Fase N°4 Diagnostico De Las Obras Hidráulicas De La Ptap

 CÁLCULO MEZCLA RAPIDA (CANALETA PARSHALL).

La canaleta Parshall cumple un doble propósito en las plantas de tratamiento de agua, de servir de medidor de caudales y en la turbulencia que se genera a la salida de la misma, servir de punto de aplicación de coagulantes. Es uno de los aforadores críticos más conocidos, introducida en 1920 por R.L. Parshall. En la Fig.20, se muestra esquemáticamente la canaleta, la cual consta de una contracción lateral que forma la garganta (W), y de una caída brusca en el fondo, en la longitud correspondiente a la garganta, seguida por un ascenso gradual coincidente con la parte divergente.18

La introducción de la caída en el piso de la canaleta produce flujo supercrítico a través de la garganta. La canaleta debe construirse de acuerdo con las dimensiones de la Tabla 11, para satisfacer correctamente la ecuación de cálculo. La canaleta Parshall es auto limpiante, tiene una pérdida de energía baja y opera con mucha exactitud en caudales bastante variables, requiriendo sólo una lectura de lámina de agua (Ha), en flujo libre.

A fin de que pueda utilizarse la canaleta con el propósito de mezclador rápido, debe cumplir los siguientes requisitos:Que no trabaje ahogada, o sea que la relación Hb/Ha no exceda los siguientes valores:

Ancho de garganta Máxima sumergencia (Hb/Ha)

7.5 (3”) a 22.9 (9”) 0.6

30.5 (1’) a 244 (8’) 0.7

305 (10’) a 1525 (50’) 0.8

Tabla9.Requerimientos de sumergencia

//Fuente: (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000)

18

62

Que la relación Ha/W este entre 0,4 y 0,8. La razón para esta condición es la de que la turbulencia del resalto no penetra en profundidad dentro de la masa de agua, dejando una capa, bajo el resalto, en que el flujo se transporta con un mínimo de agitación, como se ha podido constatar en experimentos de laboratorio. Al bajar Ha el espesor de esta capa se minimiza. El concepto de gradiente de velocidad de Camp no tiene aplicación en este caso.19

Que él numero de Froude esté comprendido entre estos dos rangos 1.7 a 2.5 o 4.5 a 9.0. Debe evitarse números entre 2.5 y 4.5 que producen un resalto inestable el cual no permanece en su posición, sino que siempre está cambiando de sitio, lo que dificulta la aplicación de coagulantes.

Figura 20.Dimensiones de la canaleta Parshall //Fuente; Romero Rojas

El análisis hidráulico teórico de la canaleta Parshall para saber si cumple con estas condiciones, esta solo parcialmente resuelto. Las ecuaciones que definen el

19

ROMERO ROJAS JAIRO ALBERTO. Potabilización del agua. 3ed.bogota: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2003. Pág 63,

63

resalto hidráulico en canales rectangulares, no se puede aplicar a este caso sin un cierto margen de error debido a que el efecto de la constricción de la garganta se suma al de los cambios de pendiente.

 Diseño canaleta Parshall

Para el diseño de una canaleta Parshall como mezclador, se utiliza el siguiente procedimiento. Acevedo Netto, partir de estudios empíricos determinaron diferentes limites de caudal en función del ancho de garganta de la canaleta, La Tabla 11, nos permite determinar el ancho de la garganta dentro de los rangos de caudales máximos y mínimos, esta determinación nos sirve cuando utilicemos la canaleta Parshall como aforador ya que como mezclador estará sujeta a la comprobación de la relación Ha /W.

Ancho W Límites de caudal (l/s) Q Mínimo Q Máximo 1’’ 0.28 5.67 2’’ 0.57 14.15 3’’ 0.85 28.31 6’’ 1.42 110.44 9’’ 2.58 252.00 12’’ 3.11 455.90 18’’ 4.24 696.50 24’’ 11.90 937.30 36’’ 17.27 1427.20 48’’ 36.81 1922.70 60’’ 45.31 2424.00 72’’ 73.62 2931.00

Tabla 10.Determinación del ancho W de la Parshall en función del caudal //Fuente: (Romero Rojas)

64

La Tabla 11 nos presenta las dimensiones típicas de medidores Parshall, a partir del ancho de garganta (W), calculado en la Tabla 10.

