Estructura que permite eliminar
ciertas partículas que se encuentran en suspensión en la masa fluida.
DEFINICIÓN
NECESIDAD DE UN
DESARENADOR
-
cuando el contenido de
materias en suspensión en el
agua del río es alto.
-
cuando los elementos de la
obra, tales como tubería de
presión,
ruedas
de
la
turbina, compuertas, etc.
deben ser protegidos contra
la abrasión por materias
duras en suspensión, como
arena.
-
eliminar las materias finas
de suspensión del agua,
protegiendo
así
los
elementos de la estructura.
Un desarenador ineficiente
genera :
Desgaste acelerado de turbinas de centrales hidroeléctricas
Obstrucción de sistemas de riego tecnificado
Erosión de estructuras hidráulicas posteriores al desarenado
Reducción de la capacidad de los canales con el consecuente riesgo de inundación .
Imposibilidad del consumo directo delagua, etc Alabes de la turbina Pelton de la CentralHidroeléctrica Cañón del Pato, donde se aprecia el desgaste producido por las características altamente abrasivas de los sólidos en suspensión.
Ubicación
El área de la localización debe ser suficientemente
extensa para permitir la ampliación de las unidades.
El sitio debe proporcionar suficiente seguridad a la
estructura y no debe presentar riesgo de inundaciones.
Garantizar que el sistema de limpieza pueda ser por
gravedad y que la longitud de desagüe de la tubería no
sea excesiva.
Lo más cerca posible del sitio de la captación.
El fondo de la estructura debe estar preferiblemente
por encima del nivel freático.
FUNCIONES
•
Lograr
decantación
de
las
partículas sólidas acarreadas en
suspensión por la corriente de
un canal.
•
Conseguir la purga del material
sólido decantado.
•
Se
busca
crear
en
el
desarenador velocidades bajas y
disminuir
el
grado
de
turbulencia.
Velocidades en el canal de ingreso y en las naves del desarenador Majes.
Desarenador Velocidad Canal de ingreso Velocidad en naves Desarenadoras Majes 3.1 m/s 0.5 m/s
Naves del desarenador Transición de entrada
Qe Qs
Transición de salida Naves del desarenador
Transición de entrada
Qe Qs
Naves del desarenador Transición de entrada Qe Qs Transición de salida
DESARENADORES
ELEMENTOS DE UN DESARENADOR 1. Canal de Ingreso 2. Transición de entrada. 3. Naves Desarenadoras 4. Transición de Salida 5. Sistema de Purga Deposición de sedimentos Canal de purga S %Criterios de diseño
La altura de agua en el desarenador
debe ser tal que no cause remanso en el canal de ingreso, de lo contrario provocaría sedimentación en el canal.
Se debe calcular correctamente la
De presentarse turbulencia y
vórtices en el desarenador, el valor de velocidad de caída disminuiría considerablemente y por consiguiente disminuiría la eficiencia.
El aumento de la Concentración de
sedimentos hace que el valor de velocidad de caída aumente, por lo que si tenemos valores de concentración en el desarenador
mayores a 2 gr/l, debemos
considerar una mayor longitud de naves desarenadoras.
Buena operación del desarenador:
si dejamos acumularse demasiados sedimentos dentro de la nave, estaríamos reduciendo el área de decantación por consiguiente el valor de la velocidad aumenta y disminuye la eficiencia.
La pendiente longitudinal de la
nave desarenadora debe ser
aproximadamente de 2% , lo cual garantiza una buena capacidad de arrastre de sedimentos depositados.
La elección del número de naves
• Continuidad
del
servicio
de
desarenado.
• Limpieza
hidráulica
del desarenador.
• Reglas de operación
simples.
• Razones económicas.
• Disponibilidad en el
mercado
de
compuertas y de su
Desarenador C. Hidroeléctrica CARHUAQUERO tiene un caudal de ingreso de 19m3/s, ceunta con dispositivos BIERI, 5 naves .EFICIENCIA DE UN DESARENADOR
• Condición fundamental de funcionamiento :eficiencia
requerida.
