taller no. 4, canales y sedimentador

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALAFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA REGIONAL DE INGENIERÍA SANITARIA Y RECURSOS HIDRAULICOS -ERIS-PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLEMSc. ING. FÉLIX AGUILAR

TALLER NO. 4 DISEÑO DE CANALES DE DISTRIBUCIÓN,

DECANTADOR DE PLACAS PARELASY SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE LODOS

PRESENTADO POR:

INGA. NANCY KARINA DÍAZ FULGANING. MISAEL JOSÉ CAMBARA PINEDA

ING. EDWIN JOSUÉ ESPINA SANDOVALING. EDGAR ROLANDO PICHIYA UMUL

ING. JOSÉ SATURNINO ORDÓÑEZ

GUATEMALA, NOVIEMBRE DE 2012

1 DISEÑO DE CANALES DE DISTRIBUCIÓN Y SEDIMENTADOR DE PLACAS

ÍNDICE

PAGINA

Introducción…………………………………………………………....1Objetivos……………………………………………………………..…1

Consideraciones para el diseño del sedimentador……………2Datos iniciales……………………………………………………2Selección de la obra hidráulica para la sedimentación……...2Criterios de diseño………………………………………………5

Diseño y verificación de las condiciones operativas del Sedimentador….………………………………………………………xDiseño de la unidad de decantación laminar…..……………………xDiseño de zona de decantación………………………………………xDiseño de zona de entrada…………………………………………..xxDiseño del canal de distribución a decantadores………………….xxDiseño de la salida del floculador……………………………………xxDiseño del sistema recolector de agua decantada………………...xxDiseño del sistema de lodos …………………………………………xx

Determinación de la velocidad crítica de sedimentación…….xx

Conclusiones…………………………………………………………xxBibliografía……………………………………………………………xx


INTRODUCCION

La zona de entrada de determinado flujo a una unidad de tratamiento de agua potable, tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme a todas las unidades que operan en paralelo y a lo largo del módulo de placas en el caso del decantador de placas paralelas. Esta función la desempeñan los siguientes canales:

Canal de distribución de flujo de la Canaleta Parshall a los Floculadores. Canal de distribución de agua floculada a los Decantadores de placas

paralelas. Canal central de distribución de agua floculada

En el presente informe se detallanlos criterios y la memoria de cálculorealizada para la elaboración del diseño de los canales antes mencionados.

La sedimentación es uno de los procesos más ampliamente usados en el tratamiento de agua. Es la remoción, por efecto gravitacional, de las partículas en suspensión en un fluido, y que tengan peso específico mayor que el fluido.

Con respecto a la zona de decantación, se detallan los criterios y procedimientos para el diseño deldecantador. Se propone el diseño de tres unidades de decantación con un caudal de 0.033 m3/s que hace un total de 0.1 m3/s. Un elemento fundamental en el diseño de este tipo de estructuras es la velocidad crítica de sedimentación. Además se presentan los criterios y el diseño de la zona de salida, y la zona de depósito por tolvas continuas y extracción de lodos por medio de orificios en el fondo.

En el momento que se diseña una estructura es importante tomar en cuenta las condiciones de operación, mantenimiento y área a utilizar.


OBJETIVOS

General

Conocer los distintos criterios que se deben aplican para el diseño de la unidad de la zona de entrada, zona de decantación, zona de salida de agua decantada, y sistema de recolección de lodos, en un sistema de potabilización de agua.

Específicos

Diseñar el canal de distribución de agua previamente coagulada de la Canaleta Parshall a los floculadores y el canal de distribución de agua floculada a las unidades de decantación.

Diseñar el canal central de distribución de agua floculada al módulo de placas.

Diseñar el sistema de decantación para un caudal de 100 l/s, el cual se distribuirá en tres unidades de sedimentación y determinar su velocidad crítica, verificando las condiciones de operación del mismo.

Diseñar el sistema de depósito de lodos por medio de tolvas continuas y su extracción por medio de orificios distribuidos en el fondo.


CONSIDERACIONES BASE DE DISEÑO

DATOS INICIALES

Caudal nominal de diseño

De acuerdo con la información suministrada, se trabajará con un caudal de 100 l/só 0.100 m3/s.

Temperatura del agua

Se consideró para los cálculos un valor de temperatura de 20°C, como la representativa de la masa global de agua.

Velocidad de sedimentación

Se considera una velocidad de sedimentación de 0.11 m/s, Manual 2, CEPIS (0.10-0.4 m/s).

ZONA DE ENTRADA

Esta zona tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme a todas las unidades que operan en paralelo y a lo largo de una determinada unidad con el propósito de potabilizarla. Para la distribución del flujo de agua se propuso el diseño canales con determinadas dimensiones, en base a los requerimientos de la unidad en la que se ingresa el agua.

