DESARENADORES

PRESENTACINLos desarenadores son obras hidrulicas que sirven paraseparar (decantar) y remover (evacuar) despus, el material slido que lleva el agua de un canal.El material slido quese transporta ocasiona perjuicios a las obras. Una gran partedel material slido vadepositndose en elfondo de loscanales disminuyendo su seccin. Esto aumenta el costo anual de mantenimiento y produce molestas interrupciones en el servicio de canal. Si los canales sirven a plantas hidroelctricas, la arena arrastrada por elagua pasa a las turbinas desgastndolas tanto ms rpidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una disminucin del rendimiento y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas. Todos estos aspectos en una obra hidrulica hacen que se proyectey disee una estructura que solucione estas dificultades como es el desarenador.

I. Principios de funcionamientoLos desarenadores son necesarios cuando el contenido de materia en suspensin del agua del ro es alto y cuando los componentes de la planta, tales como tuberas de presin, rotores de turbinas, vlvulas de corredera, etc., deben estar protegidos de abrasin por duro materias en suspensin, como arena de cuarzo.El desgaste debido a la abrasin puede en consecuencia en corto tiempo causar daos graves y en el caso de turbinas una reduccin considerable de la eficiencia. Cuanto mayor sea la cabeza eficaz y, por lo tanto, el flujo de la velocidad, mayor es el peligro de los componentes de la planta.El propsito del desarenador es eliminar la materia en suspensin de grano fino del agua y para proteger los componentes. Esto se logra simplemente permitiendo que la materia en suspensin, que conformarse la cuenca de sedimentacin, pase a una trampa de arena larga. Esto se realiza reduciendo la velocidad a una velocidad baja, las cantidades del agua distribuida lo ms uniformemente posible sobre la seccin transversal de la cuenca. El tiempo de paso a travs de la cuenca no debe ser ms corto que el tiempo de establecimiento de la materia en suspensin. Estas condiciones de contorno requieren estructuras largas en forma adecuada desde el punto de vista hidrulico.La velocidad del agua en el canal de entrada del desarenador no debe ser baja, de otro modo el material suspendido ser depositado en el canal de entrada demasiado pronto. El flujo en la cuenca es por lo tanto turbulento. La seccin de transicin bien diseada debe ser arreglada para garantizar un flujo constante; Del mismo modo, pantallas de aquietamiento puede usar aqu y lograr buenos resultados. Propsito general:Separar el sedimento no deseado realizado por el flujo del agua.

II. Evolucin y TiposLo que determina la evolucin del desarenador es la forma como son evacuados los sedimentos que se acumulan de la sedimentacin, en un primer momento se efectuaba la limpieza mecnicamente para luego pasar a la limpieza hidrulica.

1.Cmaras de decantacinEn un inicio se usaban stas estructuras formadas por tazas, donde la decantacin y la extraccin de los depsitos eran dos operaciones sucesivas. La decantacin era posible al tener velocidades muy pequeas.La evacuacin de sedimentos era mecnica, razn por la cual se les llamaba cmaras de extraccin mecnica. Actualmente ningn diseo contornea este criterio.Luego se pens en utilizar la misma agua para efectuar la limpieza y sugirieron las llamadas cmaras da evacuacin hidrulica, que constituyeron un verdadero avance. Las ms antiguas obras de este tipo tienen en general fondo plano y la abertura de evacuacin de dimensiones reducidas y a menudo ubicadas lateralmente. Las obras ms o dems tienen pendientes longitudinales del 3% al 5%, con aberturas de evacuacin de 0.70 a 1.00 m. aproximadamente. (Ver figura).

2.DesarenadoresEn el diseo del desarenador, el objetivo no solamente es que se produzca la sedimentacin y luego se pueda efectuar la limpieza hidrulicamente, sino que sedimenten partculas hasta un cierto dimetro, segn sea el uso que se desee dar al agua.Los desarenadores propiamente dichos, son aquellos en los cuales las operaciones de decantacin y extraccin de los depsitos son operaciones simultneas. Su evolucin tambin se ha visto enmarcada dentro de las necesidades hidrulicas. As en un primer tiempo, en las tomas de agua para irrigacin se iniciaron con los llamados desarenadores en corrientes con velocidades lentas, caracterizados por una baja velocidad de escurrimiento, entre 0.2 y 0.6 m/s, que permiten la eliminacin de elementos hasta 0.1 mm. (Ver figura N 2). Posteriormente con la aparicin de las grandes centrales hidroelctricas y surgiendo necesidad de mantener secciones de ciertas dimensiones, sobretodo en tneles, se piensa en velocidades de hasta 1.0 y 1.5 m/s, lo que tambin limita la eliminacin de partculas hasta de 0.5 mm, en los llamados desarenadores con velocidades a/fas. (Ver figura N 3).