No se logra por
:
• Deficientes reglas de operación.• Las partículas que ingresan son de menor diámetro que el de diseño.
• Formación de vórtices a la entrada del desarenador.
• Poca longitud de las naves
• Formación de curvas de remanso.
• Mal diseño hidráulico y sedimentológico.
Vertederos al final de las naves. Estos obligan a que los caudales menores presenten remansos aguas arriba.
EFICIENCIA DE UN DESARENADOR
Muchos diseñadores utilizanfórmulas de velocidad de caída
que sólo está en función del diámetro de la partícula, lo que tiene la consecuencia de diseñar un desarenador con igual valor de velocidad de caída en Puno y en Piura.
Debido a esto, es frecuente encontrar que la mayoría de estructuras hidráulicas fallenpor errores en la
determinación de la longitud
de la nave desarenadora, causado por un mal cálculo de la velocidad de caída.
SALIDA DEL
DESARENADOR
SALIDA DEL
DESARENADOR
Se pueden observar los vertederos al final de las naves desarenadoras, antes de su cambio por secciones con orificios.
• Se ha hecho casi una regla que el desarenador tenga eficiencias cercanas al 75%, en condiciones y
concentración promedios y de 85
% en condiciones de
concentraciones altas.
• Para verificar la eficiencia es necesario tomar una muestra de agua al inicio y al final de la nave
desarenadora y determinar la concentración y curva granulométrica de los sedimentos. • Se observa que los sedimentos se
han depositado en la transición de salida, lo cual es un indicativo que el desarenador es muy corto, pero además que la geometría de dicha
transición no es adecuada.
Deposición de sedimentos aguas abajo de las naves desarenadoras causado por corta longitud de la transición de salida.
CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDUCTOS DE PURGA DE ALGUNOS DESARENADORES.
Desarenador Pendiente del Conducto de purga Caudal de purga (m3/s) San Gabán 2.5 % 3 Majes 2.0 % 5 Chavimochic 2.0 % 8 INGRESO INGRESO
El Desarenador Hidroeléctrica SAN GABAN tiene un caudal de ingreso de 19m3/s, cuenta con unas rejillas a la
entrada, desgravador, canales curvos, 4 naves .
•
Debe crearse las condiciones para lograr durante la purga suficientecapacidades de transporte y lograr que los sólidos sedimentados se dirijan hacia las ventanas, orificios y conductos de purga .
• Adicionalmente y para que la purga sea posible debe haber carga suficiente (desnivel) con respecto al río o lugar al que se descargan los sedimentos.
•
Si la descarga es, como ocurre
generalmente, a un río debe
verificarse la existencia de
desnivel suficiente durante las
avenidas, que es cuando por lo
general se presenta la mayor
cantidad de sólidos.
•El diseño debe considerar
necesariamente el conocimiento
detallado acera del tipo de
partículas sólidas que se desea
eliminar: tamaño, cantidad y
calidad.
Los desarenadores se diseñan para un
determinado diámetro de partículas,
es decir, que partículas de un
diámetro superior al escogido deben
decantarse. Para el dimensionamiento
del
desarenador
se
siguen
los
siguientes pasos:
I )
Seleccionar el diámetro de la partícula
Desarenadores con fines de irrigación :
Clasificación del suelo
por el tamaño de sus
partículas.
Desarenadores para centrales
Hidroeléctricas
II) • Determinar la velocidad horizontal Vd
Velocidad de suspensión teórica o
velocidad
máxima critica
de
sedimentación
de acuerdo
a
CAMP:
donde:
d = diámetro granular
III Determinar la velocidad de caída de la partícula (w)
STOKES
w,
es la velocidad de sedimentación de un grano en agua sin movimiento.d,
es el diámetro del mismo.F, fuerza que tienda a hacerlo moverse
n, coeficiente de viscosidad dinámica que ha sido comprobado para diámetros menores de 0,1 mm, como:
Siendo:
g, aceleración de la gravedad
R’, densidad del material a sedimentar
R, densidad del fluido donde se sedimenta el grano
HAZEN
Expuso en forma similar a la fórmula de STOKES, pero para diámetros mayores de 0,1 mm.