CRITERIOS DE DISEÑO

Se proyectaron canales de sección variable, para conseguir distribuir el caudal de manera uniforme a varias unidades, con el propósito de que la velocidad se mantenga constante.

La sección de los canales propuestos tiene ancho constante y profundidad variable. Con el objeto de compactar el área de la planta de tratamiento.

La desviación de caudales máxima es de 5 %, entre la primera y la última compuerta. Lo que se comprueba en las respectivas memorias de cálculo mediante la aplicación de los criterios de Hudson.


El coeficiente de pérdida de carga total en las compuertas (β) se determinó por la siguiente ecuación:

β = 1 + θ + (VC2 / VL ] *Φ

Donde:

1 = Pérdida de carga debida a la disipación de energía en el lateralθ = Coeficiente de pérdida de carga en la entrada. En canales cortos como los que

se diseñan en las plantas de tratamiento de agua, el valor de este coeficiente es de θ = 0,7.

Φ = Coeficiente de pérdida de carga en el cambio de dirección de la corriente (1,67).

Vc= Velocidad en el canal de distribución en m/sVL= Velocidad en los laterales: compuertas que reciben el caudal distribuido en

m/s.

La velocidad real en los laterales (VL1) se comprobó mediante la siguiente expresión:

VL1 = Q / AL * √(β1) * ∑n i = 1 1/√(β)

Donde:Q= Caudal total por distribuir (0.1 m3/s)AL = Área de cada uno de los orificios de las compuertas de distribución (m2)

Para comprobar el gradiente de velocidad medio (G) en los orificios o secciones de paso, se empleó la siguiente expresión:

G = (/2µg)0,5* (f /4 RH)0,5* VL1,5

Donde:= Densidad del agua en kg/cm3

RH= Radio hidráulico de la sección en mμ = Viscosidad absoluta (kg/cm2 * s)f = Coeficiente de Darcy el cual varía según CEPIS de 0.015-0.030. Se propuso un

valor de 0.020.

La pérdida de carga en las compuertas, se calculó por medio de la siguiente ecuación:

hf = β * VLn2 /2g


Donde:hf= Pérdida de carga en mVLn= Velocidad real en el lateral número n en m/s

Por lo tanto todos los floculadores y decantadores que operarán en paralelo deben tener un compartimiento similar. Para esto se diseñó que éstas unidades reciban caudales iguales para que la tasa de operación sea uniforme. Para el proceso de potabilización se propusieron tres unidades de floculación (en base al análisis de sensibilidad que se realizó en el anterior taller) y tres unidades de decantación.

MUESTRA DE CÁLCULO DEL DISEÑO DE CANAL DE DISTRIBUCIÓN DEL FLUJO DE AGUA PROVENIENTE DE LA CANALETA PARSHALL AL SISTEMA

DE FLOCULADORES

Tabla No. 1. Comprobación de la desviación del caudal en el canal de distribución de agua proveniente de la canaleta Parshall a tres floculadores en paralelo.

No. Q (m3/s) Hx (m) Ax (m2) Vc (m/s) Vc/VL √B 1 / √B VL X (m)

1 0.100 1.30 0.91 0.110 0.67 1.563 0.640 0.164 02 0.067 0.88 0.61 0.109 0.66 1.559 0.641 0.164 2.9303 0.033 0.45 0.32 0.1058 0.64 1.546 0.647 0.166 5.860

∑ 1.928

La altura Hx para el segundo floculador se calculó por medio de relación de triángulos semejantes, tal como se muestra a continuación:

8DISEÑO DE CANALES DE DISTRIBUCIÓN Y SEDIMENTADOR DE PLACAS

ESQUEMA DEL CANAL DE DISTRIBUCIÓN PROPUESTO DE LA CANALETA PARSHALL A LAS UNIDADES DE FLOCULADORES

MUESTRA DE CÁLCULO DE DISEÑO DEL CANAL DE DISTRIBUCIÓN DE FLUJO DE AGUA FLOCULADA PROVENIENTE DEL SISTEMA DE

FLOCULADORES AL SISTEMA DE DECANTADORES

Tabla No. 2. Comprobación de la desviación del caudal en el canal de distribución de agua floculada proveniente del sistema de floculadores a los tres decantadores en paralelo.