Existen diversos estudios sobre desarenadores, tratando de establecer modelos de diseo que sirvan para aplicar en distintos casos, entre estos se encuentran:a) BUCHI.- Eliminaba el agua de la capa superficial con un tablero de rendijas. Sin embargo las mayores concentraciones de sedimentos en suspensin se encuentran en zonas bajas.b) BOUCHER.- Buscando disminuir la velocidad de rgimen del agua, desviaba los filetes fluidos de la direccin horizontal a vertical, mediante unos tabiques, siendo evidente que el choque de los filetes contra estos tabiques que dificultaban el proceso de decantacin.

c) DOFOUR.- Es recomendable para ros con mucho transporte de slidos. Tiene aberturas a lo largo del fondo del desarenador, teniendo una seccin transversal en forma de carena de nave, forma que favorece la conduccin de la arena de las aberturas. Este modelo ha sido modificado por otros investigadores.

d) PABLO BONER.- Existen numerosos desarenadores en el Per que se han construido bajo el diseo del ingeniero Boner. Estos se ubican mayormente en los ros Rmac y Santa Eulalia en Lima Los desarenadores son parte de las centrales hidroelctricas que fueron ejecutadas desde inicios de siglo.

e) DOFOUR, MONTAGNE, LEVI. - Con velocidades de 1.0 a 1.5 m/s. Se caracteriza porque las aberturas de purga se encuentran en las zonas finales de las naves.

TIPOS DE DESARENADORESIII. Clasificacin

1. En funcin de su operacin Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentacin y evacuacin son dos operaciones simultneas. Desarenadores de lavado discontinuo (intermitente), que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados.Son el tipo ms comn y la operacin de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible con el objeto de reducir al mnimo las prdidas de agua.

2. En funcin de la velocidad de escurrimiento: De baja velocidad v < 1 m/s (Recomendable: 0.20 - 0.60 m/s). De alta velocidad v > 1 m/s (Recomendable: 1 - 1.5 m/s).

3. Por la disposicin de los desarenadores: En serie, formado por dos o ms depsitos construidos uno a continuacin del otro. En paralelo, formado por dos o ms depsitos distribuidos paralelamente y diseados para una fraccin del caudal derivado.

4. Por su topologa Desarenador longitudinal Su funcionamiento se basa en la reduccin de la velocidad del agua y de las turbulencias, permitiendo as que el material slido transportado en suspensin se deposite en el fondo, de donde es retirado peridicamente.

Normalmente se construyen dos estructuras paralelas, para permitir la limpieza de una de las estructuras mientras la otra est operando.

De vrticeLos sistemas de desarenacin del tipo vrtice se basan en la formacin de un vrtice (remolino) inducido mecnicamente, que captura los slidos en la tolva central de un tanque circular. Los sistemas de desarenador por vrtice incluyen dos diseos bsicos: cmaras con fondo plano con abertura pequea para recoger la arena y cmaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva. A medida que el vrtice dirige los slidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para levantar el material orgnico ms liviano y de ese modo retornarlo al flujo que pasa a travs de la cmara de arena.

IV. Elementos de un desarenadorLos desarenadores estn compuestos por cinco partes, como se muestra en el esquema siguiente:gate admissionsedimentation chamberwashing gatesluiceoutlet channeldirect channeltransitionpenstock

Esquema de un Desarenador de lavado intermitente Transicin de entradaLa cual une el canal con el desarenador. Cmara de sedimentacinEn la cual las partculas slidas caen al fondo, debido a la disminucin de la velocidad producida por el aumento de la seccin transversal. Segn Dubuat, las velocidades lmites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son:Para la arcilla 0,081 m/s.

Para la arena fina0,16 m/s.

Para la arena gruesa0,216 m/s.

De acuerdo a lo anterior, la seccin transversal de un desarenador, se disea para velocidades que varan entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una profundidad media de 1.5 m y 4 m. Observar que para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa.La forma de la seccin transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal simple o compuesta. La primera simplifica considerablemente la construccin, pero es relativamente cara pues las paredes deben soportar la presin de la tierra exterior y se disean por lo tanto como muros de sostenimiento. La segunda es hidrulicamente ms eficiente y ms econmica pues las paredes trabajan como simple revestimiento. Con el objeto de facilitar el lavado concentrando las partculas hacia el centro conviene que el fondo no sea horizontal sino que tenga una cada hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1:8.

VertederoAl final de la cmara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian, es por esto que la salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. Tambin mientras ms pequea es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensin arrastra. La velocidad lmite es 1 m/s, para evitar turbulencias.De la ecuacin de un vertedero rectangular sin contracciones:

Donde:

Si el rea hidrulica sobre vertedor es:

la velocidad ser :

De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el mximo valor de h no debera pasar de 25 cm.Casi siempre el ancho de la cmara del desarenador no es suficiente para construir el vertedero recto y perpendicularmente a la direccin del agua. Por esto se le ubica en curva que comienza en uno de los muros laterales y contina hasta cerca de la compuerta de desfogue. Esta forma facilita el lavado permitiendo que las arenas sigan trayectorias curvas y al mismo tiempo el flujo espiral que se origina las aleja del vertedero.

