DESARENADORES

Ing. Giovene Prez Campomanes

4.1 INTRODUCCION

2

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 mas 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 las erosiones

en la agujas y turbinas que ocasionan altos gastos de

mantenimiento o en otros reduccin de la produccin

de energa.

En la sesin de hoy, vamos a dar a conocer toda la

parte teora del tema de desarenadores concluyendo

con su diseo.

34.2 Definiciones:

Son obras hidrulicas que sirven para separar

(decantar) y remover( evacuar) despus, el

material slido que lleva el agua de un canal.

Estructura que permite eliminar ciertas partculas

que se encuentran en suspensin en la masa

fluida.

4Hay que tener en cuenta.

Para los proyectos de irrigacin basta

eliminar partculas >0.50 mm.

Para proyectos hidroelctricos basta eliminar

partculas hasta 0.25 mm.

5ESQUEMA GENERAL

4.3 Ubicacin

El rea de la localizacin debe ser suficientementeextensa para permitir la ampliacin de las unidades

durante el perodo de diseo del sistema.

El sitio escogido debe proporcionar suficienteseguridad a la estructura y no debe presentar riesgo de

inundaciones en los periodos de invierno.

Garantizar que el sistema de limpieza pueda ser porgravedad y que la longitud de desage de la tubera no

sea excesiva.

Lo ms cerca posible del sitio de la captacin.

El fondo de la estructura debe estar preferiblemente porencima del nivel fretico.

4.4 Principios de funcionamiento

4.4.1 Hidrulicos

Distribucin uniforme del caudal en las navesdesarenadoras.

Lneas de corriente paralelas, por lo tanto sinvrtices de eje vertical u horizontal.

No causar remanso en el canal aguas arriba.

Distribucin uniforme del caudal dentro decada nave, esto es importante en el momento de

purga de la nave.

4.4.2 Sedimentolgicos

Sedimentacin de los materiales en suspensin.

Evacuacin al exterior de los depsitos.

Limpieza uniforme de las naves desarenadoras.

No existencia de zonas imposibles de limpiarlas en lasnaves.

Transicin de entrada sin sedimentacin.

Eficiencia adecuada.

94.5 Causas del desgaste del equipo mecnico:

Las principales causas son del desgaste de las

centrales hidroelctricas son:

a. Erosin mecnica o de abrasin:

b. Corrosin qumica y electroqumica:

c. Corrosin por efecto de la cavitacin:

11

4.6 Estudios necesarios para el diseo del

desarenador:

a. Topografa:

b.Geologa:

c. Hidrologa:

d. Anlisis de slidos:

e. Anlisis del uso del agua:

12

Es una estructura que ayuda a potabilizar el agua

de consumo humano, mediante la eliminacin

de partculas en suspensin esta misma funcin

se considera en los aprovechamientos

hidroelctricos y en el riego, dado que evita

cuantiosos daos en las estructuras.

13

La eliminacin de los materiales acarreados

en un flujo comprende dos tareas o fases que

deben realizar los desarenadores:

a. La decantacin de los materiales en

suspensin.

b. La evacuacin de los materiales

depositados.

Deposicin de sedimentos

Canal de purga

S %

15

4.7 Clases de desarenadores:

4.7.1 En funcin de su operacin:

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

operaciones simultaneas.

Desarenadores de lavado discontinuo:(intermitente) que almacena y luego expulsa los

sedimentos en movimientos separados.

4.7 2. En funcin de la velocidad de escurrimiento:

De baja velocidad v1 m/s ( 1-1.5 m/s)

16

La forma del desarenador, puede ser cualquiera aun

que generalmente se escoge una rectangular o

trapezoidal simple o compuesta.

La primera simplifica considerablemente la

construccin pero es relativamente cara pues las

paredes deben soportar la presin de la tierra

exterior y se disean como muros de

sostenimiento.

La segunda es hidrulicamente mas eficiente y mas

econmica pues las paredes trabajan con simple

revestimiento.

