diseño de desarenadores

DISEÑO DE DESARENADORESElaborado por.

Manuel García-Naranjo B.

DISEÑO DE DESARENADORES

Elaborado por:

Manuel E. Garcia-Naranjo B.

Agosto 2015

DISEÑO DE DESARENADORES

Desarenador C.H. Pablo Boner - Matucana

DISEÑO DE DESARENADORES

DEFINICION Y FUNCION

Los desarenadores son obras hidráulicas que tienen por finalidadpropiciar la decantación (o sedimentación) y garantizar luego laremoción (o evacuación) de las partículas sólidas que hayaningresado a través de una obra de captación o que estén siendoconducidas a lo largo de un canal de conducción.

En el proyecto de centrales hidroeléctricas, el empleo dedesarenadores es esencial, pues debe garantizarse que el agua quecircula por la(s) tubería forzada(s) y que acciona luego la(s)turbina(s) se encuentra libre de la presencia de partículas sólidasque pudieran originar su rápido desgaste o deterioro.

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Solo cuando el agua que aprovecha una central hidroeléctrica escaptada de un reservorio de almacenamiento, puede obviarse elempleo de un desarenador, pues en este caso el embalse cumplelas funciones de esta estructura.

Un desarenador evita los siguientes efectos desfavorables en lasestructuras o elementos de una C.H.:

• Deposición de sedimentos a lo largo del canal de conducción dela central, con el consiguiente aumento de la rugosidad,disminución de la sección efectiva y de la capacidad deconducción.

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• Rápida colmatación de la cámara de carga que antecede a la(s)tubería forzada(s) en el caso de centrales con canal de aducción.

• Deterioro de la conducción forzada por efecto abrasivo de lacorriente

• Desgaste acelerado de la(s) turbina(s) dispuestas en la casa demáquinas, lo cual trae consigo paralizaciones de la C.H. paraefectuar reparaciones y reemplazos que demandan tiempo y queademás, tienen elevado costo.

Desarenador C.H. Carhuaquero

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CLASIFICACION

Los desarenadores pueden clasificarse atendiendo a tres criterios:

a) En función a su operación:

• Desarenadores de purga continua, aquellos en los que las partículasdecantadas son inmediatamente removidas y evacuadas por unpermanente caudal de lavado, que evita que éstas quedendepositadas en el desarenador.

• Desarenadores de purga discontinuos o intermitente, aquellos enlos que los sedimentos decantados se almacenan temporalmenteen la(s) nave(s) de desarenación, para luego ser removidos yevacuados mediante operaciones de purga que se efectúanperiódicamente.

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b) En función a la velocidad de escurrimiento:

• De baja velocidad, cuando la velocidad media de la corrienteen el desarenador se encuentra entre 0.20 y 0.60 m/s. Estosdesarenadores garantizan la remoción de partículas finas.

• De alta velocidad, cuando la velocidad media de la corriente enel desarenador se encuentra entre 0.60 y 1.50 m/s. Estosdesarenadores solo garantizan la remoción de partículasmedias o gruesas de material.

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c) Por la disposición de las naves de desarenación:

• En serie: desarenadores conformados por dos o más depósitosconstruidos uno a continuación del otro.

• En paralelo, desarenadores conformados por dos o másdepósitos distribuidos paralelamente y diseñados para quecada uno de ellos opere con una fracción del caudal totalderivado para la C.H.

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ELEMENTOS DE UN DESARENADOR

Los elementos básicos de un desarenador son los siguientes:

• Transición de entrada

• Cámara de sedimentación

• Vertedero

• Sistema o compuerta de purga

• Canal directo o by-pass

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TRANSICION DE ENTRADA:

Une el canal con la nave de desarenación propiamente dicha. Latransición debe ser proyectada de la mejor forma posible, pues laeficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de lavelocidad en la sección transversal.

Para el diseño de la transición de entrada se recomienda que elángulo de convergencia medido a nivel de la superficie libre nosupere los 12.5. En tal sentido, la longitud requerida de latransición puede determinarse mediante la siguiente fórmula:

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𝐿𝑇 =𝐵𝑑𝑒𝑠 − 𝐵𝑐𝑎𝑛

2t an12.5donde:

LT – longitud de la transición

Bdes – ancho del desarenador a nivel de la superficie libre

Bcan – ancho del canal a nivel de la superficie libre

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CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN

Es la nave en la que las particular sólidas decantan debido a ladisminución de la velocidad de flujo producida por el aumento dela sección transversal. En el diseño hidráulico de la cámara desedimentación normalmente se sigue el siguiente procedimiento:

• Diámetro de diseño del desarenador: debe seleccionarse demodo de garantizar que toda partícula mayor o igual aldiámetro de diseño adoptado quede retenida de maneraefectiva por la(s) nave(s) de desarenación.

