DESARENADORESPRESENTACINLos desarenadores son obras hidrulicas que sirven para separar (decantar) y remover (evacuar) despus, el material slido que lleva el agua de un canal.El material slido que se transporta ocasiona perjuicios a las obras. Una gran parte del material slido va depositndose en el fondo de los canales disminuyendo su seccin. Esto aumenta el costo anual de mantenimiento y produce molestas interrupciones en el servicio de canal. Si los canales sirven a plantas hidroelctricas, la arena arrastrada 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. Todos estos aspectos en una obra hidrulica hacen que se proyecte y disee una estructura que solucione estas dificultades como es el desarenador.Son estructuras que permiten eliminar ciertas partculas ms finas de los slidos, que se encuentran en suspensin en la masa fluida.

Cuando se capta el agua de un ro, inevitablemente estaremos captando tambin sedimentos en suspensin y de arrastre. Los desarenadores tienen la importante misin de eliminar las partculas indeseadas que se encuentran en suspensin en el agua y posteriormente, mediante una adecuada accin arrojarlas al ro. Para las partculas de arrastre existe otra estructura denominada desgravador o desrripiador.

El desarenador, como toda estructura hidrulica, tiene funciones y objetivos especficos que deben ser claramente analizados y comprendidos con el fin de lograr un buen diseo.

Un Desarenador es una estructura hidrulica que sirve para separar (decantar) y remover (evacuar), las partculas finas en suspensin que lleva el agua de un canal. Este material ocasiona perjuicios a las obras:

1. Una gran parte del material slido va depositndose en el fondo de los canales, disminuyendo su seccin. Esto aumenta el costo anual de O y M. y produce molestas interrupciones en el servicio.

2. Si los canales sirven a las CC.HH. La arena arrastrada por el agua pasa a las turbinas, desgastndolas, tanto ms rpidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una reduccin del rendimiento y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas.

I. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOSon dos las funciones que debe cumplir un desarenador: Lograr la decantacin de una parte de las partculas slidas, acarreadas en suspensin por la corriente de un canal.Se busca crear en el desarenador velocidades bajas y disminuir el grado de turbulencia. Existen diferentes tipos de desarenadores que buscan cumplir con esta funcin. La idea fundamental es la de disponer de varias naves paralelas para disminuir la formacin de corrientes secundarias y lograr un flujo paralelo, en la medida de lo posible.

Conseguir la purga del material slido decantado.Debe crearse las condiciones para lograr durante la purga suficiente cantidad de transporte y lograr que los slidos sedimentados se dirijan hacia las ventanas, orificios o conductos de purga. Adicionalmente y para que la purga sea posible debe haber carga suficiente (desnivel) con respecto al ro o al lugar al que se descargan los sedimentos.Si la descarga es, como ocurre generalmente, a un ro debe verificarse la existencia de desnivel suficiente durante las avenidas, que es cuando por lo general se presenta la mayor cantidad de slidos.

Bsicamente para que un desarenador sea eficiente debe cumplir:A. Hidrulicamente Distribucin uniforme del caudal en las naves desarenadoras. Lneas de corriente paralelas, por lo tanto sin vrtices de eje vertical u horizontal. No causar remanso en el canal aguas arriba. Distribucin uniforme del caudal dentro de cada nave, esto es importante en el momento de purga de la nave.

B. Sedimentolgicamente Sedimentacin de los materiales es suspensin. Evacuacin al exterior de los depsitos. Limpieza uniforme de las naves desarenadoras. No existencia de zonas imposibles de limpiarlas en las naves. Transicin de entrada sin sedimentacin. Eficiencia adecuada.

La sedimentacin es posible de lograr disminuyendo la velocidad de flujo hasta un cierto valor para permitir su depsito. Dicho valor est en funcin del dimetro de la partcula a extraer.

La evacuacin o limpieza es el mayor problema en el diseo del desarenador. Esta fase obliga a tener un manual de operacin bien detallado, a fin de lograr la total evacuacin de los sedimentos depositados. El canal de purga debe tener por lo menos igual o mayor pendiente que el conducto de purga de las naves.