17

4.7.3. Por la disposicin de los desarenadores:

En serie: Formado por dos o mas depsitosconstruidos uno a continuacin del otro.

En paralelo: Formado por dos o mas depsitosdistribuidos paralelamente y diseados por una

fraccin del caudal derivado.

18

4.8 Elementos de un desarenador

El desarenador se compone de los siguientes

elementos:

a. Transicin de entrada: La cual une el canal con

el desarenador.

b. Cmaras de sedimentacin: En la cual las

partculas solidas caen al fondo, debido a la

disminucin de la velocidad producida por el

aumento de la seccin transversal.

19

Las velocidades limites por debajo de las cuales el

agua cesa de arrastrar diversas materias son:

para la arcilla < 0.081 m/s

Para la arena fina < 0.16 m/s

Para la arena gruesa < 0.216 m/s

Un desarenador se disea con velocidades que

varan entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una profundidad

media de 1.5 m a 4 m.

Una mayor profundidad implica un ancho mano o

viceversa.

20

21

Conviene que el fondo no sea horizontal si no que tenga

una cada hacia el centro, la pendiente transversal

usualmente escogida es de 1:5: a 1:8

c. Vertedero: Al final de la cmara se construye un

vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal.

Las capas superiores son las que primero se limpian, es

por esto que la salida del agua, se hace por medio de un

vertedero que debe trabajar con descarga libre.

Como mximo se admite que la velocidad pueda llegar a

v = 1 m/s.

22

De donde:

h = carga sobre el vertedero ( m).

C = 1.84 para vertedero de cresta aguda

C = 2.0 para vertederos de perfil Creager

v = velocidad

De donde para los valores indicados de v y C, se

pueden concluir que el mximo valor de h, no

debera pasar de 25 cm.

23

d. 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 %.

Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamao de

sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada

capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con

demasiada frecuencia.

En el lavado de los ltimos 10 % de los sedimentos es

generalmente largo y requiere de cantidades demasiado

grandes de agua. Por esto, estos restos generalmente no

se toman en cuenta.

24

Las compuertas de lavado deben disearse para un

caudal igual al trado por el canal mas el lavado

que se obtiene dividiendo el volumen del desarenador

para el tiempo de lavado. Se debe efectuar en forma

rpida y eficaz esta velocidad debe ser de 3-5 m/s.

Naves del desarenador

Transicin de entrada

Qe Qs

Transicin de salida

Naves del desarenador

Transicin de entrada

Qe Qs

Naves del desarenador

Transicin de entrada

Qe Qs

Transicin de salida

25

e. Canal directo: Por el cual se da servicio mientras

se esta lavando el desarenador. El lavado se

efecta generalmente en un tiempo corto, pero por

si cualquier motivo, reparacin o inspeccin, es

necesario secar la cmara del desarenador, el canal

directo que va por el contorno, permite que el

servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada

se colocan 02 compuertas, una de entrada al

desarenador y otra al canal directo.

4.9 Criterios de diseo

La altura de agua en el desarenador debe sertal que no cause remanso en el canal deingreso, de lo contrario provocara sedimentacinen el canal.

El clculo del desarenador se realiza con unproceso simple, como se ver posteriormente, sinembargo es de gran importancia calcularcorrectamente la velocidad de cada.

De presentarse turbulencia y vrtices en el

desarenador, el valor de velocidad de cada

disminuira considerablemente y por

consiguiente disminuira la eficiencia.

El aumento de la concentracin de

sedimentos hace que el valor de velocidad de

cada aumente, por lo que si tenemos valores

de concentracin en el desarenador mayores a 2

gr/l, debemos considerar una mayor longitud

de naves desarenadoras.

La operacin del desarenador es otra faseimportante, por ejemplo, si dejamos

acumularse demasiados sedimentos dentro de

la nave, estaramos reduciendo el rea de

decantacin por consiguiente el valor de la

velocidad aumenta y disminuye la eficiencia.