W (Cm) A B C D E F G K N 1” 2.5 36.6 35.6 9.3 16.8 22.9 7.6 20.3 1.9 2.9 3” 7.6 46.6 45.7 17.8 25.9 38.1 15.2 30.5 2.5 5.7 6” 15.2 62.1 61.0 39.4 40.3 45.7 30.5 61.0 7.6 11.4 9” 22.9 88.0 86.4 38.0 57.5 61.0 61.0 45.7 7.6 22.9 1’ 30.5 137.2 134.4 61.0 84.5 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 11/2’ 45.7 144.9 142.0 76.2 102.6 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 2’ 61.0 152.5 149.6 91.5 120.7 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 3’ 91.5 167.7 164.5 122.0 157.2 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 4’ 122.0 183.0 179.5 152.2 193.8 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 5’ 152.5 198.3 194.1 183.0 230.3 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 6’ 183.0 213.5 209.0 213.5 266.7 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 7’ 213.5 228.8 224.0 244.0 303.0 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 8’ 244.0 244.0 239.2 274.5 340.0 91.5 61.0 91.5 7.6 22.9 10’ 305.0 274.5 427.0 366.0 475.9 122.0 91.5 183.0 15.3 34.3

Tabla 11 Dimensiones típicas de Medidores Parshall (cm) (tomada de Acevedo)

//Fuente: Azevedo&Alvarez, 1976) Condiciones Hidráulicas de entrada

En donde K y N se determinan con la Tabla 12.

65 Unidades Métricas W K N 3” 0.176 1.547 6” 0.381 1.580 9” 0.535 1.530 1’ 0.690 1.522 1 ½’ 1.054 1.538 2’ 1.426 1.550 3’ 2.182 1.566 4’ 2.935 1.578 5’ 3.728 1.587 6’ 4.515 1.595 7’ 5.306 1.601 8 6.101 1.606 Tabla 12. Valores de K y n //Fuente: (Romero Rojas)

Criterios de diseño.

La Tabla 13, resume los criterios de diseño en cuanto a tiempo de retención y a gradiente de velocidad de la AWWA y del RAS 2000.

Criterio Tiempo de Rétention Gradiente de velocidad (s-1)

Awwa 20 1000

30 900

40 790

>40 700

RAS 2000 ≤ 60 500 – 2000

Tabla 13. Criterios de diseño para mezcladores rápidos

66

Además de estos criterios la RAS 2000, recomienda tener en cuenta los siguientes parámetros de diseño20:

 La velocidad mínima en la garganta debe ser mayor de 2 m/s.

 La velocidad mínima del efluente debe ser aproximadamente 0.75 m/s.  Ha/w debe estar entre 0.4 y 0.8. Donde Ha es la altura del agua y w es el

ancho de la canaleta.

 Su grado sumergencia por debajo 60% para w 6``o menores, y mayor 60%para w 9``

 Punto de aplicación del coagulante.  Gradiente entre 1000 y 2000 s-1

La aplicación de la solución de coagulante debe realizarse en el punto de mayor turbulencia.

Determinaciones La Lámina De Agua

𝑕𝑎 =𝑄

𝐾

1 _𝑛

Cálculo De La Canaleta En La Sección Media

𝑊𝑎 =2

3 𝐷 − 𝑊 + 𝑊

D=(Tabla 11).

