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[editar] Desarenadores

• Definición

Estas unidades tienen por objeto remover la arena, la gravilla y las partículas minerales más o menos finas que acarrea el agua cruda , con el fin de evitar que se depositen en los canales y conductos. Asimismo , buscan proteger las bombas y otros equipos de la abrasión y evitar que este material rellene las unidades de tratamiento restándoles capacidad. Los desarenadores normalmente están compuestos por cuatro zonas: o Entrada o Zona de sedimentación o Salida o Zona de depósito de lodos

• Zona de entrada

Cámara donde se disipa la energía del agua que llega con alguna velocidad de la captación. En esta zona se orientan las líneas de corriente mediante un dispositivo denominado pantalla deflectora, a fin de eliminar turbulencias en la zona de sedimentación, evitar chorros que puedan provocar movimientos rotacionales de la masa líquida y distribuir el afluente de la manera más uniforme posible en el área transversal. En esta zona se encuentran dos estructuras: 1. Vertedero de exceso: se coloca generalmente en una de las paredes paralelas a la dirección de entrada del flujo y tiene como función evacuar el exceso de caudal que transporta la línea de aducción en épocas de aguas altas. Si no se evacúa el caudal excedente, por continuidad, aumenta el régimen de velocidad en la zona de sedimentación y con ello se disminuye la eficiencia del reactor. Se debe diseñar para evacuar la totalidad del caudal que pueda transportar la línea de aducción, cuando se dé la eventualidad de tener que evacuar toda el agua presente. 2. Pantalla deflectora: separa la zona de entrada y la zona de sedimentación, en ella se realizan ranuras u orificios, de acuerdo con el diseño, a través de los cuales el agua pasa con un régimen de velocidades adecuado para que ocurra la sedimentación, no debe sobrepasar de 0,3 m/s. Los orificios pueden ser circulares, cuadrados o rectangulares, siendo los primeros los más adecuados.

[editar] Zona de sedimentación

Sus características de régimen de flujo permiten la remoción de los sólidos del agua. La teoría de funcionamiento de la zona de sedimentación se basa en las siguientes suposiciones: Asentamiento sucede como lo haría en un recipiente con fluido en reposo de la misma profundidad. La concentración de las partículas a la entrada de la zona de sedimentación es homogénea, es decir, la concentración de partículas en suspensión de cada tamaño es uniforme en toda la sección transversal perpendicular al flujo. La velocidad horizontal del fluido está por debajo de la velocidad de arrastre de los lodos, una vez que la partícula llegue al fondo, permanece allí. La velocidad de las partículas en el desarenador es una línea recta. En esta zona se encuentra la siguiente estructura:

• Cortina para sólidos flotantes: es una vigueta que se coloca en la zona de sedimentación, cuya función es producir la precipitación al fondo del desarenador de las partículas o sólidos como hojas y palos que pueden escapar a la acción desarenadora del reactor.
• Zona de lodos: recibe y almacena los lodos sedimentados que se depositan en el fondo del desarenador. Entre el 60% y el 90% queda almacenado en el primer tercio de su longitud. En su diseño deben tenerse en cuenta dos aspectos: la forma de remoción de lodos y la velocidad horizontal del agua del fondo, pues si esta es grande las partículas asentadas pueden ser suspendidas de nuevo en el flujo y llevadas al afluente.
• Zona de salida: esta zona tiene por objeto mantener uniformemente distribuido el flujo a la salida de la zona de sedimentación, para mantener uniforme la velocidad.

El tipo de estructura de salida determina en buena parte la mayor o menor proporción de partículas que pueden ser puestas en suspensión en el flujo. Existe una gran variedad de estructuras de salida, las cuales podríamos clasificar en: vertederos de rebose, canaletas de rebose, orificios (circulares o cuadrados)

• Descripción: normalmente tienen forma rectangular y pueden estar constituidos por una sola unidad con un canal de desviación o por varias unidades en paralelo . Esta última distribución es la más conveniente , porque permite alternar la operación de las unidades durante la limpieza.

[editar] Causas del desgaste del equipo mecánico

Las principales causas del desgaste de las máquinas de las centrales hidráulicas, según N.Faletti, son las siguientes:

a.- Erosión mecánica o de abrasión. b.- Corrosión química y electroquímica . c.- Corrosión por efecto de la cavitación.

[editar] Erosión mecánica o de abrasión

La erosión mecánica se debe principalmente a la acción de los granos de arena sobre las superficies metálicas de los equipos mecánicos bajo la presión de agua. Esta deformación se presenta en forma de gradas en las agujas y boquillas de las turbinas .

[editar] Corrosión química y electroquímica

La corrosión química es causada por la acción de ácidos provenientes de las sales contenidas en las aguas y se intensifica con el comportamiento electro químico de la composición de los diferentes materiales con los que son fabricadas las turbinas( bronce al níquel, acero al carbono u otros ).

