estudio del resalto hidraulico como mezclador
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El presente artículo está enfocado en el fenómeno “resalto hidráulico”, en la utilización para la mezcla rápida y eficiente entre un flujo másico, el coagulante y demás componentes químicos. Para este estudio se analizan los tres tipos de generadores de resalto hidráulico tales como el resalto por; rampa, canal de Parshall y vertedero.TRANSCRIPT
1 Movimiento desordenado de un fluido en el cual las moléculas, en vez de seguir trayectorias paralelas, describen trayectorias sinuosas.
2 Proceso incrementar la tendencia de las partículas de agregarse unas a otras para formar partículas mayores y así precipitar más rápidamente.
3 Intervalo entre dos fases sucesivas.
4 Es un numero adimensional que relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y la fuerza de gravedad que actúa sobre un fluido.
5 Es un numero adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido.
ESTUDIO DEL RESALTO HIDRAULICO COMO
MEZCLADOR B. Ticona
#1, A. Apaza
#2, E. Supo
#3, Y. Ticona
#4, Y. Magany
#5, P. Cabrera
#6
# Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica. Universidad Nacional de San Agustín, (Perú)
1 [email protected] 2 [email protected] 3 [email protected] 4 [email protected] 5 [email protected] 6 [email protected]
Resumen— El presente artículo está enfocado en el
fenómeno “resalto hidráulico”, en la utilización para la mezcla
rápida y eficiente entre un flujo másico, el coagulante y
demás componentes químicos.
Para este estudio se analizan los tres tipos de generadores
de resalto hidráulico tales como el resalto por; rampa, canal de
Parshall y vertedero. De los cuales se desarrollan los
aspectos técnicos tales como: ventajas y desventajas, criterios
de diseño, criterios de operación y mantenimiento. El resalto
hidráulico es una gran aplicación en la ingeniería
aprovechando la disipación de energía provocada por la
turbulencia.
Abstract- This article focuses on the "hydraulic jump"
phenomenon, in the use for quick and efficient mixing between
a mass flow coagulant chemicals and other ingredients.
For this study, three types of generators such as hydraulic
jump analyzed by the shoulder; ramp channel Parshall and
landfill. Advantages and disadvantages, design criteria,
operation and maintenance criteria: which technical aspects
such as they develop. The hydraulic jump is a great
application in engineering drawing energy dissipation caused
by the turbulence.
I. INTRODUCCIÓN
El resalto hidráulico como mezclador es usado en el
tratamiento de agua para la dispersión instantánea de una
sustancia química en toda la masa de agua aprovechando la
turbulencia1 provocada por el dispositivo hidráulico. Esta
dispersión debe ser lo más homogénea posible, con el objeto
de desestabilizar todas las partículas presentes en el agua y
optimizar el proceso de coagulación.
La coagulación2 es el proceso más importante en la
filtración de esto depende la eficiencia de todo el sistema, no
importa que los demás procesos sean eficientes si la
coagulación es defectuosa la eficiencia final del sistema es
baja.
Las estructuras hidráulicas que originan el resalto
hidráulico son versátiles, eficientes y económicas en
comparación a los dispositivos mecánicos.
II. RESALTO HIDRAULICO
El resalto hidráulico fue investigado experimentalmente por
primera vez por Bidone en el año 1818.
Los resaltos hidráulicos se producen cuando hay un
conflicto entre los controles que se encuentran aguas arriba y
aguas abajo, los cuales influyen en la misma extensión del
canal. Este puede producirse en cualquier canal pero en la
práctica se obliga a formarse en canales de fondo horizontal.
El resalto hidráulico puede producirse sobre la superficie de
un flujo homogéneo o en una interfase3 de densidad de un
flujo estratificado en cualquiera de estos casos el resalto
hidráulico va acompañado de una turbulencia y una disipación
de energía.
En un canal con flujo supercrítico se coloca un obstáculo
que obligue a disminuir la velocidad del agua hasta un valor
inferior a la velocidad critica, se genera una onda estacionaria
de altura estacionaria infinita a la que se denomina resalto
hidráulico, la velocidad del agua se reduce de un valor V1> C
a V2< C, la profundidad del flujo aumenta de un valor bajo Y1
denominado inicial a un valor Y2 denominado secuente.