Si el desarenador se encuentra aguas debajo de un canal es necesario tener en cuenta el posible remanso que podra generar en el canal, un vertedero o una compuerta situada al final de las naves con el objetivo de establecer una cota de operacin, etc. Es necesario que el desarenador se encuentre topogrficamente ms alto que el rio con la finalidad de que pueda evacuar por gravedad los sedimentos depositados en las naves desarenadoras.II. EVOLUCINLo que determina la evolucin del desarenador es la forma como son evacuados los sedimentos que se acumulan de la sedimentacin, en un primer momento se efectuaba la limpieza mecnicamente para luego pasar a la limpieza hidrulica.

1. Cmaras de decantacinEn un inicio se usaban stas estructuras formadas por tazas, donde la decantacin y la extraccin de los depsitos eran dos operaciones sucesivas. La decantacin era posible al tener velocidades muy pequeas.La evacuacin de sedimentos era mecnica, razn por la cual se les llamaba cmaras de extraccin mecnica. Actualmente ningn diseo contornea este criterio.Luego se pens en utilizar la misma agua para efectuar la limpieza y sugirieron las llamadas cmaras da evacuacin hidrulica, que constituyeron un verdadero avance. Las ms antiguas obras de este tipo tienen en general fondo plano y la abertura de evacuacin de dimensiones reducidas y a menudo ubicadas lateralmente. Las obras ms o dems tienen pendientes longitudinales del 3% al 5%, con aberturas de evacuacin de 0.70 a 1.00 m. aproximadamente. (Ver figura).

2. DesarenadoresEn el diseo del desarenador, el objetivo no solamente es que se produzca la sedimentacin y luego se pueda efectuar la limpieza hidrulicamente, sino que sedimenten partculas hasta un cierto dimetro, segn sea el uso que se desee dar al agua.Los desarenadores propiamente dichos, son aquellos en los cuales las operaciones de decantacin y extraccin de los depsitos son operaciones simultneas. Su evolucin tambin se ha visto enmarcada dentro de las necesidades hidrulicas. As en un primer tiempo, en las tomas de agua para irrigacin se iniciaron con los llamados desarenadores en corrientes con velocidades lentas, caracterizados por una baja velocidad de escurrimiento, entre 0.2 y 0.6 m/s, que permiten la eliminacin de elementos hasta 0.1 mm. (Ver figura N 2). Posteriormente con la aparicin de las grandes 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 a/fas. (Ver figura N 3).

Existen diversos estudios sobre desarenadores, tratando de establecer modelos de diseo que sirvan para aplicar en distintos casos, entre estos se encuentran:a) BUCHI.- Eliminaba el agua de la capa superficial con un tablero de rendijas. Sin embargo las mayores concentraciones de sedimentos en suspensin se encuentran en zonas bajas.

b) BOUCHER.- Buscando disminuir la velocidad de rgimen del agua, desviaba los filetes fluidos de la direccin horizontal a vertical, mediante unos tabiques, siendo evidente que el choque de los filetes contra estos tabiques que dificultaban el proceso de decantacin.

c) DOFOUR.- Es recomendable para ros con mucho transporte de slidos. Tiene aberturas a lo largo del fondo del desarenador, teniendo una seccin transversal en forma de carena de nave, forma que favorece la conduccin de la arena de las aberturas. Este modelo ha sido modificado por otros investigadores.

d) PABLO BONER.- Existen numerosos desarenadores en el Per que se han construido bajo el diseo del ingeniero Boner. Estos se ubican mayormente en los ros Rmac y Santa Eulalia en Lima Los desarenadores son parte de las centrales hidroelctricas que fueron ejecutadas desde inicios de siglo.

e) DOFOUR, MONTAGNE, LEVI. - Con velocidades de 1.0 a 1.5 m/s. Se caracteriza porque las aberturas de purga se encuentran en las zonas finales de las naves.

III. CLASIFICACIN DE DESARENADORES1. En funcin de su operacin Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentacin y evacuacin son dos operaciones simultneas. Desarenadores de lavado discontinuo (intermitente), que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados.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.

2. En funcin de la velocidad de escurrimiento: De baja velocidad v < 1 m/s (Recomendable: 0.20 - 0.60 m/s). De alta velocidad v > 1 m/s (Recomendable: 1 - 1.5 m/s).

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 diseados para una fraccin del caudal derivado.