D, OWENS
Estudió experimentalmente la velocidad de caída de las partículas en agua calma , encontrando la formula :
d , diámetro del grano (m).
Y , Peso específico (gr/cm3).
K , es una constante que varia de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos.
SELLERIO
Demostró por experiencias con granos de arena en movimiento en el agua la inaplicabilidad de la ley de Stokes para diámetros mayores de 0,1 mm
SCOTTY-FOGLIENI
KREY
Para granos que caen en agua calma dedujo: Para granos de diámetro menor o igual a 2 mm.
Para diámetros mayores de 2 mm
d , el diámetro del grano.
BOSTERLI
Abaco que relaciona los tiempos de caída con las profundidades de sedimentación
GUICCIARDI
CORONADO FRANCISCO
Con arena del río Mantaro, en el Perú, de pesos específicos entre 2,69 gr./cc y 2,75 gr./cc y diámetros entre 0,149 mm. y 0,59 mm. estudió la sedimentación en agua tranquila
RUBEY
w : velocidad de caída ( m/seg)
s: densidad de la partícula ( kg/m3) : densidad del agua ( kg/m3)
u: viscosidad dinámica ( m2/seg)
d: diámetro de la partícula (m)
IV. Determinación de la profundidad del tanque : (H)
1 1.5 m H 4.00 m V.Longitud de sedimentador (L):
v L = (H x V)/W 2 2 36 3 2 d gd s d 6 TEORÍAS PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO
El grafico nos da el porcentaje de material que se deposita en el desarenador.
“W” es la velocidad de caída de los materiales en agua
calma,
“L” la longitud de caída,
V la velocidad media en el desarenador,
h, la altura de caída,
C, el coeficiente de la fórmula de Chezy,
g , la aceleración de la gravedad
Velikanov.
2 2 2 2 w 51 . 7 2 . 0 h v l Basándose en el cálculo de probabilidades determinó la longitud de sedimentación “l” en metros en flujo con turbulencia.
h, altura de caída en m
w, velocidad de sedimentación en agua calma en m/s
EGHIAZAROFF
h
V
W
3
.
2
7
.
5
'
LEVIN
W’ = α v
0.132 h v w h v h v w v h l 132 . 0 2 / 1 2 / 3 Utilizando Coeficientes de corrección “K”: L = K (h x v / w)DESARENADOR RACARUMI –
PROYECTO - TINAJONES
•Se ubica inmediatamente a la
Bocatoma Racarumi,y conduce al
Canal Alimentador un Caudal de
70 m
3/s. Cuenta con 6 naves, para
eliminar part
ículas mayores de 2
mm de di
ámetro, y un conducto de
Purga hacia el r
ío Chancay.
•PROBLEMÁTICA:
Actualmente
el
Canal
Alimentador
recibe
sedimentos del Desarenador, como
consecuencia
de
la
falta
de
eficiencia
del
sistema
y
el
significativo
arenamiento
que
existe
aguas
arriba
de
la
Bocatoma.
PROBLEMÁTICA EN
DESARENADORES
DESARENADOR DESAGUADERO
PROYECTO TINAJONES
• Caudal de 80 m
3/s. Cuenta al
ingreso con 4 compuertas y un
sistema
de
limpia
con
16
compuertas,
para
eliminar
part
ículas mediante un canal de
Purga
hacia
el
r
ío
Reque
(Chancay).
•PROBLEMÁTICA:
Actualmente
se encuentra inoperativa , con sus
pozas
colmatadas,
originando
problemas de sedimentaci
ón en los
canales
Taymi,
P
átapo,
Lambayeque y Obras de arte.