En 1927, Levy y Ellms habían propuesto el uso del resalto
hidráulico para mezclar los coagulantes, debido a la gran
energía consumida por él, la cual se transforma en turbulencia.
La condición básica para que se pueda producir es:
[√ ] (1)
Dónde:
Y1: Altura antes del resalto.
Y2: Altura después del resalto.
F: Número de Froude.
√ (2)
V1: Velocidad en la sección.
El principal parámetro que afecta las características del resalto
hidráulico es el número de Froude4 indicada en la ecuación (2),
de la corriente aguas arriba. El número de Reynolds5 y la
geometría del canal juegan un papel secundario [1]. Como se
ilustra en la tabla N° 1 que indica los regímenes de operación.
6 Fenómeno por el cual un sólido o un líquido atraen y retiene en su superficie gases, vapores, líquidos o cuerpos disueltos. 7 Es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua,
facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. 8 Es un elemento de flujo primario de flujo con una amplia gama de aplicaciones para medir el flujo en canales abiertos.
Tabla N° 1 – Clasificación de los resaltos hidráulico [2]
III. MEZCLADORES DE RESALTO HIDRÁULICO
Estas unidades son adecuadas para aguas que la mayor
parte del tiempo están coagulando, utilizando el mecanismo
de adsorción6, estas aguas presentan alta concentración de
coloides. Estas estructuras tienen la ventaja de servir de
unidades de medición de caudal y de unidades de mezcla
rápida, por lo cual son muy utilizados.
A. Rampa
Rampa o canal rectangular con cambio de pendiente. Una
rampa, es uno de los medios más simples de producir un salto
hidráulico con fines de mezcla.
Esta unidad cuenta con una caja de entrada de flujo
ascendente, cuyo propósito es atenuar la turbulencia de la
masa de agua para alcanzar apropiadamente el vertedero
rectangular ubicado en la coronación de la rampa, en donde se
medirá el caudal a tratar.
El agua que rebalsa por la rampa es la que genera el resalto
hidráulico en su base, punto en el que se deberá aplicar el
coagulante. El coagulante debe aplicarse en el punto de mayor
turbulencia (inicio del resalto), en forma constante y debe
vigilarse que los orificios del difusor no se obstruyan y que el
coagulante se esté distribuyendo uniformemente a toda la
masa de agua.
El ingreso a la unidad de floculación deberá ubicarse al
final del resalto, cuya longitud es posible determinar
matemáticamente. La correcta ubicación del resalto depende
de que se empalmen adecuadamente los niveles del final
del resalto, con el nivel máximo de operación del floculador7.
1) Ventajas: Se adapta a cualquier dimensión de sistema. Es
una unidad muy sencilla, económica y eficiente.
2) Criterios básicos: Este tipo de mezclador es
especialmente recomendable para aguas que coagulan por el
mecanismo de adsorción, dado que produce gradientes de
velocidad muy altos y tiempos de retención muy cortos, del
orden de 1 segundo o menos.
3) Criterios de diseño: Diseñar la geometría de la unidad.
Comprobar que se obtiene un Número de Froude de 4.5 a 9.0,
para obtener un resalto estable. Comprobar que el resalto
produce un gradiente de velocidad mayor de 700 y menor de
1200 s-1 y un tiempo retención casi instantáneo.
B. Canaleta Parshall8
La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para
plantas de medianas a grandes (Q ≥ 500 L/s). El canal con
cambio de pendiente se adecua a cualquier rango de caudal,
como se muestra en la figura 1. Se usa la canaleta Parshall
normalmente con la doble finalidad de medir el caudal
afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente, trabaja con
descarga libre.
La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a
una sub crítica, lo que origina el resalto. Fue ideada en 1927
por R. L. Parshall.
En el caso de mezcladores de tipo canaleta Parshall,
también debe empalmarse el nivel de salida de la canaleta con
el nivel de entrada del floculador para que el resalto se
produzca en la garganta de la unidad. Al proyectar una
canaleta Parshall, se deben tener en cuenta las
recomendaciones relacionadas con la longitud de los canales
de aproximación y salida para que se comporte
adecuadamente.
1) Ventajas: Cumple la doble función de mezclador y
medidor de caudal.
Figura 1. Canaleta Parshall [3]
2) Restricciones: Son adecuadas para ser utilizadas en
plantas de medianas a grandes, caudales superiores a los 100
l/s.
