondo del desripiador, debe dejarse una compuerta que conecte con el canal de desfogue. El canal debe tener una gradiente suficiente para conseguir una velocidad de lavado alta y que sea capaz de arrastrar todas las piedras. La velocidad del agua no debe ser inferior a 2 m/s, para que pueda arrastrar los sedimentos.

Para eliminar las piedras que se depositan en el fondo del desripiador debe dejarse una compuerta que conecte con el canal de desfogue. El canal debe tener una gradiente suficiente para conseguir una velocidad de lavado alto y que sea capaz de arrastrar todas las piedras.

Las compuertas son un caso de orificios grandes, es decir, aquellas en las que la dimensin vertical a, es despreciable comparada con la carga H. Generalmente se consideran como tales aquellas en las que esta relacin.

En este caso la carga en distintos puntos de la seccin del orificio es diferente y no se puede admitir la suposicin de la igualdad de las velocidades tal como se hace en los orificios, por lo que consideramos flujo bajo compuertas.

Por simplicidad de clculo se utilizan formulas aproximadas para las compuertas cuya forma es igual que para los orificios.

Calculo de la seccin del canal del desfogue.


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Clculo y diseo de la compuerta;

Para compuerta libre:

Para compuerta sumergida:


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El coeficiente e, se determina de acuerdo a la siguiente tabla.


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EJEMPLO HIPOTETICO SE PRESENTA EN EL SOFTWARE DE LA HOJA DE CALCULO.

El ejemplo se muestra en el software del diseo de Captacin rejilla lateral, con sus respectivos grficos como resultados.

Su grafica es:

centrales desripiador rejillas de fernando lozano

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