No. de floculadores

Q (m3/s)

Hx (m)Ax

(m2)Vc

(m/s)Vc/VL √B 1 / √B

VL (m/s)

X (m)

1 0.100 1.65 0.91 0.110 0.99 1.828 0.547 0.111 02 0.067 1.10 0.61 0.110 0.99 1.828 0.547 0.111 3.0003 0.033 0.55 0.30 0.1102 0.99 1.828 0.547 0.111 6.000

∑ 1.641

La altura Hx para el segundo decantador se calculó por medio de relación de triángulos semejantes, tal como se muestra a continuación:


ESQUEMA DEL CANAL DE DISTRIBUCIÓN PROPUESTO DE LAS UNIDADES DE FLOCULADORES A LAS UNIDADES DE DECANTADORES

SELECCIÓN DE LA OBRA HIDRÁULICA PARA SEDIMENTACIÓN

El parámetro más importante para el diseño de una unidad decantadora es la velocidad de sedimentación de los flóculos, la cual depende principalmente de las características del agua cruda y de la eficiencia de los procesos previos de mezcla rápida y floculación.Para determinar la velocidad de sedimentación, se realiza como parte del ensayo de jarras, en las cuales se determina la dosis óptima de coagulación y posteriormente los gradientes de diseño para los floculadores.

Para definir el tipo de unidad de sedimentación, se puede escoger entras las siguientes opciones: sedimentador de flujo vertical, manto de lodos, sedimentador de flujo horizontal o de tipo convencional, el sedimentador laminar o de alta tasa. Así mismo y en consecuencia de un proceso de remodelación de una unidad sedimentadora convencional, se puede utilizar una combinación de ambos, convencional-laminar, esto para aprovechar los volúmenes en las estructuras ya existentes que quedarían ociosos posterior a la remodelación.

Cada unidad tiene sus ventajas y desventajas, tanto desde un punto de vista constructivo como de operación, mantenimiento, administración y de costos. En este caso, el utilizar sedimentadores laminares, presenta la ventaja de lograr grandes tasas de producción en áreas (tamaños de unidades) mucho menores que los sedimentadores convencionales. Esto por cuanto cada una de las unidades de láminas proporciona un área efectiva para la sedimentación, en la cual se deposita el floc o lodo. Así mismo, el efecto de los flujos de agua en el fondo de la unidad y que suelen levantar el sedimento en el extremo opuesto de la unidad son mínimos, limitándose a las variaciones de densidad producto de los cambios de temperatura en el agua. En el uso de los sedimentadores laminares, es importante mantener un régimen de flujo laminar a través de las láminas que conforman el módulo de sedimentación, por lo cual el Numero de Reynolds debe ser menor a 500. Situación contraria a los sedimentadores convencionales que trabajan a flujo turbulento.

A parte de las ventajas y desventajas señaladas en el manual del CEPIS para un sedimentador laminar, se tendrán presentes otros de carácter operacional y de mantenimiento de la estructura una vez construida, las cuales son:

Versatilidad en la operación; El diseño implementado debe tener la capacidad de poder seguir operando de forma satisfactoria cuando una de sus unidades de decantación se encuentre en mantenimiento.


Actividades de mantenimiento; Las labores de mantenimiento rutinario, como lo es el lavado de la estructura, debe poder ser realizada de forma adecuada y segura por los técnicos de mantenimiento. Deben ser capaces, ya sea de acceder al fondo de la estructura o mediante escaleras y otros métodos, para revisar la integridad estructural de las pantallas, soportes, así como remover los sólidos, arenas, materia orgánica, etc., que puedan existir en el fondo del sedimentador.

Aprovechamiento del espacio físico; Se aprovechara el espacio de terreno disponible para la construcción de la planta de potabilización, mediante una adecuada configuración y distribución de las unidades de procesos.

Longitudes de canales; Se procurará que las longitudes de los canales de distribución de caudales sean lo más cortos posibles entre la salida de los floculadores y el ingreso de cada uno de los sedimentadores.

Facilidades constructivas; Debido a que durante las etapas constructivas suelen existir leves variaciones en las dimensiones de las obras civiles, se estarán definiendo las dimensiones finales de las unidades de sedimentación de forma tal que resulten más apropiadas para su construcción, sin afectar su desempeño.

Control de calidad del proceso de sedimentación; El personal técnico responsable de la operación de la planta potabilizadora deberá tener las facilidades para poder observar y evaluar in situ, la evolución y desarrollo del proceso de sedimentación.


MUESTRA DE CÁLCULO DE DISEÑO DEL CANAL CENTRAL DE DISTRIBUCIÓN DE FLUJO DE AGUA FLOCULADA EN EL DECANTADOR DE

PLACAS PARALELAS

Tabla 3. Cálculo de ∑ 1/√β en el dimensionamiento del canal interior de distribución de agua floculada al módulo de decantación

No. orificio

Q (m3/s)

Distancia(m)

Altura en

sección (m)

Sección(m2)

Vc. Canal(m/s)

Vc / VL

β √β √(1/β)

Vel. Realcomp.

