17/05/20121 IRRIGACION Y DRENAJE DESARENADORES Ing. Walter La Madrid Ochoa M.Sc.
[email protected] Desarenadores Las bocatomas se diseñan para evitar o minimizar la entrada de sedimento grueso al canal de derivación; pero no pueden prevenir la entrada de sedimento en suspensión, ese es el trabajo del desarenador. El desarenador trabaja basado en el hecho de que la arena tenderá a decantar si la velocidad del flujo es lo suficientemente baja, por ello esta estructura requiere de una expansión de la sección transversal para disminuir la velocidad del flujo. Un desarenador típico puede dividirse en varios canales o naves (7 en el desarenador mostrado abajo). Una vez que una nave esta llena de arena, una compuerta en el fondo se abre y un flujo de alta velocidad purga el sedimento. 17/05/2012 2 Desarenadores Un desarenador debe ubicarse inmediatamente aguas abajo de la bocatoma (como en San Gabán II); pero razones topográficas o geotécnicas pueden hacer que esto no sea posible, por lo que el desarenador deberá ubicarse en el canal de derivación. En ese caso, es necesaria una expansión desde el ancho angosto del canal al ancho mucho mayor del desarenador. Esta expansión tiende a inducir un flujo asimétrico en el desarenador, con consecuencias negativas para su funcionamiento. 17/05/2012 3 Desarenador de Chavimochic 7 naves y caudal de 90 m 3 /s 17/05/2012 4 PRESA DERIVADORA TRONERA SUR LA PRESA SE COLOCARA, EN CASO NO SE CONTRUYA EN UNA PRIMERA ETAPA EL EMBALSE DE TRONERA NORTE 17/05/2012 5 Desarenador de Majes Cuando este desarenador entró en funcionamiento en 1989, el agua fluía hacia aguas abajo en 2 de las 4 naves, en una nave el agua permanecía casi estancada y en la restante, el agua regresaba y se movía hacia aguas arriba. 17/05/2012 6 Quiroz es una pequeña hidroeléctrica en el norte del Perú que tiene un desarenador de una sola nave, que parece ser muy simple; sin embargo, un complejo patrón asimétrico también se produce en este caso. Las fotografías muestran las trazas de papel picado que flota y se concentra en un lado. Cuando se introduce un muro divisorio en la expansión, el flujo se vuelve simétrico. Desarenador QUIROZ 17/05/2012 7 v s = velocidad de sedimentación C d = coeficiente de arrastre d = diámetro de la partícula P = peso de la partícula E = empuje del agua sobre la partícula R e = número de Reynolds SEDIMENTACION g( s / - 1)d R e = C d 4/3 v s = v s d v s F r P E d R e C d 0.3 80.00 0.5 49.50 t * 10 6 1 26.50 º C m 2 /s 2 14.60 0 1.790 3 10.40 5 1.517 5 6.90 10 1.310 7 5.30 15 1.140 10 4.10 20 1.004 20 2.55 25 0.884 30 2.00 30 0.805 50 1.50 40 0.652 100 1.07 50 0.556 200 0.77 70 0.423 300 0.65 80 0.369 700 0.55 100 0.296 1,000 0.46 2,000 0.42 3,000 0.40 10,000 0.39 viscosidad cinemática del agua zona de retención de partículas zona de entrada zona de salida zona de sedimentación L H B v F v s A s Q y y = Número de Reynolds R e = v s d v s = d R e v F v s L H = v F v s L H = Q v F HB = Q v s L B = Q v s L B = g( s / - 1)d C d 4/3 v s = L B v s B CALCULO DE LA LONGITUD DE UN DESARENADOR DESARENADOR IDEAL - MODELO DE HAZEN Y CAMP VELOCIDAD DE SEDIMENTACION 17/05/2012 8 DISEÑO HIDRÁULICO • Caudal de diseño: 36 m3/s. • Deberá atrapar el 90% de partículas mayores de 0,3 mm. • Deberá atrapar el 99,9% de partículas mayores de 0,5 mm. • El desarenador será con sistema de purga discontinua, con dos naves para asegurar que el flujo máximo se mantendrá durante el lavado de una de las naves. • El desarenador incluirá un sistema de lavado (flushing) automático servo- asistido con una compuerta de entrada y una de salida en cada nave para control del flujo. Además de una salida hacia el Río. DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA SECCIÓN TRANSVERSAL La tasa de remoción del sedimento depende principalmente de la velocidad de sedimentación de las partículas, de la velocidad del flujo y de la profundidad de la nave. La razón entre el ancho y la profundidad, de la nave, no debiera ser menor que 1. Una razón recomendable es de 1,5 a 2,0 (B/H). El requerimiento de área de la sección transversal puede ser determinada mediante la siguiente relación propuesta por Camps: A = Q/(0.44d 1/2 ) Donde: Q: Caudal de diseño de la nave (m³/s) d: diámetro de la partícula a sedimentar en mm 17/05/2012 9 Considerando el área obtenida con la relación anterior y una velocidad igual a v=0,44d½, la resuspensión del material no ocurrirá. Evaluando la expresión anterior para un caudal igual a 18 m³/s se tiene que: A=77,7 Adoptando las siguientes dimensiones para el desarenador: B=11, 5 H=7 B/H=1,64 LONGITUD DEL DESARENADOR El cálculo de la longitud del desarenador se realiza considerando el efecto de la turbulencia del flujo mediante la siguiente relación: La velocidad de sedimentación de una partícula con d=0,3 mm para t=20 ºC se obtiene del gráfico siguiente: 17/05/2012 10 Figura 1: Velocidad de sedimentación de las partículas w=3,5 cm/s v=0,223 m/s Rh= 3,157 m n= 0,014 u* = 0,008 L= 57,81 Se adopta una longitud de 58 m para la cámara del desarenador. CÁLCULO DE LA EFICIENCIADEL DESARENADOR Para determinar la eficiencia del desarenador se utiliza el gráfico de Camp´s presentado a continuación: Figura 2: Diagrama de Camp´s 17/05/2012 11 Para la aplicación de la figura anterior se deben calcular los siguientes parámetros: ε = 0,075 H (f /8) 1/ 2 V Donde: ε: Coeficiente de difusión f: Factor de fricción de Darcy-Weisbach (f=0,024) V: Velocidad media del escurrimiento ε= 0,0064 Por lo tanto la abscisa es igual a: Adicionalmente se debe determinar el cociente w/vs donde vs es la carga superficial: vs= Q/L*B vs= 0,0282 w/vs=1,24 Por lo tanto la tasa de remoción para d=0,3 mm es R=97 % Para una partícula de d=0,5 mm, la velocidad de sedimentación es igual a w = 6cm/s. Por lo tanto, w/vs=2,12 y la eficiencia del desarenador es del 100 %. VERIFICACIÓN DE LA RESUSPENSIÓN Para verificar que no ocurra resuspensión del sedimento el esfuerzo de corte del escurrimiento debe ser menor que el crítico. 17/05/2012 12 CRITERIOS DE TENSION DE ARRASTRE 17/05/2012 13 Figura 3: Diagrama de Shields 17/05/2012 14 Por lo tanto, τc = 0,036 kg/m2. Finalmente, se verifica que τ<τc lo que demuestra que no se producirá arrastre del material sedimentado. Relación entre diámetro de las partículas y velocidad de sedimentación. 17/05/2012 15 DENSIDAD Y VISCOSIDAD DEL AGUA Gracias por su atención Prof. Walter La Madrid
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