4. Por su topologa Desarenador longitudinal Su funcionamiento se basa en la reduccin de la velocidad del agua y de las turbulencias, permitiendo as que el material slido transportado en suspensin se deposite en el fondo, de donde es retirado peridicamente.

Normalmente se construyen dos estructuras paralelas, para permitir la limpieza de una de las estructuras mientras la otra est operando.

De vrticeLos sistemas de desarenacin del tipo vrtice se basan en la formacin de un vrtice (remolino) inducido mecnicamente, que captura los slidos en la tolva central de un tanque circular. Los sistemas de desarenador por vrtice incluyen dos diseos bsicos: cmaras con fondo plano con abertura pequea para recoger la arena y cmaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva. A medida que el vrtice dirige los slidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para levantar el material orgnico ms liviano y de ese modo retornarlo al flujo que pasa a travs de la cmara de arena.

IV. ELEMENTOS DE UN DESARENADORLos desarenadores estn compuestos por cinco partes, como se muestra en el esquema siguiente: Esquema de un Desarenador de lavado intermitente Transicin de entradaLa cual une el canal con el desarenador.

Cmara de sedimentacinEn la cual las partculas slidas caen al fondo, debido a la disminucin de la velocidad producida por el aumento de la seccin transversal. Segn Dubuat, las velocidades lmites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son:Para la arcilla 0,081 m/s.

Para la arena fina0,16 m/s.

Para la arena gruesa0,216 m/s.

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

VertederoAl 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 desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. Tambin mientras ms pequea es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensin arrastra. La velocidad lmite es 1 m/s, para evitar turbulencias.De la ecuacin de un vertedero rectangular sin contracciones:

Donde:

Si el rea hidrulica sobre vertedor es:

la velocidad ser :

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 contina 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 las aleja del vertedero.

Compuerta de lavadoSirve 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 no se incluye en el tirante de clculo, si no que el volumen adicional se lo toma como depsito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos.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. 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 los 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 est vaca la cmara, se abren 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 la o las compuertas este ms alto que el punto del ro 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 que 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 ideal, obligando desplazarlo aguas abajo en el canal.

Canal directoPor el cual se da servicio mientras se est 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 su contorno, permite que el servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada se colocan dos compuertas, una de entrada al desarenador y otra al canal directo.En el 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.V. ESTUDIOS IMPORTANTESActas de la Conferencia Internacional de 2013 sobre la Mecnica, Fluidos, Calor, elasticidad y campos electromagnticos1.Investigacin sobre Dinmica de sedimentos y aguaEl flujo en una trampa de arena ConclusinEl estudio mostr que la trampa de arena para Golen Gol estacin de energa hidroelctrica con una dimensin de 100 metros x 7m x 8m, diseo capacidad de descarga de 10 m3/ s y sedimentos de carga de 0.279 kg / s puede realizar satisfactoria. Los anlisis numricos mostraron que velocidad horizontal en el intervalo de 0,117 m / s a 0,123 m / s y velocidad vertical en el rango de -0,0168 m / s a -0,0161 m / s, ideal para la deposicin de tamao de partcula 0.2 mm podran alcanzarse en la regin de la cuenca de sedimentacin de la trampa de arena. Estas velocidades son ideales para el 100% de la deposicin de las partculas de sedimento de tamao 0.2 mm. Adems, la deposicin de sedimentos de partculas clases de 0,059, 0,108 tamao, 0,157 mm se encontr que era 36%, 75% y 95%, respectivamente. La eficiencia global de eliminacin fue de 90,4 por ciento.

2.Normalizacin de la ingeniera civil obras de pequeas centrales hidroelctricas

3.SIMULACIN NUMRICA DE UN NUEVO SISTEMA DE LAVADO SAND TRAPVI. DISEO DE UN DESARENADORCRITERIOS DE DISEO En general, a menor velocidad y mayor longitud del desarenador es mayor la eficiencia de decantacin. Lo mismo puede decirse con respecto a las partculas slidas. Mientras ms pequeas sean, su probabilidad de decantacin es menor. Las partculas muy finas, cuya forma se parece notoriamente de la esfrica, decantan ms difcilmente. Se trabaja con valores medios y por lo tanto hay que aceptar errores, que en algunos casos pueden ser de magnitud considerable. El diseo debe considerarse necesariamente el conocimiento detallado acerca del tipo de partculas slidas que se desea eliminar: tamao, cantidad y calidad. Es indispensable, el estudio de las propiedades fsicas de los slidos para obtener parmetros que sean tiles en el diseo. El periodo de diseo, teniendo en cuenta criterios econmicos y tcnicos es de 8 a 16 aos. 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. La relacin largo/ancho debe ser entre 10 y 20. La sedimentacin de arena fina (d 0,5; por lo tanto, no se encuentra en la zona de la ley de Stokes.

