7. desarenadores
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SISTEMAS DE ACUEDUCTOS
Ing. JAIME BARAJAS LEÓN
2015
DESARENADORES.7
TODOS UNIDOS CONTRA EL ABUSO Y EL MAL USO DEL AGUA EN EL
MUNICIPIO DE HERRÁN
Teoría y diseño
Las corrientes superficiales transportan
sedimentos de gran diversidad de tamaños. Los
de diámetro superior a la separación de las
barras de la rejilla de la bocatoma quedan
retenidos allí , mientras los de menor tamaño
pasarán a la cámara de derivación. En èsta se
depositan gravas y materiales relativamente
pesados, mientras que las arenas y partículas
de menor diámetro penetran en el conducto de
aducción. El carácter abrasivo de estas
partículas hace que sea necesario extraerlas,
para evitar daños a las tuberías de conducción.
SEDIMENTACION
Es la separación de las partículas
suspendidas en el agua. Si los sedimentos
son más pesados que el líquido que los
contiene la sedimentación se denomina:
SIMPLE O DISCRETA
Si por el contrario son mas livianos, se
denomina:
SEDIMENTACION FLOCULENTA
SEDIMENTACIÒN SIMPLE O
DISCRETA
los sólidos en suspensión se
precipitan por acción de la
gravedad o peso propio de la
partícula. Algunos de estos
sólidos precipitarán en un
tiempo relativamente corto,
pero los de tamaño inferior al
de la arena fina no
Sedimentarán
Las partículas no depositadas por acción de la
gravedad necesitan la adición de coagulantes (
adición de sustancias químicas)
SEDIMENTACION
FLOCULENTA
Formaciòn de floc
Son estanques donde mediante sedimentación discreta, las partículas
más pesadas que el agua se depositan en el fondo , con el fin de evitar causar
averías a los equipos mecánicos y azolves en líneas de aducción y tanques de
proceso de tratamiento.
TIPOS DE DESARENADORES
Convencional
Desarenadores de flujo
vertical
Desarenadores de alta tasa
ConvencionalEs de flujo horizontal, el más utilizado en nuestro medio.
Las partículas se sedimentan al reducirse la velocidad con
que son transportadas por el agua. Son generalmente de
forma rectangular y alargada, dependiendo en gran parte
de la disponibilidad de espacio y de las características
geográficas. La parte esencial de estos es el volumen útil
donde ocurre la sedimentación.
Desarenadores de flujo vertical:
El flujo se efectúa desde la parte inferior hacia arriba. Las partículas se sedimentan mientras el agua sube. Pueden ser de formas muy diferentes: circulares, cuadrados o rectangulares. Se construyen cuando existen inconvenientes de tipo locativo o de espacio. Su costo generalmente es más elevado. Son muy utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales.
Desarenadores de alta tasa Consisten básicamente en un conjunto de tubos circulares, cuadrados
o hexagonales o simplemente láminas planas paralelas, que se
disponen con un ángulo de inclinación con el fín de que el agua
ascienda con flujo laminar. Este tipo de desarenador permite cargas
superficiales mayores que las generalmente usadas para
desarenadores convencionales y por tanto éste es más funcional,
ocupa menos espacio, es más económico y más eficiente.
Extracción de sólidos suspendidos
Desarenadores convencionales
H
L
Vh
Vs
Vh / Vs = L / H Vs = Vh * H / L
Como Vh = Q / H*B Vs= Q /As
Q/As se define como la CARGA SUPERFICIAL
VELOCIDAD DE SEDIMENTACION.
LEY DE STOKES.
2**18
t
ss
gV
Esta ecuación se cumple para valores del número de Reynols
inferiores a uno
LEY DE STOKES.
V = vel. De sedimentación en cms/seg
g = aceleración de la gravedad cms/seg2
Ps = Peso específico de la partícula (arena =
2.65)
P = Peso específico del fluido (Agua = 1.00)
U t = Viscosidad del agua a la temperatura
del agua (cm2/seg)
= 0.436/(T + 23.3)
DIÁMETROS DE PARTÍCULAS A
SEDIMENTAR
GRAVILLA FINA 2mm - 1 mm
ARENA GRUESA 1 mm - 0.5 mm
ARENA MEDIA 0.5mm- 0.25 mm
ARENA FINA 0.25 mm.- 0.10 mm
ARENA MUY FINA 0.10 mm - 0.05 mm
FANGO 0.05 mm - 0.005 mm
ARCILLA 0.005mm - 0.0001 mm
El RAS establece que los desarenadores se deben diseñar para
remover partículas con diámetros hasta de 0,15 mm.