La pendiente longitudinal de la navedesarenadora debe ser aproximadamente de

2%, lo cual garantiza una buena capacidad de

arrastre de sedimentos depositados.

4.10 Desarenadores de velocidades bajas.

En un inicio se usaban stasestructuras formadas por tazas,

donde la decantacin y la extraccin

de los depsitos eran dos

operaciones sucesivas.

La evacuacin de sedimentos eramecnica, razn por la cual se les

llamaba cmaras de extraccin

mecnica.

Luego se pens en utilizar la mismaagua para efectuar la limpieza y

surgieron las llamadas cmaras de

evacuacin hidrulica, que

constituyeron un verdadero avance

4.11 Desarenadores de velocidades altas.

Con la aparicin de lasgrandes centrales

hidroelctricas y surgiendo

necesidad de mantener

secciones de ciertas

dimensiones, sobretodo en

tneles, se piensa en

velocidades de hasta 1.0 y

1.5 m/s, lo que tambin limita

la eliminacin de partculas

hasta de 0.5 mm, en los

llamados desarenadores con

velocidades altas.

31

4.12 Ecuaciones bsicas para el diseo de los

desarenadores:

Los principales elementos a determinar son:

a. Longitud de cada.

Donde:

v = velocidad critica de sedimentacin.

w = velocidad de cada de las partculas en aguas tranquilas.

Q = b.h.v , luego I = f ( b,h,v,w)

32

b. Velocidad de sedimentacin: La velocidad de

sedimentacin (w), queda relacionada, segn Sudry, por el

peso especifico del agua con cierta concentracin de

sedimentos, el dimetro de las partculas a precipitar dando

la velocidad de sedimentacin en cm/ seg.

c. Velocidad critica del flujo: Esta depende del tamao de

estas, tal como se expresa con la formula de Camp, cuya

expresin de la velocidad critica es:

En ( cm/ seg).

33

4.13 Consideraciones para el diseo hidrulico:

4.13.1 Calculo del dimetro de las partculas:

Dimetro de partculas (d) que son retenidas en el desarenador

Altura de cada (H) ( m)

0,6 100-200

0,5 200-300

0,3 300-500

0,1 500-1000

34

Dimetro de partculas(d) a eliminar en el desarenador

Tipo de turbina

1-3 Kaplan

0,4-1 Francis

0,2-0,4 Pelton

4.13.2 Calculo de la velocidad del flujo v en el tanque:

La velocidad de un desarenador se considera lenta, cuando

esta comprendida entre 0.20 m/s, 0.60 m/s.

Se puede calcular utilizando la formula de Camp.

35

Donde :

d = dimetro ( mm)

a = constante en funcin del dimetro

4.13.3 Calculo de la velocidad de cada w (en aguas

tranquilas).

Para este efecto existen varias formulas empricas, tablas

y nomogramas, algunas de las cuales consideran :

a d(mm)

51 < 0,1

44 0,1 -1

36 > 1

36

Peso especifico del material a sedimentar: gr/cm3.(medible).

Peso especifico del agua turbia :gr/cm3.(medible).

La formula de Owen:

Donde:

w = velocidad de sedimentacin ( m/s)

d = dimetro de partculas ( m)

= peso especifico del material (m/s).

k = Constante que varia de acuerdo con la forma y naturaleza

de los granos .

37

Forma y naturaleza k

Arena esfrica 9,35

Granos redondeados 8,25

Granos cuarzo d>3

mm 6,12

Granos cuarzo d>0,7

mm 1,28

La experiencia generada por Sudry: La que permite calcular

la velocidad de sedimentacin w( m/s), en funcin del dimetro

( en mm) y el peso especifico del agua ( ), en gr/cm3.

La formula de Scotti Foglieni:

38

Donde:

w = velocidad de sedimentacin ( m/s)

d = dimetro de la partcula ( m)

Para los clculos de w de diseo, se puede obtener el

promedio de los , con los mtodos anunciados.

39

La longitud, aplicando a la teora de simple

sedimentacin es:

Considerando los efectos retardarios 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 la velocidad por efectos de la

turbulencia.