[editar] Corrosión por efecto de la cavitación

Cuando la temperatura del agua alcanza la tensión del vapor se forman bolas gaseosas que en contacto con las superficies metálicas deterioradas por la causas anteriores producen la llamada corrosión por cavitación.

Los desgastes anteriores hacen necesario que se instale en la misma toma o aguas abajo estructuras llamadas desgravadores , con objeto de evacuar los materiales gruesos transportados por el agua y de desarenadores para eliminar las partículas finas que están en suspensión en el agua. La eliminación de los sedimentos en suspensión son más exigentes, en los proyectos de plantas de tratamiento para potabilizar el agua y en las Centrales Hidroeléctricas de alta caída.

Son menos exigentes en los proyectos de riego donde, puede ser conveniente en algunos casos conducir en los primeros años sedimentos finos para mejorar los suelos arenosos especialmente en los proyectos de la costa peruana que tiene extensos arenales. Es usual diseñar los desarenadores para eliminar un limite inferior de tamaño de las partículas, sin embargo es mejor controlar el grado de eficiencia del desarenamiento, ( relación entre la concentración después y antes de la desarenación ).

[editar] Estudios necesarios para el diseño del Desarenador

Durante el periodo de avenidas, las aguas de los ríos transportan material sólido en suspensión y de fondo que fluctúan entre el 80% y el 90% del total del año. En ese lapso de tiempo las turbinas de las centrales hidroeléctricas sufren el desgaste prematuro y acelerado de sus piezas metálicas , igualmente en esos periodos los vasos de almacenamiento reducen su capacidad y vida útil y los canales de irrigación se colmatan de sedimentos o en el peor de los casos se erosionan y en otros quedan inhabilitados.

Con el objeto de escoger el tipo mas conveniente de desarenador se efectúan los siguientes estudios de :

[editar] Topografía

Los desarenadores requieren áreas planas para la ubicación de sus diversas estructuras , como de suficiente altura para instalar las pozas y conductos de purga para la eliminación de los sedimentos (6 a 10 m encima del río). Las áreas de ubicación de estas estructuras para su operación inspección , y mantenimiento deben ser de fácil acceso.

[editar] Geología

Para la selección del tipo de desarenador se realizan estudios geológicos y de mecánica de suelos para conocer las formaciones geológicas y las propiedades de los terrenos y del material rocoso en una profundidad de 10 m En el caso de una cimentación con material sueltos se prefieren el diseño de pozas profundas , en materiales duros o rocosos serán convenientes pozas de poca profundidad para disminuir costos.

[editar] Hidrológica

La información hidrológica debe referirse al periodo de avenidas y a las mediciones de sedimentos para conocer los volúmenes en suspensión y de los sólidos de fondo que transporta el río.

[editar] Análisis de Sólidos

El análisis mineralógico de los sólidos en suspensión y de los sólidos de fondo es muy importante para el diseño de las estructuras de evacuación de los sólidos contenidos en las aguas. Es igualmente importante conocer la granulometría y las características de las partículas minerales especialmente los de alta dureza ( mayores de 5 en la escala de Mho).

[editar] Análisis del uso del agua

Depende de los sistemas hidráulicos y del uso del agua la eliminación de un determinado diámetro de partículas . En el caso de las plantas de tratamiento de agua potable , la turbiedad del agua debe ser mínima por lo cual además de los desarenadores se usan floculadores . En el caso de los proyectos de irrigación basta eliminar partículas mayores de 0,5 mm, dado que podía ser aconsejable en algunos casos el transportar arcillas y limos para mejorar los suelos de áreas desérticas. En cambio en los proyectos de hidroeléctricas de alta caída el desgaste de rodetes, agujas y turbinas ocasiona gastos de mantenimiento importantes, por lo cual se prefiere eliminar materiales finos hasta de 0,1 mm

[editar] Funciones de los Desarenadores

El desarenador es una estructura que ayuda a potabilizar el agua de consumo humano, mediante la eliminación de partículas en suspensión , esta misma función se considera , en los aprovechamientos hidroeléctricos y en el riego, dado que se evita cuantiosos daños en las estructuras. La eliminación de los materiales acarreados en un flujo comprende dos tareas que deben realizar los desarenadores:

[editar] Decantación de los materiales en suspensión

La primera etapa se efectúa obligado a los filetes de agua a fluir con una velocidad baja, de tal manera que el flujo pierda su capacidad de transporte y decante los materiales en suspensión .