1 0.042 0.00 2.0 1.20 0.035 0.316 1.866 1.366 0.732 0.1082 0.039 0.40 1.9 1.14 0.034 0.310 1.861 1.364 0.733 0.1083 0.036 0.80 1.8 1.08 0.033 0.304 1.854 1.362 0.734 0.1084 0.033 1.20 1.7 1.02 0.033 0.297 1.847 1.359 0.736 0.109

5 0.031 1.60 1.6 0.96 0.032 0.289 1.840 1.356 0.737 0.109

6 0.028 2.00 1.5 0.90 0.031 0.281 1.831 1.353 0.739 0.109

7 0.025 2.40 1.4 0.84 0.030 0.271 1.822 1.350 0.741 0.109

8 0.022 2.80 1.3 0.78 0.028 0.259 1.812 1.346 0.743 0.110

9 0.019 3.20 1.2 0.72 0.027 0.245 1.801 1.342 0.745 0.110

10 0.017 3.60 1.1 0.66 0.025 0.230 1.788 1.337 0.748 0.110

11 0.014 4.00 1.0 0.60 0.023 0.210 1.774 1.332 0.751 0.111

12 0.011 4.40 0.9 0.54 0.021 0.187 1.758 1.326 0.754 0.111

13 0.008 4.80 0.8 0.48 0.017 0.158 1.742 1.320 0.758 0.112

14 0.006 5.20 0.7 0.42 0.013 0.120 1.724 1.313 0.762 0.112

15 0.003 5.60 0.6 0.36 0.008 0.070 1.708 1.307 0.765 0.113

16 0.000 6.00 0.5 0.30 0.000 0.000 1.700 1.304 0.767 0.113

17 -0.003 6.40 0.4 0.24 -0.012 -0.105 1.718 1.311 0.763 0.113

18 -0.006 6.80 0.3 0.18 -0.031 -0.281 1.831 1.353 0.739 0.109

-0.008 7.20

19 -0.011 7.60 0.2 0.12 -0.093 -0.842 2.883 1.698 0.589 0.087

20 -0.014 8.00 0.1 0.06 -0.231 -2.104 9.094 3.016 0.332 0.049

∑ 11.178

Tabla No. 4. Diseño del canal central de distribución de agua floculada

PASO VAR. DSCRIPCIÓN CANTIDAD UNIDAD VAR DESCRIPCIÓN CALCULO RESULTADO UNIDADES

1 Q

Caudal de un decantador en condiciones normales de operación

0.033 m3/s Qc

Caudal del canal durante el mantenimiento de una unidad

Qc = 1.25 Q 0.042 m3/s

2 VLVelocidad en los orificios

0.11 m/s ATÁrea total de los orificios

AT = Qc / VL 0.379

3a

Separación centro a centro entre orificios

0.4 mN Numero de orificios N = 2L / a 30 Unidades

L Longitud del canal 6 m

4 AL Área de cada orificio AL= AT/N 0.013 m2

d Diámetro de orificio d = (4* AL/ π)0.5 0.127 m

5B Ancho de Canal 0.6 m

AfSección del extremo final del canal

Af=B*h 0.36 m2h Altura mínima 0.6 m

6 qo Caudal por orificio qo=Qc/N 0.001 m3/s

7 QfCaudal que llega al extremo final del canal

Qf=2 * qo 0.003 m3/s

8 VfVelocidad en el extremo final del canal

Vf=Qf/Af 0.008 m/s

9 HAltura máxima del

canal 2 m Ac

Sección inicial del canal

Ac=B*H 1.2 m

10 VcVelocidad en el extremo Inicial

Vc=Qc/Ac 0.035 m/s


11θ

Coeficientes experimentales

0.7 β

Coeficiente de perdida de carga en el último orificio del canal

β = 1+θ+Φ*(Vc/VL)2 1.866 Φ 1.67

12 βuCoeficiente de perdida de carga en el último orificio del canal

Cambiar la tabla según número de

orificios1.708

13Sum. ∑1/√β 11.178

VL1Velocidad real en el

primer orificio Primer VL de la tabla 0.108 m/s

Q´ Qt/2 0.021 m3/S

14 VluVelocidad real en el

último orificio Vlu de la tabla 0.113 m/s

15 σDesviación de caudal

entre el primero y ultimo orificio

Vlu-VL1/Vlu 4.33% OK

16 Rh Radio Hidráulico A/P 0.032 m

17Viscosidad cinemática

( / µ)0.5 3114.64 G

Gradiente de velocidad en los orificios

OK17.216

s-1

n n 0.013

ZONA DE DECANTACIÓN

CRITERIOS DE DISEÑO

Para el diseño de la unidad decantadora de tipo laminar, se utilizaran los siguientes criterios de diseño. Indicados en el Manual V de Diseño del CEPIS

Carga Superficial: Se indica que pueden lograrse eficiencias del 98%, utilizando una tasa de entre 120 a 185 m3/m2/día. En este caso se asume un valor de 172 m3/m2/día.