Velocidad de sedimentación
para Re>= 1
La relación entre la velocidad horizontal y
la velocidad de sedimentación debe ser
inferior a 20
TIEMPO DE SEDIMENTACIÒN
( TEORICO)
t= tiempo que requiere la partícula para
caer al fondo del tanque de altura H.
t = H = m = seg
Vs m/seg
ALTURA
Teóricamente el desarenador más eficiente
sería uno de altura mínima, pues obviamente el
tiempo de sedimentación sería menor. Sin
embargo ésto no resulta nada práctico, pues las
perturbaciones producidas por las corrientes
ascendentes y descendentes se acentúan.
El rango para las profundidades efectivas se
acepta, en Colombia, entre 0.75 y 1.50 mts.
TIEMPO O PERÌODO DE
RETENCION (a).En un desarenador, el tiempo de retención
nominal es igual a la relación entre el volumen
del tanque y el caudal que entra y sale.
a= volumen = m3 = seg
Caudal m3/seg
Es el tiempo que tarda la partìcula en entrar al
estanque y quedar retenida.
El tiempo mínimo de retención lo especifica
el RAS en 20 minutos
OTROS PARÁMETROS.
Se recomienda que el largo debe ser
como mínimo (10 * h).
La relación Largo / ancho >= 4
La carga superficial <= 1000 m3/m2-dia
RELACION a/t
El cociente a/t, mide la eficiencia de la sedimentación en el tanque. Teóricamente esta relación debería ser 1, pero esto es imposible entre otras por las siguientes razones :
Las aguas en el tanque no están completamente tranquilas.
Las diferencias de temperatura entre las diferentes capas del agua producen corrientes verticales ;
La brisa causa movimientos ;
La entrada y salida del agua causa remolinos y otras irregularidades.
Dado la mayoría de estas irregularidades se pueden controlar mediante el uso de bafles o pantallas deflectoras, la relación a/t se dà en función de la calidad de los bafles del tanque.
B
(H-0.5)+BL
BAFLE O PANTALLA
DEFLECTORA
Relación a/t
CONDICION 50% 75% 87.50%
Máximo teórico 0.50 0.75 0.87
Ex. Bafles 0.73 1.52 2.37
Buenos bafles 0.76 1.66 2.75
Sin bafles 1.00 3.00 7.00
Ejemplo de dimensionamiento
ELEMENTO SIMBOLO OBTENCIÓN UNIDAD VALOR
Caudal de diseño Q Definido lps 5.50
Diámetro arena D Definido mm 0.05
Temperatura mínima T Definida ° C 18.00
Peso específico arena Ps Definido Ton/m3 2.65
Peso específico agua P Definido Ton/m3 1.00
Aceleración de la gravedad g Definido m/seg2 9.80
Dimensionamiento. Continuación
Viscocidad
cinemática U 0.436 / (T+23.3) cm2 / seg 0.011
Velocidad de
sedimentación Vs g/18*(Ps-P)/U * D2 cm / seg 0.21
Altura del
desarenador h Asumida m 1.00
Tiempo de
sedimentación t h / Vs seg 470.07
Período de
retención mínimo a* t * 2.75 seg 1292.68
Volumen del
tanque Vol a * Q m3 7.11
Area superficial
mínima A Vol / h m2 7.11
Longitud mínima L** 10 * h m 10.00
Dimensionamiento. Continuación
Ancho
mínimo Bmin A / L m 0.71
Ancho
escogido B L/4 < B < L/3 m 2.50
Area
superficial As B * L m2 25.00
Carga
superficial Cs Q * 86.4/As m3 / m2 - dia19.01
Entre 14 y 80
Tiempo de
retención
real a L*B*h/Q seg4545.45=
1.26 horas
CÁMARA DE AQUIETAMIENTO
Dado que la velocidad en el conducto de aducción
resultará siempre alta, comparada con la
deseada en el desarenador, en razón de su
pequeña dimensión - en comparación con las
del tanque- se construye una cámara de
aquietamiento, donde la energía del líquido se
disipa y la velocidad se disminuye, sus