[editar] Evacuación de los materiales depositados

La segunda etapa consiste en eliminar los materiales depositados , al inicio esta acción se realizaba por medios mecánicos ( palas mecánicas). En la actualidad se eliminan los materiales gruesos aprovechando la misma energía del agua. Los desarenadores propiamente dichos son estructuras hidráulicas donde las dos operaciones de efectúan , tanto la de decantación como la eliminación de los materiales depositados en forma simultanea. Los desgravadores son también llamados trampas de piedras se diseñan con el objeto de eliminar principalmente las piedras que pudieran haber sido transportadas hasta el canal de derivación.

[editar] Clasificación de los Desarenadores

[editar] Desarenadores de Flujos Lentos

Cuando tienen velocidades de escurrimiento bajas (velocidades entre 0,20 a 0,60 m/s), estas velocidades permiten eliminar partículas hasta de 0,1 mm

[editar] Desarenadores de Flujos Rápidos

Cuando tienen velocidades que varían entre los 0,6 a 1,50 m/s, que permiten eliminar partículas hasta de 0,5 mm

[editar] Desarenadores Continuos

Cuando los sistemas de las operaciones del decantado y eliminación de sedimentos son continuos.

[editar] Desarenadores Discontinuos

Cuando las operaciones de decantado son previas y la eliminación de sólidos son a intervalos.

• - De pozas en serie

Cuando las pozas se ubican una después de otra.

• - De pozas en paralelo

Cuando las pozas se ubican una al costado de la otra.

[editar] Ubicación de los orificios de purga

• - Desarenadores de orificios frontales:

De orificios laterales y de orificios de fondo.

• - Desarenadores llamados de arrastre:

De decantación repartida y mixtos.

[editar] Ecuaciones básicas para el Diseño de los Desarenadores

De acuerdo a la teoría simple de sedimentación (w) es la velocidad de caída de las partículas en aguas tranquilas y (v) la velocidad critica de sedimentación , que depende del tamaño de los granos.

Los principales elementos por determinar son:

• Longitud de Caída: la longitud de caída de una partícula se relaciona con las anteriores velocidades y se expresa:

l = h x v / w

Para relacionar la anterior ecuación con las dimensiones mínimas del tanque de sedimentación tendremos que el caudal por unidad de tiempo será :

Q = b x h x v luego l = f ( b , h , v , w )

[editar] Velocidad de Sedimentación

Sellerio demostró la implicabilidad de la Ley de Stokes para la precipitación de partículas mayores de 0,1 mm. En esta ecuación la velocidad de sedimentación w, queda relacionada según estudios de Sudry , por el peso especifico del agua con cierta concentración de sedimentos , el diámetro de las partículas a precipitar , dando la velocidad de sedimentación en cm/s

En la tesis del Ing. Julio M. Kuroiwa Z , se demostró que en bajas velocidades la decantación de las partículas disminuyen en temperaturas bajas. Igualmente que la forma de la partícula influía.

[editar] Velocidad Critica del Flujo

La velocidad critica (v) de las partículas depende del tamaño de estas tal como se expresa con la fórmula de Camp cuya expresión de la velocidad critica es :

v = a √ d ( en cm/s) El coeficiente a tienen los valores mostrados en el sig. cuadro.

COEFICIENTES DE CAMP a d (mm) 36 > 1 44 1 – 0,2 51 < 0,1

[editar] Fórmula de Velikanov

Teniendo en cuenta el efecto retardador de la turbulencia que hace más lenta la decantación en agua fluyente la longitud de caída de las partículas según Velikanov es:

L = λ² v² ( √ h – 0.2 ) ² / 7.51 w²

Donde : h : altura de caída de las partículas en la poza. λ : depende de la relación de concentraciones antes y después de la sedimentación .

[editar] Fórmula de Bestelli Buchi

Según Bestelli Buchi la longitud de la poza de un desarenador viene dad por la fórmula:

L = v x b / w – w1

Donde : W1 = C v y

C = 0,132 / h ½

[editar] Normas Rusas

Se puede relacionar el grado de desarenamiento o garantía de precipitación en % ( W ) con curvas de función w / v , que permiten deducir la relación h/L y fijar las dimensiones del desarenador. Se recomienda utilizar eficiencias entre 95 y 98 %. Ver Fig N° 58

En general las pozas largas y anchas son más económicas , que las pozas profundas , se refiere tirantes entre 1,5 y 4 metros (altura poza útil) y velocidades menores de 0,60 m/s

[editar] Diámetro de Partículas por Eliminar

En los proyectos de riego generalmente es suficiente eliminar partículas mayores de 0,5 mm , y algunas veces es conveniente transportar materiales finos con diámetros menores con la finalidad de mejorar los suelos del proyecto. En desarenadores para centrales hidroeléctricas se consideran los criterios mostrados en las siguientes tablas :

Cuadro N° 19

EN FUNCIÓN DE LA ALTURA DE CAÍDA DE LA CENTRAL

Altura caída diámetro partícula a eliminar mm (m) 100 200 0,6 200 300 0,5 300 500 0,3 500 1000 0,1