Número de Reynolds: Debido a que el flujo a través de los módulos de decantación es de tipo laminar, este debe poseer un valor máximo de 500. Lo que posibilita ampliar la separación entre láminas sin que se obtengan disminuciones apreciables en la eficiencia. Esto se traduce en un ahorro económico.

Velocidad en ductos y canales: Se deberá mantener una velocidad lineal para el flujo de líquido con un valor entre 0.1 a 0.4 m/s, de forma tal que el flóculo formado no se rompa en canales o elementos tubulares. Explicación. Ing. Felix Aguilar.

Sistema de distribución de agua floculada: Para la distribución del agua floculada a cada una de las unidades de sedimentación se utilizara un canal de profundidad variable, de forma tal que a cada unidad le ingrese el mismo caudal de agua.

Sistema de distribución en el sedimentador: Para distribuir internamente el agua en cada sedimentador, se utilizará un sistema de canal de altura variable con orificios a ambos lados, para lograr una distribución homogénea en la zona inferior a los módulos de placas.

Gradiente de velocidad: Debido a la importancia de conservar el floc formado en las unidades de floculación y su paso a las unidades decantadoras, el gradiente de velocidad máximo en ductos y canales será de 20 s-1.


Inclinación de los módulos laminares: Pese a que se logra la máxima eficiencia instalando las láminas de forma horizontal, este diseño no permite realizar las labores de mantenimiento y acumulación de lodos en el sistema de tolvas recolectores. Por tal motivo se utilizará un ángulo de 60°, que permite mayor longitud útil en las placas.

Separación entre láminas de policarbonato: Se utilizaran angulares de aluminio que permitan una separación entre láminas de 10 cm. Las láminas serán unidas con tornillos de bronce, que poseen mayor resistencia a la corrosión en sumergencia.

Sistema recolector de agua sedimentada: Se implementara un sistema de recolección de agua sedimentada tubular, el cual descargara a canal abierto a un canal que sea complementario al canal del sistema de distribución del sedimentador. Se tendrá cuidado de que el nivel del agua en el canal no sea mayor a la cota de fondo de los tubos recolectores.

Espaciamiento entre láminas de sedimentación y tubos recolectores: Para evitar los efectos de velocidad ascensional o el arrastre del floc que no sedimento eficientemente, se debe considerar como mínimo un espaciamiento de 65 cm.

Carga hidráulica sobre los tubos recolectores: Para una efectiva recolección del agua decantada se debe considerar una carga de 10 cm, sobre la cota superior de los orificios recolectores.

Espaciamiento entre láminas decantadoras y orificios de distribución:El espaciamiento mínimo entre los orificios del canal de distribución central de agua floculada y las láminassedimentadoras o de policarbonato debe ser de al menos 60 cm.

Espaciamiento entre tolvas de lodos y orificios de distribución: Para un adecuado almacenamiento de lodos se recomienda utilizar al menos una separación de 1 m, entre la cota superior de las tolvas y los orificios del canal central de distribución de agua floculada.

Tipo de lámina: Para la construcción de la unidad de decantación se utilizaran láminas de policarbonato, las cuales poseen la ventaja sobre las tradicionales de fibrocemento, en que son más livianas. Esto se puede


traducir en sistemas de sujeción y estructura civil menos robustas y por lo tanto en un ahorro económico.

Las láminas tendrán las siguientes características técnicas:

Láminas de Policarbonato perfilado para los decantadores Cada lámina perfilada estará compuesta por dos láminas las cuales en

el medio tienen una reticulada o láminas pequeñas que une entre sí a las láminas principales.

El peso de la lámina debe ser del orden de 1300 g/m2. El Policarbonato con el cual son hechas las láminas debe tener un

límite elástico igual o superior a los 60 N/mm2 y límite de rotura igual o mayor a los 70 N/mm2.

Las dimensiones serán 200 x 120 cm. Con un espesor de 8 mm.

Sistema de sujeción: El sistema de sujeción para las pantallas o láminas de policarbonato será con rieles guía de aluminio colocados en las paredes del decantador. A cada lámina se le colocaran dos piezas de madera de forma transversal, de tal manera que cuando se instalen se minimice el efecto de deflexión que ponga en riesgo a las mismas. Así mismo, a lo largo de la unidad de decantación se colocaran dos tabiques que permitan distribuir el peso de las láminas, esto ayuda aun más a evitar el efecto de deflexión.

Cantidad de sedimentación:Se dispondrá de 3 unidades de decantación. Estas serán construidas siguiendo la configuración de los floculadores.

DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES OPERATIVAS DEL SEDIMENTADOR O DECANTADOR LAMINAR

Para verificar el diseño y las condiciones operativas del decantador laminar se procede de acuerdo con la metodología de cálculo expuesta en el Capítulo 6 del Manual V del CEPIS; Criterios de Diseño, para cada uno de sus componentes; zona de entrada, zona de decantación, zona de salida, zona de lodos y zona de recolección.