PROBLEMÁTICA EN
DESARENADORES
Compuertas de ingreso al Desarenador
PROBLEMÁTICA EN
DESARENADORES
DESARENADOR DESAGUADERO
Después de haberse
efectuado la Limpieza, se observan las naves y las compuertas de Limpia (1996).
PROBLEMÁTICA EN
DESARENADORES
DESARENADOR DESAGUADERO
Se observa la estructura totalmante arenada y con vegetación a lo largo de las naves.
¡ FIN DEL
TEMA !
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
SALTOS DE AGUA
Son estructuras de regulación
que disminuye el nivel del agua
a lo largo de su curso.
Para evitar rellenos excesivos,
el nivel del lecho del canal
aguas abajo se disminuye y los
dos
tramos
se
conectan
mediante una estructura de
caída apropiada .
La caída se localiza de tal manera que los rellenos y los
cortes del canal se equilibren en lo posible.
Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte
resultan con velocidades de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas admisibles para los materiales que se utilizan frecuentemente en su construcción.
Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente
se pueden utilizar combinaciones de CAíDAS SIMPLES, ESCALONADAS O RAPIDAS, según las variaciones del terreno.
Las rápidas son apropiadas cuando la pendiente del terreno
es superior al 30%. La estructura del canal debe ser fuerte, para soportar velocidades mayores de 6 m/s. Al final de la rampa se coloca un tanque disipador de energía.
Los disipadores de energía son estructuras que se diseñan para
generar pérdidas hidráulicas importantes en los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen supercrítico a subcrítico.
Las pérdidas de energía son ocasionadas por choque contra una
pantalla vertical en Disipadores de Impacto, por caídas consecutivas en Canales Escalonados, o por la formación de un resalto hidráulico en Disipadores de Tanque.
Las caídas del canal pueden utilizarse para desarrollos
hidroeléctricos, utilizando turbinas de tipo propulsión o bulbo.
En general, las caídas se colocan con una pared de cresta baja y
se subdividen en los siguientes tipos: (i) caída vertical, (ii) caída inclinada y (iii) caída en tubería.
CLASES DE CAÍDAS
CAIDAS VERTICALES
CAIDAS INCLINADAS
CAÍDAS VERTICALES:
CAÍDAS VERTICAL, propiamente dicha:
Criterios de Diseño
Se construyen, para
desniveles hasta 4 m
como máximo.
Para desniveles mayores la estructura puede
ser :
-
Una rápida o
El caudal vertiente en el borde superior de la caída Se calcula con la fórmula para caudal unitario “ q “
Siendo el caudal total:
1.5
1.48
q
H
1.5 2 2 3 Q
B g H
B
(Fórmula de Weisbach) = 0.50 = ancho de caída
La caída vertical se puede utilizar para medir la
cantidad de agua que vierte sobre ella si se
coloca un vertedero calibrado.
Por debajo de la lámina vertiente en la caída se
produce un depósito de agua de altura
que
aporta el impulso horizontal necesario para que el
chorro de agua marche hacia abajo.
27 . 0
3
.
4
)
xD
z
Ld
a
22 . 000
.
1
)
xD
z
Yp
b
425 . 154
.
0
1
)
xD
z
Y
c
27 . 066
.
1
2
)
xD
Z
Y
d
2
1
9
.
6
Y
Y
LJ
3 2 z g q D 2 3 06 . 1 c os Yc z Donde:Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:
a) contracción lateral completa en cresta vertiente, despojándose de este modo es espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lamina vertiente
5 . 1
1
.
0
Y
Yp
qw
qa
Donde:
qa= suministro de aire por metro de ancho de cresta
y= tirante normal aguas arriba de la caída
qw= máxima descarga unitaria sobre la caída
b) agujeros de ventilación
cuya capacidad se
suministros de aire en m
3/seg x m de ancho de
CAÍDAS VERTICALES CON OBSTÁCULOS PARA EL CHOQUE
Se ha desarrollado para saltos pequeños.