Otros diseñadores relacionan la partícula por eliminar según el tipo de turbina:

Cuadro N° 20

PARTÍCULA POR ELIMINAR SEGÚN TIPO DE TURBINA

Tipo de Turbina diámetro partícula a eliminar mm Kaplan 1 3 Francis 0,4 1 Pelton 0,2 0,4

Los canales de los desarenadotes deberán de limpiarse cada 8 días, las válvulas de flujo permiten mantener un canal habilitado para que el agua continué su recorrido y el otro inactivo para su servicio . Es importante contar con una pala para extraer las arenas, al igual, que con un bote para su retiro posterior. Debido a que el flujo de agua residual hacia la planta no es constante, se pueden aprovechar los tiempos muertos para realizar la limpieza del desarenador.

[editar] Diseño de Desarenadores

- Diseño de un desarenador Datos base: -caudal de entrada al desarenador -diámetro de la arena que se quiere eliminar -temperatura del agua

Determinación de las velocidades 

-máxima vh para evitar arrastres -vs de caída en aguas de reposo -velocidades ascensionales aceptables (m/h) en desarenadores, según Kalbskoff-Imhoff Diámetro (d) en mm Rendimiento sedimentación

• 100 % 90 % 85 %

0,16 12 16 20 0,20 17 28 36 0,25 27 45 58

- Sección transversal Líneas de corriente por condiciones de pared definidas así:

• 1 < a / h < 5
• a: sección h: altura útil

- Tiempo de retención Datos de sedimentación de partículas válidos en sedimentación libre para partículas de arena de densidad 2.65 d (cm) 0,005 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,10 0,20 0,30 0,50 1,00 Vc (cm/s) 0,2 0,7 2,3 4,0 5,6 7,2 15 27 35 47 74 Vc (cm/s) 0 0,5 1,7 3,0 4,0 5,0 11 21 26 33 - Vh (cm/s) 15 20 27 32 38 42 60 83 100 130 190

• d: diámetro de la partícula de arena
• Vc: velocidad de sedimentación para un fluido de velocidad horizontal nula
• Vc: velocidad de sedimentación para un fluido de velocidad horizontal Vh
• Vh: velocidad horizontal crítica de arrastre de la partícula depositada

- Decantabilidad de las arenas (% decantado) Velocidad del agua m/s Gruesos de granos (mm)

• > 2 1-2 0,5-1 0,25-0,5 0,2-0,25 0,15-0,2 < 0.15

0,01 0 0 0 0 0 3,3 17,3 0,02 0 0 0 0 8,5 21,7 92,7 0,03 0 0 0 24,9 59 98 100 0,04 0 0 0 34,4 64 100 100 0,05 0 0 0 37,6 68 100 100 0,06 0 0 0 45 72 100 100 0,07 0 0 Indicios 100 100 100 100 0,08 0 0 5 100 100 100 100

- Velocidad máxima de caída de la materia orgánica: 3-4 cm/s

- Fases para eliminación de grasas (desengrasador) Emulsión de grasas en el arenero mediante aireación. Velocidad ascensional de burbujas de grasas: 3 - 4 mm/s Separación de grasas residuales en balsas de decantación mediante raquetas superficiales Depósito único para desarenador - desengrasador No hay variaciones de velocidades de sedimentación de las arenas y de flotación de las partículas de grasa La arena depositada en el fondo del desarenador es más limpia por acción del aire comprimido añadido en la desemulsión para impedir la sedimentación de partículas de fango Aumenta el rendimiento de la flotación de grasas porque éstas disponen de más tiempo para ascender a superficie porque las partículas de arena descendentes interfieren en su camino La inyección de aire en desarenadores - desengrasadores (C) para evitar la sedimentación de materia orgánica se expresa en función de la superficie transversal del desarenador (S)

S (m²) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 C (m³/h/m) 4,5-10,5 6-11,5 705-13 9-14 10-15 12-17 13-18 15-19 16-20 18-21 19-22 21-23 22-25 C: m³ por hora de aire por metro de longitud del desarenador Se sugiere que el volumen de aire inyectado sea 1/4 del volumen de agua a depurar, para misión de desarenado, impidiendo la sedimentación de materia orgánica

[editar] Conclusiones

Para el diseño deben tenerse en cuenta algunas consideraciones como son: o Las partículas se toman como distribuidas uniformemente. o El flujo alrededor de las partículas es laminar. o Para un acueducto no debe pasar más del caudal máximo diario (QMD) por el desarenador o El vertedero de excesos debe evacuar el caudal en exceso al QMD.

Véase también: Desarenador

Fotografía desarenador C.H. Machupicchu je je je je je