Luego la ecuacin anterior queda expresada as:

40

Eghiazaroff: expresa la reduccin de velocidad como:

Levin: relaciono esta reduccin con la velocidad de flujo con

un coeficiente.

Bestelit: Consideran:

En el calculo de los desarenadores de bajas velocidades , se

puede realizar una correccin, mediante el coeficiente K, que

varia de acuerdo a las velocidades de escurrimiento en el

tanque, es decir:

41

En el calculo de los desarenadores de bajas

velocidades, se puede realizar una correccin,

mediante el coeficiente K, que varia de acuerdo a las

velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:

Donde k, se obtiene de la tabla 6.5

Velocidad de

escurrimiento

(m/s)

k

0,2 1,25

0,3 1,5

0,5 2

42

dimensiones de las partculas a eliminar

(m/s)k

1 1

0,5 1,30,25 -0,30 2

En los desarenadores de altas velocidades, entre 1 m/s a

1.50 m/s, Montagne, precisa que la cada de los granos de

1 mm estn poco influenciados por la turbulencia, el valor

de K en trminos del dimetro, como se muestra en la tabla

adjunta.

El largo y el ancho de los tanques pueden en general,

construirse a mas bajo costo que las profundidades, en el

diseo se deber adoptar la mnima profundidad

practica, la cual para asumirse entre 1.50 a 4.00 m.

43CENTRAL HIDROELCTRICA CARHUAQUERO

44

4.15 Proceso de calculo de las dimensiones del

tanque:

4.15.1 asumiendo una profundidad por ejemplo de h

= 1.50m).

4.15.1.1 Aplicando la teora de simple sedimentacin:

Calcular la longitud con la ecuacin

Calcular el ancho del desarenador con alecuacin:

45

Calcular el tiempo de sedimentacin con la

ecuacin :

Calcular el volumen de agua conducido en ese

tiempo con la ecuacin :

Verificar la capacidad del tanque con la

ecuacin :

46

4.15.2 Considerando los efectos retardarios de la

turbulencia :

Calcular, segn Bastelli et al:

Calcular w, segn Levin:

47

Calcular w , segn Eghiazoroff:

Calculo de L:

Para los valores de w obtenidos de las ecuaciones de

Bestelli y Eghiazaroff:

Calcular L, corregido :

48

De los valores de L, obtenidos, elegir uno de ellos.

Definido h, b y L; se pueden obtener las

dimensiones del tanque :

Nota: Para facilitar el lavado, al fondo del

desarenador se la dar una pendiente del 2%, esta

inclinacin comienza al finalizar la transicin.

49

4.15.3 Calculo de la longitud de la transicin:

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 formula de Hind:

De donde:

L = longitud de la transicin

T1 = espejo del agua en el desarenador

T2= espejo del agua en el canal

50

51

52

4.15.4 Calculo 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 mas pequea es la velocidad de paso por el

vertedero, menos turbulencia causa en el

desarenador y menos materiales en suspensin

arrastra.

Como mximo se admite que la velocidad pueda

llegar a v = 1 m/s. y como se indico anteriormente,

esta velocidad pone un limite al valor mximo de la

carga h sobre el vertedero, el cual es de 0.25 m.

53

Calculo de L:

Para un h = 0.25m , C = 2.1 ( para un perfil

Creager).

C = 1.84 ( cresta aguda) y el caudal conocido,

se despeja L, la cual es:

54

Por lo general la longitud del vertedero L, es

mayor que el ancho del desarenador b, por lo

que se debe ubicar a lo largo de una curva

circular, que comienza en uno de los muros

laterales y continua hasta la compuerta de

lavado, como se muestra en la figura 6.2.

55

56

Calculo de

Calculo de R:

Calculo de la longitud de la proyeccin longitudinal del

vertedero.( L1).