No se consigue un Número de Froude superior a 3, por lo
que el resalto no es muy estable; sin embargo, con caudales
grandes es un buen mezclador.
3) Criterios básicos: Este tipo de mezclador es
especialmente recomendable para aguas que coagulan por el
mecanismo de adsorción, dado que produce gradientes de
velocidad muy altos y tiempos de retención muy cortos, del
orden de 1 segundo o menos.
4) Criterios de diseño: Seleccionar una canaleta de
acuerdo al caudal de la planta y comprobar como trabajaría
como mezclador.
Comprobar que se obtiene un Número de Froude de 2 a 3,
para que el resalto sea relativamente estable.
Comprobar que el resalto produce un gradiente de
velocidad mayor de 700 y menor de 1200 s-1.
Comprobar que se obtengan tiempos de retención
instantáneos.
5) Problemas de diseño más comunes: La figura 2 ilustra
lo que sucede cuando no se ha efectuado correctamente el
empalme de niveles de la canaleta con la siguiente unidad: el
resalto se desplaza y se ubica en el nivel más bajo. Como en el
proyecto se indica que la aplicación del coagulante se debe
hacer en la garganta de la canaleta lugar donde suponía el
proyectista que se iba a obtener el resalto, dicha aplicación se
hace en un punto en el que no hay turbulencia. Este defecto es
muy frecuente en este tipo de unidades.
Figura 2. Canaleta Parshall defectuosa [3]
La figura 3 ilustra otro problema muy común, el resalto
hidráulico no se llega a formar porque durante la etapa de
elaboración del proyecto solo se comprobaron las condiciones
de operación de la unidad con el caudal del final del periodo
de diseño de la planta y no se determinó cómo iba a
comportarse con el caudal de la primera etapa.
El resultado es que no se está formando el resalto
hidráulico, debido a que el caudal de operación en la primera
etapa es muy bajo y, por consiguiente, la mezcla resulta muy
pobre e ineficiente.
En estos casos, debe seleccionarse un ancho de garganta
que pueda operar con los dos caudales, dentro del rango de los
parámetros de mezcla recomendados.
Figura 3. No llega a formarse el resalto [3]
6) Criterios de operación y mantenimiento: La aplicación
del coagulante debe ubicarse en el punto en el que se está
generando el resalto.
Debe vigilarse que los orificios del difusor no se obstruyan
y que el coagulante se esté distribuyendo uniformemente a
todo lo ancho del resalto.
C. Vertederos
Es un dispositivo hidráulico que se emplea para controlar y medir pequeños caudales de líquidos en canales abiertos. La
unidad consta de una caja de entrada y un muro recortado de forma y cavado geométricamente bien definidos, practicado en una
plancha resistente, por la cual escurre el líquido, manteniendo la superficie libre.
Pueden ser de tipo rectangular o triangular como se muestra en las figuras 4 y 5.
Figura 4. Vertedero triangular como mezclador [3]
1) Criterios de diseño: Diseñar la geometría de la unidad. Comprobar que se obtiene un número de Froude de 4.5 a 9,
para obtener un resalto hidráulico estable.
2) Operación y mantenimiento: La aplicación del coagulante debe ubicarse en el punto en el que se está generando el
resalto.
Se debe realizar un mantenimiento constante al canal de aproximación, a la estructura de medición y al canal situado aguas
arriba, a fin de conseguir una precisión satisfactoria en las mediciones.
Evitar la acumulación de agentes perturbadores en los canales de aproximación y de aguas abajo, así como la posibilidad de
que se desarrolle flora microbiana en la cresta del vertedero.
Figura 5.Vertedero triangular como mezclador [3]
REFERENCIAS
[1] White, F. M. (2008). Mecánica de Fluidos
[2] unicauca.edu.co. (s.f.). Obtenido de http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/11_resalto.pdf
[3] OMS, O. (2004). Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada. Lima. Obtenido de
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http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6856/TAPAC2de2.pdf?sequence=2
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http://www.frm.utn.edu.ar/archivos/civil/Sanitaria/Coagulaci%C3%B3n%20y%20Floculaci%C3%B3n%20del%20Ag
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http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan/014991/014991-03.pdf
Loayza, J. L. (1987). Tesis: Estudio del resálto hidraúlico como unidad mezcladora. Monterrey.
OMS, OPS. (2004). Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada. Lima. Obtenido de
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