Cálculo De La Velocidad En La Sección Media

𝑉𝑎 = 𝑄

𝑊𝑎 ∗ 𝑕𝑎

20

ROMERO ROJAS JAIRO ALBERTO. Potabilización del agua. 3ed.bogota: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2003. Pág 93

67 Cálculo De La Energía Total Disponible Sección 1-1 aplicando bernoulli

𝐸1 =𝑉𝑎

2

2𝑔 + 𝑕𝑎 + 𝑁

N(Tabla.12)

Cálculo De La Velocidad Antesdel Resalto Hidraulico

Sección 2-2 (Inmediatamente antes del resalto). aplicando bernoulli

𝐸2 =𝑉2

2

2𝑔 + 𝑕2

𝑉2 = 𝑄

𝑊 ∗ 𝑕2

Igualamos E1=E2 (despreciando las perdidas por fricción)

𝑉23 − 2𝐺 ∗ 𝑉2 ∗ 𝐸1 = −2𝑄𝑔

𝑊

Rresolviendo tenemos la V2

Determinación De La Lámina De Agua Antes Resalto

𝑕2 = 𝑄

𝑊 ∗ 𝑉2

Determinación De La Lámina De Agua En Resalto

𝑕𝑏 = 𝑕2 − 𝑁

Chequeo Grado De Sumergencia

𝑆 =𝐻𝑏

𝑕

S<0,6 cumple

CÁLCULO DE NUMERO DE FRODE Sección 3-3

68

𝐹2 = 𝑉2

2

𝑕2 ∗ 𝑔

F2 oscila 1,7-2,5 o 4,5-9. En caso de que no se encuentre en este intervalo, se recomienda colocar abajo una persina que se pueda graduar por un operario hasta lograr la estabilidad requerida, aunque se puede presentar rompimiento del micro flóculo formado previamente en el resalto de la canaleta.

Cálculo De La Lámina De Agua Al Fina Del Trecho Divergente

𝑕3 = 𝑕2

2 ( 1 + 8𝐹22− 1)

Cálculo De La Lámina De Agua Al Fina De La Canaleta h4=h3-(N-K)

Cálculo Del Tiempo Medio De La Mezcla

𝑡𝑑 = 𝐺` 𝑉𝑚 𝑉𝑚 =𝑉3 + 𝑉4 2 𝑉3 = 𝑄 𝑊 ∗ 𝑕3 𝑉4 = 𝑄 𝐶 ∗ 𝑕4 G` y C(tabla12)

Cálculo Del Gradiente De Velocidad21

𝐺 = 𝛾 ∗ ∆𝑕

𝜇 ∗ 𝑡𝑑

Cálculo De La Perdida De Carga ∆𝒉

Aplicando los principios de Bernoulli

21

http://datateca.unad.edu.co/

69 𝐸1 = 𝐸4 + ∆𝑕 ∆𝑕 = 𝑉𝑎 2 2𝑔 + 𝑕𝑎 + 𝑁 − 𝑉42 2𝑔 − 𝑕4 − (𝑁 − 𝐾)

Longitud De Desarrollo Del Resalto, L L=6(h3-h2)

 CALCULO FLOCULADOR HIDRAULICO FLUJO HORIZONTAL

Figura 21. Floculador Hidraulico flujo horizontal //fuente:Romero Rojas

Criterios de diseño del RAS 200022

 El tiempo de detención y el gradiente de velocidad deben determinarse a través de pruebas de laboratorio. El gradiente medio de velocidad ( G - ) debe estar entre 20 s-1 y 70 s-1 y el tiempo de detención (td) entre 20 y 30 minutos, deben determinarse en base a las pérdidas de carga y la longitud de trayectoria del flujo.

 El floculador debe diseñarse de manera que la velocidad del agua a través del tanque de 0.2 m/s a 0.6 m/s.