Calculo del Angulo central y el radio R con que se

traza la longitud del vertedero:

57

58

Calculo de la longitud promedio :

Calculo de la longitud total del tanque desarenador:

De donde :

LT = longitud total

Lt = longitud de la transicin de entrada

L = longitud del tanque

Lprom = longitud promedio por efecto de la curvatura del

vertedero

59

4.15.5 Clculos complementarios:

Calculo de la cada del fondo:

Donde:

Diferencia de cotas del fondo del

desarenador.

S = pendiente de fondo del desarenador. ( 2 %).

60

Calculo de la profundidad del desarenador

frente a la compuerta de lavado:

Donde:

= diferencia de cotas del fondo del

desarenador.

h = profundidad de diseo del desarenador

H = profundidad del desarenador frente a la

compuerta de lavado.

61

Calculo de la altura de cresta del vertedero con

respecto al fondo:

Donde:

hc = altura de la cresta del vertedero con respecto al

fondo

H = profundidad del desarenador frente a la compuerta

de lavado.

62

Calculo de las dimensiones de la compuerta de

lavado:

Suponiendo que una compuerta cuadrada de lado l,

el rea ser :

La compuerta funciona como un orificio, siendo su

ecuacin:

63

Donde:

Q = caudal a descargar por el orificio

Cd = coeficiente de descarga = 0.60 para un orificio de pared

delgada

Ao = rea del orificio, en este caso igual al rea A de la

compuerta.

h = carga sobre el orificio, ( desde la superficie del agua

hasta el centro del orificio)

g = aceleracin de la gravedad 9.81 m/s2.

64

Calculo de la velocidad de salida:

Donde:

v = velocidad de la salida por la compuerta, debe ser de 3 a

5 m/s, para el concreto el limite erosivo es de 6 m/s.

Q = caudal descargado por la compuerta

Ao = rea del orificio, en este caso igual al rea A de la

compuerta.

4.14 Problemas presentados y soluciones presentadas

durante el diseo de desarenadores.

a) Las ineficiencias de un desarenador puede generar:

Desgaste acelerado de turbinas de centraleshidroelctricas

Alabes de la turbina pelton de la central

Hidroelctrica del Can del Pato.

Desgaste producido por las

caractersticas altamente

abrasivas de los slidos en

suspensin.

Las ineficiencias de un desarenador puede

generar:

Desgaste acelerado de turbinas de centralesHidroelctricas.

Obstruccin de sistemas de riego tecnificado.

Erosin de estructuras hidrulicas situadas aguasabajo del desarenador.

Reduccin del canal transportado en el canal

Mayores costos de tratamientos del agua

b) Problemas mas frecuentes presentados

durante el diseo:

Remanso en el canal aguas arriba.

Distribucin no uniforme del caudal en las naves

Formacin de vrtices de eje vertical y horizontal

Eficiencias bajas.

Limpieza no uniforme de las navesdesarenadoras.

Transicin de entrada con sedimentosdepositados.

c) Remanso aguas arriba

Vertederos que establecen en

el nivel de agua en las naves

desarenadoras

CAUSA:

Presencia de vertederos en la seccin final de lasnaves desarenadoras.

Consecuencia:

Sedimentacin de partculas en la transicin deentrada y/o en el canal de ingreso.

Eficiencias bajas.

Soluciones:

Establecer diversos niveles de operacin.

Vertederos provistos de orificios.

d) Distribucin no uniforme del caudal

entre las naves:

Causa:

El agua, en la ltima seccin del canal de entrada

tiende a seguir la zona central de la transicin paracontinuar con mayor caudal en las naves centrales

Consecuencias:

Mayor velocidad en las naves centrales

Disminucin de la eficiencia en las naves de mayorgasto

Consecuencias negativas en la operacin de purga desedimentos

Soluciones:

Colocar pantallas deflectoras

Prolongar hacia aguas arriba, las navesdesarenadoras

Prolongacin de las

naves desarenadoras

Pantalla deflectora

e) Formacin de vrtices

Causas:

ngulos muy pronunciados de la rampa alfinal del canal de entrada.

Transiciones de salida que influyennegativamente hacia aguas arriba.