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En el caso de centrales hidroeléctricas, el diámetro de diseñousualmente se selecciona de acuerdo a la altura de caída de lacentral. Así, se tiene los siguientes valores sugeridos deldiámetro de diseño (d) en función de la altura de caída (H):

H = 100 – 200 m d = 0.6 mm

H = 200 – 300 m d = 0.5 mm

H = 300 – 500 m d = 0.3 mm

H = 500 – 1000 m d = 0.1 mm

H > 1000 m d = 0.05 mm

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El diámetro de diseño también puede ser seleccionado enfunción al tipo de turbina a utilizar. En este caso, se tiene:

Turbina Kaplan: 1 – 3 mm

Turbina Francis: 0.3 a 1 mm

Turbina Pelton: 0.1 a 0.3 mm

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• Velocidad de flujo en el desarenador:

La velocidad media de flujo que debe prevalecer en el desarenadorpara garantizar la decantación de las partículas sólidas está dadapor la siguiente ecuación:

𝑉𝑐𝑚

𝑠= 𝑎 𝑑(𝑚𝑚)

Los valores de “a” dependen del diámetro de diseño y son lossiguientes:

Para d > 1 mm a = 36

Para 0.1 < d < 1 mm a = 44

Para d < 0.1 mm a = 51

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Cabe observar que conocido el caudal que circulará por la navede desarenación y definida la velocidad de flujo, es posibledeterminar el área que debe tener la sección flujo: A = Q / V.

Por otra parte, si se toma en cuenta que normalmente larelación ancho vs altura (B vs H) útil del desarenador seencuentra entre 2 y 3, una vez determinada el área es posiblehallar la altura.

Así, si por ejemplo:

B = 2.5H A = 2.5 H2, de donde: 𝐻 =𝐴

2.5

0.5

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Se recomienda que la altura útil de un desarenador seencuentre entre 1.5 m y 4 m. Si al efectuar los cálculos sedeterminara un valor de H mayor a 4 m, es recomendabledistribuir el caudal total en un número mayor de naves dedesarenación.

Con el objeto de facilitar el lavado concentrando las partículashacia el centro del desarenador conviene que el fondo de lasección transversal no sea horizontal sino que tenga unainclinación hacia el centro de la sección. La pendientetransversal usualmente escogida es 1:5 a 1:8 : 1 (H:V).

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Vista de nave de sedimentación de desarenador. Obsérvese la inclinación del fondo hacia la parte central.

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• Longitud del Desarenador

La longitud que debe tener el desarenador para garantizar la decantación de la partícula de diseño o cualquier partícula de mayor tamaño, se obtiene a partir de la siguiente relación:

L = V H / w

donde:

V – velocidad media de flujo en el desarenador

H – altura útil del desarenador (usualmente H = 1.5 a 4 m)

w – velocidad de sedimentación

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La velocidad de sedimentación, en medios en reposo, puededeterminarse mediante la aplicación de los siguientes métodos:

a) Tabla de Arkangelski:

Proporciona directamente el valor estimado de la velocidad desedimentación, a partir del tamaño de partícula:

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Tabla de Arkangelski

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b) Experiencias de Sellerio:

Se presentan en el siguiente gráfico, el cual permite igualmentehallar la velocidad de sedimentación en función del tamaño departícula.

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Cabe señalar que, debido a la naturaleza gráfica del método yal hecho de comprender esencialmente tamaños de partículamayores (0.5, 1.0, 1.5 mm), la precisión para tamaños departícula menores (como son los correspondientes al diámetrode diseño de un desarenador) no es suficientemente buena.

c) Experiencias de Sudry: se sintetizan en el nomogramasiguiente que permite calcular la velocidad de sedimentación w(en m/s) en función del diámetro (en mm) y del peso específicodel agua (w en gr/cm3).