22

REGLAMENTO TECNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y SANEAMINETOBASICO TITULO C pag. 46

70 Cálculo De De La Camara De Entrada23

𝐴 = 𝑄/𝑉

Q=CAUDAL

V=velocidad de entrada (0,2 m/s)

Nivel Del Agua En El Canal De Entrada

𝑕 = (𝑄 ∗ 𝐶𝐹. 𝑀𝐴𝑁𝐼𝑁𝐺

𝑆

1 2

)

Cof. Maning= 0,013 S=Pendiente

Por seguridad se aumenta (10%-30%

de h)

Ancho

𝑏 = 𝐴/𝑕

Longitud Total LF=V*T

Area De Los Canales

𝐴 = 𝑄/𝑉

Separacion Entre Tabiques

𝑎 = 𝐴 𝑕 − 𝐵. 𝐿 B.L= Borde libre h= altura de placa 23

71 Espaciamiento Entre Los Extremos

𝑒 = 𝑎 ∗ 1,5

Longitud Efectiva Del Canal

𝐿 = 𝐴𝑛𝑐𝑕𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 − 𝑒 Numero De Canales 𝑁 =𝐿𝑐 𝐿 Radio Hidraulico 𝑅 = 𝐴 2(𝑕 − 𝐵. 𝐿) + 𝑎 Calculo De Perdidas Perdidas Localizadas K= constante empirica =3 N=numero de tabiques Perdidas Totales 𝑕𝑡 = 𝑕1 + 𝑕2 Gradiente De Velocidad24 24 Floculadoreshttp://datateca.unad.edu.co/http://datateca.unad.edu.co/ Diseno_de_Plantas_Potabilizadoras/leccin_20_canaleta_parshall.html

72

𝐺 = 𝛾 ∗ 𝑕𝑡

𝜇 ∗ 𝑡

 CÁLCULO SEDIMENTADOR Criterios de diseño del RAS 200025 Sedimentador de flujo ascendente

 Carga superficial. La carga superficial, como fue considerada anteriormente, es la relación entre el caudal que ingresa al sedimentador, Q y el área superficial A , esto es:La carga superficial debe estar entre 15 m3 /(m2 .día) y 30 m3 /(m2 .día)

𝐶𝑠 =𝑄

𝐴

 Período de retención. t de 2 – 4 horas.  Las profundidades fluctúan entre 4 y 5 m.

 Forma de los sedimentadores. Para tanques rectangulares, la relación entre longitud a ancho (L/B) entre 3:1 y 5:1.

 El sedimentador de flujo horizontal debe diseñarse de forma que permita una velocidad horizontal del flujo de agua de máximo 1 cm/s. Para el caso de que se utilice sulfato de aluminio, la velocidad horizontal optima podría ser alrededor de 0.5 cm/s o menos.

 Pendiente longitudinal: La pendiente longitudinal del fondo debe ser mayor al 2%.

 Número de unidades: En una planta deben existir por lo menos dos unidades. Para los niveles bajo y medio de complejidad, la planta de tratamiento debe tener como mínimo dos unidades.

25

REGLAMENTO TECNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y SANEAMINETOBASICO TITULO C pag. 50

73 Carga Superficial 𝐶𝑠 =𝑄 𝐴 Tiempo De Retención 𝑇𝑅𝐻 =𝐴 ∗ 𝐻 𝑄

Velocidad Horizontal De Flujo

𝑉𝑕 = 𝑄

𝐻 ∗ 𝐵

 CÁLCULO FILTROSRAPIDOS Criterios de diseño del RAS 200026

 La tasa de filtración de la unidad debe estar entre 120 - 300 m/d  Velocidad óptima de lavado 0.6 – 1.2 m/min13 – 20 mm/s  Numero mínimo de unidades 2

 Borde libre 0.2-0.3 (m)  Capa de agua 1-1.5 (m)

 Profundidad del medio 0,4-0,6(m) de antracita y 0.15-0.30(m) de arena  Altura del drenaje 0.3-0.5 (m)

Tasa De Filtración De Filtraciòn

𝑉𝑓 =𝑄 𝐴 Numero De Filtros 26 http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358040/Contenido_en_linea_Diseno_de_Plantas_Potabili zadoras/leccin_44_parmetros_de_diseo.html

74

𝑁 = 0,044 𝑄

Velocidad De Labado

75

In document Diagnóstico y evaluación de la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Guateque en el departamento de Boyacá Colombia (página 61-75)