De acuerdo con esta metodología se prepara una hoja de cálculo electrónica que permite mediante procesos iterativos, analizar los resultados obtenidos para


diferentes valores de los parámetros; caudales, dimensiones, velocidad, gradientes de velocidad.

NOTA:Debido a que se cuenta con 3 unidades de sedimentación cada una está diseñada para un caudal nominal de 33 l/s.Para el diseño, se consideróun ancho de decantador de 3 m, con un canal central de distribución de 0.6 metros de ancho.

La tabla No. 5, muestra los resultados obtenidos para el dimensionamiento de la unidad de decantación, según los criterios establecidos previamente.

Tabla No. 5. Dimensionamiento del decantador de placas paralelas

VAR. DATOS CANTIDAD UNIDADES VAR. DESCRIPCIÓN CALCULO RESULTADOS UNID

e´Separación de las placas en el plano horizontal

10 cm

dEspaciamiento entre las

placas d = e’ * senθ - e 7.86 cm

eEspesor de las placas

“e”0.8 cm

θ Angulo de inclinación 65 grados

lLongitud del módulo de placas (l)

1.2 m luLongitud útil dentro de

las placaslu=l *e’ *cosθ 115.77 cm

Q Caudal de diseño 0.033 m3/s LLongitud relativa del módulos de placas

L = Lu/d 14.73

VsVelocidad de sedimentación de la partícula

0.00046 m3/s f Área superficial de la unidad

f = senθ * (senθ + L* cosθ)/S 6.5 m

S Módulo de eficiencia 1 As As= Q / f*Vs 11.22 m2

BAncho total neto de la zona de decantación 2.4 m

N Número de canales formados por las placas

N = As * Senθ / B*d 52.00

LT

Longitud total de los decantadores LT = 1 + cosθ + (Nd+(N+1)*e)/senθ 5.48 m

Vo

Velocidad media del flujo Vo = Q /As* senθ 0.33 cm/s

b Ancho módulo de placas 1.2 m RH Radio hidráulico RH = b*d / 2(b+d) 0.04 m

v Viscosidad a 20 grados 0.01 cm2/s Nr Numero de Reynolds Nr = 4*RH*Vo / v 483.76

Vo

Velocidad longitudinal máxima

Vo =( Nr/8)0.5* Vs 0.36 cm/s

OK Nr 483.8 Numero de Reynolds menor a 500

OKVo 0.328

Velocidad longitudinal media , Vo, en elementos tubulares entre 0.17 y 0.42 cm/s

OK e 8 Lamina de 8mm de espesor

OK G orificios 17.22 Gradiente en conductos entre 10- 20 s-1, en los orificios

Tabla No. 6. Dimensionamiento del sistema de recolección de agua decantada

Datos Cantidad Unidad Cálculos Resultados Unidad

1 Caudal de diseño 100 L/s L=Q/qr Longitud de

m2 Tasa de recolección qr= L/s.m

L=100/2; tuberías de

L=50 recolección

3 Ancho total del modulo de placas B=2.44 m

N°= L/B; N°=50/2.44 Tubos decmN°=20.4920, aprox. 20 (10 en cada modulo de

decantación) recolección

4 Espaciamiento entre orificios e=10 mn= b/e; n= 2.44/10; Numero de

unidadn= b/e; n= 2.44/10; 24.4, aprox. 24 orificios por tubo

5 Diámetro de los orificiosdo= 1/2" pulgadas

Ao=(do)²𝜋/4;Área de los

m²do=0.0127 m Ao=(0.0127)²𝜋/4; Ao=0.0001 orificios de ½"

6Relación para colección

uniforme con una desviación del 5%

unidadnAo/Ac=0.15 Área de los

m

Ac= 24(0.0001)/0.15 tubos deAc=0.0203 recolección

7 D=(4Ac/𝜋)^0.50 Diámetro del

mD=0.1606; D= 6.3246"; D=6" Tubos de

Tabla No. 7. Calculo del sistema de extracción de lodosDatos Cantidad Unidad Criterios Cálculos Resultados Unidad