Distribucin no uniforme del caudal entre lasnaves desarenadoras.

Formacin de vrtices

Transicin de entrada con un gran vrtice de eje vertical

f) Limpieza no uniforme de las naves

desarenadoras

Causas:

Naves desarenadoras son muy anchas Diseo geomtrico de las naves desarenadoras

con curva horizontal

Consecuencias:

En naves anchas, la purga tomara ms tiempo ymayor prdida de agua

En naves diseadas con curva horizontal, lamayor parte del caudal de purga tiende hacia ellado cncavo

Soluciones:

Calcular el ancho ptimo de las navesdesarenadoras

Disear guas de fondo y/o peralte en los tramoscurvos

Guas de fondo

g) Eficiencias bajas

Causas:

Deficientes reglas de operacin

Deficiente diseo hidrulico

Deficiente diseo sedimentolgico:Falta de

investigacin para determinar la velocidad de

cada, reducindose a calcular en la mayora de

casos por simple aplicacin de formulas.

Consecuencias:

Deposicin de sedimentos

Reduccin del rea de decantacin

Suspensin del suministro del servicio para lalimpieza de las naves que no se pueden limpiar

por medios hidrulicos

Altos costos de mantenimiento

Causas :

Desarenador muy corto Geometra de transicin no

adecuada.

Deposicin de sedimentos aguas abajo de

las naves desarenadoras

Limpieza no uniforme de las naves desarenadoras

Consecuencias:

Flujo turbulento que retrasa la velocidad decada de las partculas

Eficiencias bajas

Solucin:

Colocar una pantalla deflectora al inicio de la transicin de entrada para reorientar las

lneas de corriente

82

4.16. PROBLEMA DE APLICACIN

4.16.1 Diseo de un desarenador

Disear un desarenador para sedimentar las partculas

que conduce un canal de riego, diseado en tierra, con

un caudal de 1 m3/s.

El desarenador debe ser de velocidad lenta aplicando:

La teora de la simple sedimentacin El efecto retardador de la turbulencia

Datos:

Peso especifico del material a sedimentar =2.43 gr/cm3

Peso especifico del agua= 1.03 gr/cm3.

83

Desarrollo:

Hallando la Velocidad:

Del cuadro N 09

Se halla a para un dimetro de 1 mm

Sabiendo que L:

84

De donde se asume K: 9.35 del cuadro N 10.

d = 0.0001 m

Despejando los datos se tiene:

Tambin se conoce que:

De donde:

Reemplazando d, se tiene:

85

Hallando L:

Cuando existe la presencia de la turbulencia:

De donde:

Sabiendo que:

v = 0.44 m/s

h = 1.5 m

86

w = 0.048 m/s.

Hallando : = 0.25.

De donde:

w = 0.11 m/s ( Redondeando)

Sabiendo que:

87

Reemplazando datos tenemos:

Para w = 0.249 m/s , h = 1.5 m , v = 0.44 m/s y

w = 0.11 m/s. Y w = 0.048 m/s.

L= 4.75 m y L = 3.28 m

El ancho del desarenador:

El tiempo de sedimentacin:

Volumen de agua conducido:

Capacidad del tanque:

88

Hallando L corregida:

Calculo de la longitud de la transicin:

Para:

T2 = 0.8 m

T1 = 1.50 m

Lt = 0.85 m

89

90

Calculo de la longitud del vertedero:

Hallando el valor de R:

R = 4.5 m.

Calculo de la longitud de la proyeccin longitudinal del vertedero

L1 = 4.4 m.

91

Hallando :

Longitud promedio:

92

Calculo de la longitud total:

Calculo de la cada del fondo:

93

Calculo de la profundidad del desarenador:

H = 1.50 +0.23 = 1.73 m

Calculo de la altura de la cresta:

1.48 m

94

Calculo de las dimensiones de la compuerta de lavado:

Q = 0.28 m3/s

Calculo de la velocidad de salida:

v = 3 m3/s.

95

FIN DEL TEMA