Compuerta de lavadoSirve para desalojar los materiales depositados en el fondo, para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuerte del 2 al 6%, el incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de clculo, si no que el volumen adicional se lo toma como depsito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos.Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamao de sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia. Para lavar una cmara del desarenador se cierran las compuertas de admisin y se abren las de lavado con lo que el agua sale con gran velocidad arrastrando la mayor parte de los sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue pasando al canal sea a travs del canal directo o a travs de otra cmara del desarenador. Una vez que est vaca la cmara, se abren parcialmente las compuertas de admisin y el agua que entra circula con gran velocidad sobre los sedimentos que han quedado, erosionndolos y completando el lavado.Generalmente, al lavar un desarenador se cierran las compuertas de admisin. Sin embargo, para casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive con estas compuertas abiertas. Por este motivo las compuertas de lavado deben disearse para un caudal igual al trado por el canal ms el lavado que se obtiene dividiendo el volumen del desarenador para el tiempo de lavado.Hay que asegurarse que el fondo de la o las compuertas este ms alto que el punto del ro al cual se conducen las aguas del lavado y que la gradiente sea suficiente para obtener una velocidad capaz de arrastrar las arenas.Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rpida y eficaz esta velocidad debe ser de 3 - 5 m/s. Muchas veces esta condicin adems de otras posibles de ndole topogrfica, impiden colocar el desarenador inmediatamente despus de la toma, que es la ubicacin ideal, obligando desplazarlo aguas abajo en el canal.

Canal directoPor el cual se da servicio mientras se est lavando el desarenador.El lavado se efecta generalmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparacin o inspeccin, es necesario secar la cmara del desarenador, el canal directo que va por su contorno, permite que el servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada se colocan dos compuertas, una de entrada al desarenador y otra al canal directo.En el caso de ser el desarenador de dos o ms cmaras, el canal directo ya no es necesario pues una de las cmaras trabaja con el caudal total mientras la otra se lava.

V. Estudios importantesActas de la Conferencia Internacional de 2013 sobre la Mecnica, Fluidos, Calor, elasticidad y campos electromagnticos1. Investigacin sobre Dinmica de sedimentos y aguaEl flujo en una trampa de arena ConclusinEl estudio mostr que la trampa de arena para Golen Gol estacin de energa hidroelctrica con una dimensin de 100 metros x 7m x 8m, diseo capacidad de descarga de 10 m3/ s y sedimentos de carga de 0.279 kg / s puede realizar satisfactoria. Los anlisis numricos mostraron que velocidad horizontal en el intervalo de 0,117 m / s a 0,123 m / s y velocidad vertical en el rango de -0,0168 m / s a -0,0161 m / s, ideal para la deposicin de tamao de partcula 0.2 mm podran alcanzarse en la regin de la cuenca de sedimentacin de la trampa de arena. Estas velocidades son ideales para el 100% de la deposicin de las partculas de sedimento de tamao 0.2 mm. Adems, la deposicin de sedimentos de partculas clases de 0,059, 0,108 tamao, 0,157 mm se encontr que era 36%, 75% y 95%, respectivamente. La eficiencia global de eliminacin fue de 90,4 por ciento.

2. Normalizacin de la ingeniera civil obras de pequeas centrales hidroelctricas

3. SIMULACIN NUMRICA DE UN NUEVO SISTEMA DE LAVADO SAND TRAP

VI. Diseo de un desarenadorEn general, a menor velocidad y mayor longitud del desarenador es mayor la eficiencia de decantacin. Lo mismo puede decirse con respecto a las partculas slidas. Mientras ms pequeas sean, su probabilidad de decantacin es menor. Las partculas muy finas, cuya forma se parece notoriamente de la esfrica, decantan ms difcilmente. Se trabaja con valores medios y por lo tanto hay que aceptar errores, que en algunos casos pueden ser de magnitud considerable. El diseo debe considerarse necesariamente el conocimiento detallado acerca del tipo de partculas slidas que se desea eliminar: tamao, cantidad y calidad. Es indispensable, el estudio de las propiedades fsicas de los slidos para obtener parmetros que sean tiles en el diseo.El periodo de diseo, teniendo en cuenta criterios econmicos y tcnicos es de 8 a 16 aos.El periodo de operacin es de 24 horas por da.Debe existir una transicin en la unin del canal o tubera de llegada al desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada.La transicin debe tener un ngulo de divergencia suave no mayor de 12 30.

La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequea para causar menor turbulencia y arrastre de material (Krochin,V=1m/s).La llegada del flujo de agua a la zona de transicin no debe proyectarse en curva pues produce velocidades altas en los lados de la cmara.La relacin largo/ancho debe ser entre 10 y 20.La sedimentacin de arena fina (d