1 Diámetro del orificio D = 50.8 mm mCoeficiente de descarga = 0.61

2Carga hidráulica H=3 m

qL=Cd A √2 ghqL=0.61(0.0020)√2x 9.8 x3 Caudal que se

puede extraer de cada orificio

m³/s

Aceleración de la gravedad g= 9.8 m/s²qL=0.0092

3 Sección de un orificio de 2" A= 0.0020 m²

v=Cd(2 gh)0.5

v=0.61(2 x 9.8x 3)0.5 Velocidad de extracción m/s

v=4.6776

4Tasa de producción de lodo Tl=5 ml/L QL=Q xT L

QL=33,33 x 0.005Caudal total de lodo producido L/s

QL=0.1667Caudal de diseño Q=33,33 L/s

5

Altura de la tolva H4=1 m

∇=[ (b+b1) /2 ]NLH 4

∇=[ (2.44+0.30 )/2 ] x2 x6 x 1Volumen de

almacenamiento de lodos

m³Numero de tolvas N=2 constante

Ancho mayor b=2.44 m ∇=16.44Longitud del decantador L=6 m m

6

F=16.44

0.1667 x 86,4

F=16.44

0.1667 x 86,4Máxima

capacidad de almacenamiento

disponible

F=1,1414

7 Distancia entre orificios a=1 mN=2x6/1 Numero de

orificios unidadN=12

8 Frecuencia de descarga ideal F=4 h ∇L=QL x F1

∇L=0.5 x 4 x3.6 Volumen producido en 4

hrs ∇L=7.2

9

T=¿ ∇ /q1¿ x N1 x60T=¿ 7.2/0.0092¿ x12 x60 Duración de la

descargamin

T=1.08

ZONA DE SALIDA

DISEÑO DE CANAL COLECTOR DE AGUA DECANTADA

Criterios generales

La uniformidad en la ascensión del flujo depende tanto de las características de la zona de entrada como de la de salida.

Para conseguir una extracción uniforme, se puede diseñar ya sea un canal central recolector y canales laterales, un canal central y tuberías laterales perforadas o un canal central y vertederos laterales.

Tubos con perforaciones en la parte superior dan excelentes resultados cuando todos los orificios son de igual diámetro, con una carga de agua sobre estos de 5 a 10 centímetros y descarga libre hacia un canal central o canales laterales; el tubo no debe trabajar a sección llena. Esta última condición es básica para obtener una extracción equitativa del flujo.

En este caso opto por utilizar este sistema para el diseño de la recolección del agua decantada.

Criterios para el dimensionamiento

La longitud de vertederos de recolección (lv) se calcula mediante la siguiente expresión:

Lv= Q/qr

En donde Q es el caudal de diseño del decantador en L/s y qr es la tasa de diseño de los vertederos que varía entre 1,1 y 3,3 L/s x m de longitud de vertedero.

Los valores cercanos a 1,10 L/s x m se recomiendan para flóculos débiles o plantas con operación poco confiable y valores cercanos a 3,30 para casos de flóculos grandes, pesados y con buen nivel de operación.

Cuando la recolección se efectúa mediante tuberías con perforaciones, se recomienda determinar la longitud de tubería mediante la ecuación anterior, el distanciamiento máximo de centro a centro mediante la ecuación siguiente:

D/h= 432/Vs

Para que la colección sea uniforme, el cálculo del diámetro de los orificios y del tubo se determinó de la siguiente manera:

Vc/Vo= nAo/Ac≤ 0,15

En donde n es el numero de orificios, para este se tomo un espaciamiento de 10 cms., A0 es el área de los orificios, para este se utilizo un diámetro de ½”, Ac es el área del tubo y Vo y Vc son las velocidades en los orificios y en la tubería respectivamente, dada en m/s.

Cabe mencionar que la tubería se colocara a una altura tal que la capa de agua sobre el modulo de placas sea de un metro, esto con el fin de evitar que las líneas de flujo se arqueen y arrastren los flóculos. La altura mínima entre el vertedero o tuberías y el modulo de placas es de 0.65 m.

ZONA DE DEPÓSITO Y EXTRACCIÓN DE LODOS

DISEÑO DE CANAL COLECTOR DE LODOS POR MEDIO DE TOLVAS CONTINUAS Y EXTRACCIÓN DE LODOS POR MEDIO DE ORIFICIOS

DISTRIBUIDOS EN EL FONDO

Criterios de diseño

Dependiendo del área de la unidad, se pueden tener varia tolvas continuas, para este caso se utilizaron únicamente 2 tolvas por modulo, y debido a que son 3 módulos se tiene un total de 6 tolvas continuas en todo el sistema.

La extracción de los lodos se puede hacer mediante sifones o por medio de orificios en el fondo. Para este diseño se opto por utilizar orificios en el fondo y tuberías de múltiple recolección, para este diseño se utilizo una carga hidráulica de 3,35 metros que corresponden a la altura del decantador y las tolvas respectivamente.

La distancia (x) entre los orificios de de descarga es de 1 metro, aunque el diseño da una distancia de 1,10 se opto por separarlos a un metro y de esta manera

colocar 3 orificios; dos en los extremos y uno al centro, todo ello con una velocidad mínima de un cm/s para garantizar el arrastre de lodos.

A continuación se presenta la muestra de cálculo de la separación de los orificios.