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Experiencias de Sudry

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Cabe señalar que, al igual que el método de Sellerio, elplanteamiento de Sudry - al comprender esencialmentetamaños de partícula mayores - no presenta una adecuadaprecisión para el rango de partículas que usualmente seconsidera en el caso de desarenadores.

d) La fórmula de Scotti-Folglieni: se expresa como:

𝑤 = 3.8 𝑑 + 8.3 𝑑

donde:

w - velocidad de sedimentación, en m/s

d - diámetro de la partícula, en m

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e) Gráfica de Albertson:

La gráfica de Albertson permite encontrar la velocidad desedimentación en función de tres variables: tamaño departícula, factor de forma (que toma en cuenta la forma de laspartículas sólidas prevalecientes) y la temperatura del agua (locual tiene incidencia en la viscosidad del fluido).

Cabe indicar que para partículas provenientes del cuarzo,usualmente se considera un factor de forma (s.f.) igual a 0.7

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Gráfica de Albertson

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f) Fórmula de Owens:

La fórmula de Owens se expresa mediante la siguiente

relación: 𝑤 = 𝑘 𝑑 𝜌𝑆 − 1

donde:

w – velocidad de sedimentación, en m/s

d – diámetro de la partícula, en m

S – peso específico del material, en g/cm3

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k – constante que varía de acuerdo con la forma y naturalezade los granos. Los valores sugeridos de k se muestran en elsiguiente cuadro:

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g) Método de la fuerza de arrastre de

esferas:

En este caso, se hace uso de la fórmula:

donde:

wo – velocidad de sedimentación de la

partícula en un medio en reposo

- densidad relativa sumergida: ∆ =ρS− ρw

ρw

D – diámetro de la partícula de diseño

D

oC

gDw

3

4

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Gráfica del Coeficiente de

Arrastre de Esferas

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h) Ley de Stokes:

Puede aplicarse para el caso de partículas esféricas pequeñas(D < 50m) y un número de Reynolds bajo (Re < 1).

Bajo estas condiciones, el coeficiente CD del método delcoeficiente de arrastre de esferas está dado por: CD = 24/Re.Con ello, la velocidad de sedimentación resulta igual a:

donde cada uno de los términos tiene el significado usual.

18

2gDwo

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Las velocidades de sedimentación determinadas porcualquiera de los métodos anteriores (wo), deben sercorregidas para tomar en cuenta la turbulencia de lacorriente, pues si bien la velocidad de flujo en un desarenadores baja, de todos modos el medio fluido no se encuentra enreposo.De este modo, el valor de la velocidad de sedimentación () autilizar en el cálculo de la longitud del desarenador (L) debeconsiderar la corrección dada por alguno de los siguientescriterios:

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• En función de la velocidad: = o – 0.04 V• De acuerdo al método de Sokolov: = o - 0.152 o

• Según Eghiazaroff: 𝜔 =𝜔0

5,7+2.3 𝐻

• Según Bestelli y Levin: Levin plantea la siguiente reducción de velocidad: = o - Vdonde el coeficiente es propuesto por Bestelli y se obtiene a partir de la siguiente relación:

∝ =0.132

𝐻

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Cabe también indicar que, alternativamente, en el caso dedesarenadores de baja velocidad, se puede corregir lalongitud del desarenador calculada en base a la velocidadteórica de sedimentación en medio en reposo, haciendo usode un coeficiente K, el cual se selecciona en base a lavelocidad de escurrimiento.

De esta manera, 𝐿 = 𝐾𝑉 𝐻

𝜔0

donde K se obtiene de la siguiente tabla:

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Factor de amplificación para el cálculo de la longitud del desarenador, determinada en función a la velocidad de

sedimentación de las partículas en reposo

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Criterio Estándar para el Diseño de Desarenadores para PCH enel Ambito RuralCabe indicar la existencia de un criterio estándar dedimensionamiento de desarenadores para pequeñas centraleshidroeléctricas (PCH) a ser proyectadas en el ámbito rural. Elplanteamiento fue formulado en los años ´80 por Tsuguo Nozaki,experto japonés que durante varios años desempeñó la labor deasesor de ElectroPerú para propósitos energéticos.De acuerdo con esta metodología estándar, se tiene:

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Planta de Desarenador Típico:

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Elevación y Secciones de Desarenador Típico:

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Dimensionamiento del desarenador

estándar en función del caudal

de diseño

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VERTEDEROAl final de la cámara de desarenación se dispone un vertederosobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal de conducciónque conducirá el caudal hacia la casa de máquinas. El vertederodebe operar con descarga libre y se recomienda que la velocidadno supere 1 m/s, por lo que la carga sobre el vertedero no debeser mayor a 25 cm.El caudal sobre el vertedero se determina con la fórmula:

𝑄 = 𝐶 𝐿 𝐻3/2

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donde:Q – caudal, en m3/sC – coeficiente de descarga:

C = 1.84 en el caso de cresta aguda yC = 2.0 para el caso de perfil Creager

L – longitud de la cresta, en mH – carga sobre la cresta del vertedero, en m

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SISTEMA O COMPUERTA DE PURGASirve para desalojar los materiales depositados en el fondo deldesarenador. Para facilitar el movimiento de los sedimentoshacia la compuerta de purga, normalmente se le da al fondo deldesarenador una pendiente comprendida entre el 2% y 6%. Lasdimensiones de la compuerta de purga deben ser calculadasconsiderando que, para una purga eficiente, la velocidad dedescarga debe estar comprendida entre 3 y 5 m/s.

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Hay que asegurarse que el fondo de la compuerta de purga seencuentre en un cota suficientemente alta respecto del puntode descarga final en el río, asegurando que la pendientelongitudinal sea suficiente para para obtener una velocidad deflujo capaz de arrastrar los sedimentos. Muchas veces estacondición, además de otras posibles de índole topográfica,impide colocar el desarenador inmediatamente después de latoma, que es la ubicación ideal, obligando a desplazarlo aguasabajo en el canal.

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Dimensionamiento de la compuerta de purga:Suponiendo una compuerta cuadrada de lado l, el área será:A = l2. La compuerta funcionará hidráulicamente como unorificio, siendo su ecuación:

𝑄 = 𝐶𝑑 𝐴𝑜 2 𝑔 𝐻

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donde:Q - caudal a descargar por el orificioCd - coeficiente de descarga; Cd = 0.60 para orificios de pareddelgadaAo - área del orificio, en este caso igual al área A de lacompuertaH - carga sobre el orificio, medido desde la superficie libre delagua hasta el centro del orificiog - aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2

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Cálculo de la velocidad de salida:La velocidad de salida se determina mediante la relación:

V = Q/Aodonde:V - velocidad de salida por la compuerta. Debe estar comprendidaentre 3 y 5 m/s, para asegurar una purga eficiente y por otro lado,prevenir cualquier efecto erosivo en el concreto, el cual puedeempezar a producirse con velocidades por encima de 6 m/sQ - caudal descargado por la compuertaAo - área del orificio, en este caso igual al área A de la compuerta

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SISTEMA DE PURGA DE LOS DESARENADORESLos sistema de purga de los desarenadores normalmenteempleados son los siguientes:• Büchi• Dufour• Bieri

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• Sistema Convencional Büchi:

En este caso, el desarenador consiste de una o más naves

de decantación longitudinal, que tienen la suficiente

longitud (ver sección previa) para garantizar la retención y

decantación de las partículas sólidas.

Los sedimentos se depositan en el fondo del desarenadory son purgados cuando se abre la compuerta de purga.

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• Sistema de Purga Dufour:

En este caso, el desarenador se dispone una rejilla

horizontal que atrapa los sedimentos, previniendo sueventual retorno.

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• Sistema de Purga Bieri:El sistema de purga Bieri asegura la producción de energíadurante el procedimiento de purga.Los sedimentos depositados en el desarenador son purgadosverticalmente a través de aberturas que conducen la descargahacia el canal de purga y de vuelta al río. De este modo, elvolumen de agua para purga es reducido al mínimo posible.La disposición de sensores permite una operacióncompletamente automática.

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Operación del desarenador Bieri

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CANAL DIECTO ó BY-PASSEs aquel por el cual se mantiene el servicio mientras la navedesarenación se encuentra en limpieza o mantenimiento. Lapurga de un desarenador normalmente se efectúa en un tiempocorto, pero, si por razones de inspección o mantenimiento esnecesario vaciar la cámara del desarenador, el canal directo o by-pass permite que el servicio de la C.H. no se suspenda.En el caso que el desarenador tenga dos o más naves dedesarenación, el canal directo ya no se requiere, pues una de lasnaves trabaja con el caudal total mientras la otra se encuentrafuera de servicio.

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Vista de desarenador

incluyendo canal directo ó by-pass