dimensiones usuales son de 1m de largo por 1m
de ancho, con una altura equivalente a un tercio
de la altura efectiva del desarenador
ZONAS
Los desarenadores normalmente están
compuestos por cuatro zonas:
Entrada
Zona de sedimentación
Salida
Zona de depósito de lodos
ZONAS DE UN DESARENADOR
ZONA I
Cámara de aquietamiento. Debido a la ampliación
de la sección, se disipa el exceso de carga de
velocidad en la tubería de llegada. Lateralmente
se encuentra un vertedero de excesos que lleva
el caudal sobrante nuevamente al río o fuente
superficial.Paso directo
A la planta
Válvula de compuerta
L
ZONAi
ZO
NA
i
ZONA
IV
Dado que la velocidad en el conducto de aducción resultará siempre alta, comparada con la deseada en el desarenador, en razón de su pequeña dimensión - en comparación con las del tanque -, se construye una cámara de aquietamiento, donde la energía del líquido se disipa y la velocidad se disminuye, sus dimensiones usuales son de 1m de largo por 1m de ancho, con una altura de acuerdo a la topografía del terreno y a la posición del conducto de aducción
ZONA I
VERTEDERO DE EXCESOS
El caudal que sale de la bocatoma al desarenador, usualmente es mayor que el caudal de diseño. Este caudal sobrante debe extraerse y por ello en la cámara de aquietamiento se dispone un vertedero y un conducto, por donde estos excesos se extraen. Por las condiciones del flujo, el vertedero se puede considerar como frontal.
Qe=QmÁXIMO EN LA ADUCCIÒN - QD
Perfil hidràulico(pèrdidas)
Por cambio de sección a la entrada de la
cámara de aquietamiento :
H1= 0.1 * (V12- V2
2) /2g
V1= Velocidad en el conducto de aducción
V2= Velocidad en la cámara de
aquietamiento
H1
Velocidad en el
conducto de
aducción V1
Ver aducción m/seg 1.00
Velocidad en la
cámara de
aquietamiento V2
Q/ Acamara
m/seg
0.0157
Acàmara(1.0
*0.35)
VERTEDERO DE EXCESOS
Excesos
Longitud del vertedero Le Construcción m 0.60
Caudal máximo en la
aducción Qa m3 / seg 0.034
Caudal máximo a
evacuar Qe Qma - Qmax d m3 / seg 0.029
Altura de la lámina de
agua hle
(Qe/1.85*Le)^2/3 m 0.09
Area orificio de salida Ae
Qe/0.6*(2*9.8*h)^0.5 m2
0.014
h=0.2m
Diametro conducto de
excesos De
(4*Ae/3.14)^0.5 m 0.14
ZONA II Entrada al desarenador
construida entre la cámara de aquietamiento
y una cortina que obliga a las líneas de
flujo a descender rápidamente de manera
que se sedimente el material más grueso
inicialmente.
PANTALLA DELECTORA
BAFLE
Con el objeto de lograr una mejor
distribución del flujo en el desarenador, se
construye una pantalla perpendicular al
flujo con orificios simétricos (de cualquier
forma), de tal manera que la velocidad del
agua a través de estos orificios sea menor
o igual a 0.20 mts/seg.
Zona II
PLANTA
Zona II
CORTE
CORTE PANTALLA
B
(H-0.5)+BL
DETALLE
DIMENSIONAMIENTO
A= Area total requerida (de todos los
orificios)
Q= Caudal máximo diario
V= Velocidad a través de los orificios (0.20
mts/seg)
No. de orificios = A/ área requerida de
cada orificio.
V
QA
V
QA
área efectiva de orificio:
Nùmero de orificios suponiendo su diámetro
Con el número de orificios se tiene:
m = filas de orificios horizontales
n = filas de orificios verticales
Por tanto, m x n = Número de Orificios y m/n = b/H
Y a continuación se determinan tanto m como n.
área efectiva de orificio:
DIMENSIONAMIENTO
Bafle difusor.