Pozas con obstáculos donde choca el agua de la lámina vertiente Se ha obtenido una buena disipación de energía.
Anchura y espaciamiento de los obstáculos = 0.4Yc Longitud mínima de la cubeta = Ld + 2.55Yc
H
xD
Ld
4
.
30
0.27 3 2gh
q
D
B
Q
q
Con las contracciones laterales : Q = CLH3/2
Sin las contracciones laterales:
g
p
h
h
Bh
Q
0
.
08
2
3
1050
1
605
.
0
3
2
3/2 Donde: B= ancho de la caídaQ= caudal de vertedero o caudal de la caída
P= el mínimo valor de P. será la diferencia de energías aguas
arriba de la cresta y en la cresta donde se produce Yc.
2
CAÍDAS INCLINADAS :
Se proyectan en tramos cortos de canal con
pendientes fuertes, causando serios daños por
erosión si no se pone un revestimiento apropiado.
Mediante el análisis hidráulico se verifican los
fenómenos del flujo.
Una caída inclinada se divide desde arriba hacia
abajo en las siguientes partes:
-
Transición de entrada con sección de control
-
Caída propiamente dicha
-
Colchón
La sección : Rectangular o trapezoidal.
La selección depende de las condiciones locales y en todo caso
del criterio del diseñador.
Sección de control
Finalidad: mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo Alcanzar la profundidad y velocidad critica.
Consiste en una variación de la sección del canal en el punto
donde se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente.
La energía en el canal aguas arriba debe ser igual a la energía
en el punto donde se inicia la caída.
TRANSICION DE ENTRADA CAIDA PROPIAMENTE DICHA DESNIVEL ENTRE FONDO Y CRESTA
Criterios de diseño en caídas inclinadas: Sección
rectangular.
- La rampa inclinada en sentido longitudinal (talud): 1.5:1 a 2:1 -La inclinación no debe ser menor a la del ángulo de reposo del
material confinado.
- El ancho de la caída B y el Caudal Q obedecen a las mismas fórmulas de la caída vertical.
-Es muy importante tener en cuenta la subpresión para luego tener en cuenta par calcular el número de lloradores.
TRANSICION DE ENTRADA CAIDA PROPIAMENTE DICHA DESNIVEL ENTRE FONDO Y CRESTA
CAIDA MOCHUMÍ
Proceso Constructivo
CAIDA MOCHUMÍ
Proceso
CAIDA MOCHUMÍ
Proceso Constructivo
-CAIDA MOCHUMÍ
En
CAIDA MOCHUMÍ
En Funcionamiento
GRADAS
ESCALONADAS
Objetivo:
reducir desniveles
generalmente
mayores que
cuatro metros.
Tipos:
Las de
escalera simple
Las
de
escalera
con
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
A)
INFORMACION BASICA
:
Parámetros que influyen en el diseño y
construcción de la estructura:
Datos topográficos de la zona :
Desnivel vertical
Longitud horizontal
Pendiente promedio y
Tipo de terreno.
DISEÑO HIDRAULICO
Número de saltos en los que se divide el desnivel total
Consideraciones económicas•Así el desnivel total queda dividido en varios tramos verticales iguales, cada uno de un valor Za.
•La carga H de agua sobre el vertedero :
Q = C b H
3/2C = coeficiente = 1.8 - 2.0 (forma vertedero)
B = ancho de la rápida constante en toda su longitud.
El agua cae con un movimiento acelerado contrayéndose gradualmente el grueso del chorro, junto al fondo del cajón este grueso o calado contraído d1 está dado por la ecuaciónsiendo
T = H +Y1 + Zb
Dentro del cajón, el agua pasa de régimen supercrítico al régimen subcrítico, mediante la formación de un resalto, cuyos calados conjugados son d1 y d2.
Sí el desnivel total queda dividido en varios tramos verticales iguales, cada uno de un valor Za..