Dimensionamiento de tolva

Pendiente = 60°

Equirepartición de flujos

Más importante que el diseño del múltiple es conseguir que este extraiga oportunamente la misma cantidad de agua por todos los orificios pues podría suceder que solo trabajen los orificios del lado de la salida y poco o nada los otros, este es un error común en la extracción de lodo por múltiples.

En forma simplificada puede adoptarse el criterio de Miller 1980 quien considera que para orificios separados entre sí por una distancia mayor de tres diámetros del múltiple y en los que el flujo del orificio es menor del 10% del flujo total se pueden usar los coeficientes de pérdida de carga para orificios individuales, así:

R=nAoAm

En donde n es el número de orificios, Ao es el área individual de los orificios y Am es la sección del múltiple.

Las condiciones de flujo para distintas relaciones R adaptadas de Miller nos indican que la tasa de extracción de flujo se mantiene constante cuando R<0.5Podría adoptase por eso, como valores tentativos, mientras no haya otros datos y para estar del lado de la seguridad, un R entre 0.4 y 0.45 para dimensionar múltiples de corta y mediana longitud.

Según Arboleda Valencia se concluye que para construir múltiples se puede proyectar el diámetro de este así:

1. Para longitudes de entre 2 m y 3.5 m, D= 0.10 m (4”)2. Para longitudes de entre 3.5 m y 6.5 m, D= 0.15 m (6”)3. Para longitudes de entre 6.5 m y 12 m, D= 0.20 m (8”)

En este caso, utilizaremos un diámetro de 6” debido a que tenemos una longitud de 6 metros

Entonces:

d=D√ RnEn donde d, es el diámetro del orificio, D es el diámetro del múltiple y n es el numero de orificios, para empezar asumiremos 4, el cálculo se corroborará más adelante;

d=0.15√ 0.4254d=1.91≃2

Lo que equivale a 0.0508 metros, ahora utilizaremos este diámetro para revisar R;

R=4 x0.05082

0.152

Y procedemos a calcular x que es la distancia entre los orificios:

x=1.162d √ H 0.5

Va

Colocando valores tenemos:

x=1.162 x0.0508√ 3.350.50.01x=1.08

Cabe mencionar que Va es la velocidad de arrastre de lodos a los orificios y que para evitar la formación de bancos de lodos a los lados de los orificios es aconsejable utilizar una velocidad mínima de arrastre de 1 a 3 cm/s.Para este caso utilizaremos una separación de 1 metro, por lo que colocaremos 3 orificios de 2” de diámetro en cada tolva continua.

Procedemos a chequear y tenemos:

R=3 x 0.05082

0.152=0.3441<0.50

Y vemos que estamos bien.

CONCLUSIONES

El principal parámetro de diseño para una unidad de sedimentación es la velocidad critica de sedimentación, que en el caso del agua cruda proveniente de la Planta y para un valor de turbiedad de 498 UNT, se tiene un valor de XXX m/s. Valor con el cual se obtendría un efluente, con un valor de turbiedad menor a las 2 UNT.

La selección de un sedimentador laminar, como el propuesto, permite reducir sustancialmente los requerimientos de espacio físico para la construcción de la unidad, lo cual se traduce en importantes ahorros económicos de terreno y constructivos.

Para realizar el proceso de clarificación del agua floculada se requiere un área efectiva de contacto de XX m2, por cada una de las 3 unidades sedimentadoras.

Para conservar el tamaño y densidad del floc formado durante el proceso de floculación es importante mantener gradientes de velocidad inferiores al del último tramo de la unidad de floculación en cada uno de los canales y accesos a la unidad de sedimentación, siendo preferible mantener valores menores a los 20s-1.

Para el caudal de diseño, 100 l/s, y un valor de turbiedad de 498 UNT, se estima que se produzca un volumen de lodos por sedimentador de XX m3, lo cual implica que debe realizarse, al menos, una purga de lodos por día, a fin de evitar los procesos de degradación anaeróbicos que puedan poner en riesgo la seguridad y calidad del proceso de potabilización.

BIBLIOGRAFIA

Arboleda Jorge. Teoría y Práctica de la Purificación del Agua; 2000. Editorial Mc. Graw Hill. pp 128 - 198.

Apuntes de clase Procesos de Tratamiento de Agua 2012; Recomendaciones para el diseño, Cat. Msc. Ing. Felix Aguilar.

Azevedo J.M. Manual de Hidráulica; 1976. Mexico, Harla. pp 468 – 480.

CEPIS; OPS/CEPIS/PUB/04.109 Original: español; Tratamiento de agua para consumo humano; Evaluación de Plantas Convencionales y Tecnologías Apropiadas; Manual II y V, Criterios de Diseños.

taller no. 4, canales y sedimentador

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