Ancho B B del desarenador m 2.50
Altura hb
h - 0.50 m 0.50
Diámetro orificios Do Asumido Pulg 3.00
Número de orificios No Distribución Un 20.00
Area de los orificios Ao ao
* No m2 0.0912
Velocidad a través del
bafle Vf Q / Ao m/seg 0.060
Velocidad máxima
admisible 0.20
PERFIL HIDRÀULICO
Pérdidas de carga a través de los orificios :
C= Coeficiente orificio sumergido = 0.6
gAC
QH
2** 22
2
3
Velocidad en el desarenador V3
Q/ A desarenador m/seg 0.0044
Pérdidas al entrar al desarenador H2
0.1*(V22 -V
32)/2*g m 0.0000
Pérdidas paso a través del bafle H3
Q2 /(C2 *A0*2g) m 0.0000
ZONA III: Zona de sedimentación.
Es la parte en donde se realiza el proceso
de sedimentación simple o discreta y en
donde se cumple en rigor las ecuaciones
o leyes de la sedimentación (Stokes).Paso directo
A la planta
Válvula de compuerta
L
ZONA i
ZONA iZONA II
ZONA IIIZONA
IV
ZONA III-PLANTA
CORTE ZONA III
L
H/3
ZONA V
ZONA IV: Salida del Desarenador
Constituída por una pantalla sumergida ( 0.10
m por debajo de la lámina de agua), el
vertedero de salida y el canal de recolección.
Esta zona debe estar completamente tapada
con el fin de evitar la posible contaminación
exterior
S*(L+0.5)
0.5
0.10 M
3% S 8%
H
CORTINA DE SÒLIDOS
ES UN PEQUEÑO DIENTE EN
CONCRETO CON EL OBJETO DE
IMPEDIR EL PASO DE LOS
ELEMENTOS FLOTANTES A LA
TUBERÌA DE SALIDA
PLANTA ZONA SALIDA
CORTE ZONA SALIDA
PERDIDAS POR PASO A TRAVÈS
DE LA CORTINA
En donde: C= 0.6
gAC
QH
2** 22
2
4
Pérdidas paso cortina de
sólidos H4
Q2 /(C2 *At*2g) m 0.0000
At=(H-0.1)*B
VERTEDERO DE SALIDA
SU ALTURA SE DETERMINA RESTANDO DE LA
COTA DE LA LÀMINA DE AGUA LAS
PÈRDIDAS PRODUCIDAS EN EL
DESARENADOR HT Y LA ALTURA DE LA
LÀMINA DE AGUA SOBRE EL VERTEDERO HV
El vertedero de salida se proyecta a todo lo ancho
del desarenador. La altura de la lámina de agua
será :En donde:
Q= Caudal Máximo diario
B= Ancho del desarenador
32
*84.1
B
QHV
TOTAL PÈRDIDASTotal
pérdidas HT H1+H
2+H
3 +H
4m 0.0052
S*(L+0.5)
0.5
0.10 M
3% S 8%
H
DETALLE VERTERO SALIDA
Lámina sobre vertedero
de salida Q/(1.85*B)^0.66 m 0.0117
0.20
CANAL O CÀMARA DE SALIDA
CÀMARA SALIDA
ZONA V
Es la zona de almacenamiento de
lodos.
El fondo debe tener pendiente longitudinal y
transversal hacia el desague y lavado de
la estructura
S*(L+0.5)
0.5
0.10 M
3% S 8%
H
Zona de Lodos
Zona LODOS-CORTE
DETALLE DESAGUE
DIMENSIONAMIENTO
DIÀMETRO MÌNIMO 6” FLUJO LIBRE
SE DEBE CALCULAR EL TIEMPO DE
VACIADO
H= PROMEDIO DE ALTURA DE LÀMINA
DE AGUA EN EL DESARENADOR
gHACQ ds 20
gHAC
HBLt
d
Tvaciado
2
**
0
CAJA DE VÁLVULAS
DETALLES CAJAS DE VÁLVULAS
Y esto que será?
Vista 1 Desarenador 1 Subsistema Santos Ochoa
Vista 2 Desarenador 1Subsistema Santos Ochoa
EJEMPLOS
Llegada al Desarenador 2 Subsistema Santos Ochoa
Bafle difusor - Desarenador 2 Subsistema Santos Ochoa
Vista 1 Vertedero de salida desarenador 2 Subsistema Santos Ochoa
Vista 2 Vertedero de salidadesarenador 2 Subsistema SantosOchoa