Se realiza un reajuste mediante la figura 4.46.

Trmino del dimetro:

Trmino de la velocidad de sedimentacin:

Luego Vs = 2.54 cm/seg.Comprobamos nuevamente:

Entonces se encuentra en la zona de transicin (ley de Allen).

- Se determina el coeficiente de arrastre:

Entonces la Velocidad de Sedimentacin ser:

Si se asume una eficiencia del 75%, de acuerdo con la figura 4.48 se adopta un coeficiente de seguridad igual a 1,75.

De tal manera que se obtiene el rea superficial As = 1.36 m2

- Se determina las dimensiones de largo, ancho y profundidad respetando los criterios de diseo.Largo: L = 5 mAncho: B = 0,5 mProfundidad: h = 0,4 mLuego la velocidad horizontal:

Se determina el valor de rugosidad de la cmara mediante:

Luego se ingresa a la figura 4.49, de donde se tiene f = 0,027.

- Se determina la velocidad de desplazamiento o resuspensin:

Lo que indica que no habr resuspensin pues Vd > Vh .- Se determina el periodo de retencin:

Se determina la longitud del tramo de transicin.

L = 0.25 m

Ejemplo 02

Se debe disear un desarenador para un Qmaximo, de grano de 0.3 mm cuando el caudal de toma es 0.5 m3/s, para una temperatura de agua de 10 C, dado el ancho del canal igual a 1.50 m, peso especifico del grano 2.65 g/ cm3

Solucin:Datos:S = 2.65 g/cm3 (peso especifico de los granos).d = 0.0003 m.Q = 0.5 m3/s.

= 0.00000132 m2/s, (viscosidad cinemtica de agua).

Paso 1) calcular Vs, asumir flujo laminar:

Para rgimen en transicin se tiene:

Re (Dato)Cd (2)Vs (m/s) (1)Re (3)

1.00027.3400.0173.908

3.9008.0130.0327.219

7.2194.7810.0419.346

9.3463.8890.04610.362

10.3623.5880.04710.788

10.7883.4780.04810.958

Paso 2) clculo de las dimensiones del tanque. Q = V* rea = V* b h

L= longitud, aplicando la teora de simple sedimentacin.Donde: h=0.8m, asumido

(tal que a=44 para d=0.3mm)

Entonces las dimensiones del tanque son:L=4.00m b=2.60m h=0.80m

Tiempo de sedimentacin

Volumen de agua:

Verificar la capacidad del tanque:

Calculo de la longitud del desarenador L, con turbulencia:

Entoces:

Paso 3) clculo Longitud de transicin:

, T1 en la seccin del canal, T2 ancho del desarenador.

Entonces:

Paso 4) clculo de la longitud del vertedero. , dada la ecuacin de vertederos con C=2 (para perfil tipo creager). Asumir h=0.15m (altura de carga sobre el vertedero)

Entonces:

Ahora calculamos el valor de con la ecuacin:

Calculo de R:

Entonces la longitud total del desarenador es:

Paso 5) clculo de la cada de fondo: dado S = 2%

Paso 6) Clculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado:

Entonces:

Paso 7) clculo de la altura de cresta del vertedero con respecto al fondo:

, sustituyendo: ,

Paso 8) clculo de las dimensiones de la compuerta de lavado: ecuacin para orificios.

Para un orificio cuadrado ,

sustituyendo en la ec. De orificios para un (orificio de pared delgada):Se tiene:

Resolviendo

Tomar:

Entonces la velocidad de salida:

, este valor est dentro de los permitidos entre 3 a 5 m/s, entonces todas las partes del desarenador estn diseadas.