)
(
2
/
1 1g
T
d
b
Q
d
Según VA Shaumian, (Bibl. 8-3) para que el resallo se sumerja es suficiente que s
H + Y2 > 0.9 d2 ; siempre que Y2 > 0.25 d2
La longitud mínima del cajón: L = Lp + Lr
Lp = Longitud de la parábola
Lr = Longitud para que se forme el resalto.
Se obtiene de la mecánica que
Los valores están dados por
Y = Zb + 0.5 hb + Y1
V = Q/b hBg
y
Lp
2
/
Tomando en cuenta tos siguientes datos experimentales:
Para el perfil hidrodinámico hB = 0,74 Ho, C = 2,2
Para el vertedero pared delgada hB = 0,67 Ho, C = 1.9
y reemplazando valores, se llega a un resultado prácticamente igual para los dos
Lp = 1,04q1/3
siendo q = Q/b
Para el caso de que no existiera vertedero a la entrada (Y1 = 0) y el agua cayera sin esta obstrucción, se tiene que según H. Rouse
hB = 0,715 d crítico o haciendo los reemplazos correspondientes
hB = 0.334 q 2/3 3 / 2 1)
0
,
22
(
Zb
Y
q
3 / 2 167 , 0 2b q
Siguiendo un desarrollo similar al anterior se llega
Lp =1,35q1/3
Según Agroskin
hB = 0,308q2/3y se llega a un resultado final algo diferente
Lp = 1,46 q1/3
La longitud necesaria para la formación del resalto segúnShaumian es igual a :
LR = 3,2 d2 3 / 2 167 , 0 2b q 3 / 2154
,
0
2
b
q
LA CASCADA
CANAL ALIMENTADOR
B) Ejemplo de Diseño
Se tiene una ladera de 12 m de altura y 30 de
longitud, en la que de-be construirse una rápida para
un caudal de 6 m3/s. El canal de llegada y de salida
es rectangular y tiene 2 m de ancho y el agua va con
un tirante de 2m.
La carga sobre el vertedero para un valor de C = 2
da:
Se tiene una ladera de 12 m de altura y 30 de longitud,
en la que de-be construirse una rápida para un caudal de 6 m3/s.
El canal de llegada y de salida es rectangular y tiene 2 m de ancho
y el agua va con un tirante de 2m.
Solución:
La altura total se divide en cuatro partes y se tiene Za = 12/4 = 3 m. La carga sobre el vertedero para un valor de C = 2 da:
6 = 2 x 2 H 3/2 H = 1,31 m
de aquí
Teorema de Bernoulli.
d
1+ V
12/2g= 0.3 +2 + V
22
/2g
d
1+ 0.459/d
12= 2.56
Asumimos un valor de
Zb = Za = 3 m
T = 1,31 + 0,69 + 3 = 5 m
d
1= 0,314 d
2= 2,27 0,9 x 2,27 = 2,04 > 2
Como el valor de la segunda conjugada del resalto
excede del valor admisible, debe repetirse el
cálculo.
Se asume un valor de Zb a; 3,3 m
Como la distancia vertical entre los vertederos
sigue igual 3 m, el valor Y
2aumenta a 0,99 m.
El valor Zb es igual a 3 m. para el 2°, 3° y 4°
cajones
0,9 d2 = 2,08 que es menor que la profundidad del cajón
de 2,30 m.
Se cumple también la condición de:
P
2= 0,99 > 0,25 d
2= 0,58.
El
primero, segundo y tercer cajón son iguales
en sus
dimensiones.
El cuarto cajón se conecta directamente al canal de
salida, y no tiene por lo tanto
vertedero frontal.
En la entrada al canal se produce una pérdida que se
La Longitud necesaria de cada cajón está dada por la suma de las longitudes de la parábola del chorro que cae Lp y de la longitud Lr
necesaria para la formación del resalto.
Lp = 1,04 x 31/3 (3 + 0,99 + 0,22 x 32/3)1/2 = 6.67 m
Lr = 3,2 x 2.31 = 7,39 m
