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JRI INGENIERÍA S.A. ÁREA HIDRÁULICA

CURSO DE CANALETAS EXPOSITOR: SR. RAMÓN FUENTES

AGOSTO, 2007

INTRODUCCIÓN Y NOCIONES BÁSICAS

7

1.0

7

ASPECTOS HISTORICOS

1.1 1.2

ORIGEN DE LAS CANALETAS USO DE CANALETAS PARA EL TRANSPORTE HIDRÁULICO DE PULPAS MINERAS

7 10

2.0

ALGUNAS CANALETAS IMPORTANTES

14

3.0

NOCIONES GENERALES

16

3.1 3.2 3.3 3.4

PENDIENTE DE FONDO SECCIÓN TRANSVERSAL PROFUNDIDAD DEL FLUJO Y BORDE LIBRE TRANSPORTE HIDRAÚLICO DE PULPAS: CANALETAS V/S TUBERÍA

16 18 19 19

NOCIONES DE REOLOGÍA

21

4.0

INTRODUCCIÓN

21

5.0

CURVA REOLÓGICA

21

5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.3 5.4

DEPENDENCIA DEL TIEMPO Fluidos tixotrópicos Fluidos reopécticos Comportamientos mixtos FLUIDOS VISCOELÁSTICOS TIPOS DE COMPORTAMIENTO REOLÓGICO MODELOS REOLÓGICOS

22 22 22 23 23 23 24

6.0

DEFINICIONES DE LA VISCOSIDAD

26

7.0

DEPENDENCIA DE LOS PARAMETROS REOLÓGICOS EN UNA PULPA

28

CARACTERIZACIÓN DE PARTÍCULAS SÓLIDAS

29

8.0

CARACTERIZACIÓN DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS

29

INTRODUCCIÓN TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS FORMA DE LAS PARTÍCULAS CURVA GRANULOMÉTRICA DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO DE LAS PARTÍCULAS

29 29 30 30 31

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 9.0

GASTOS, CAUDALES Y DENSIDADES DE PULPAS

9.1 INTRODUCCIÓN 9.2 CONCENTRACIONES Y DENSIDADES DE LA PULPA 9.3 VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN 9.3.1 Caso de una partícula única en un medio ilimitado 9.3.2 Velocidad de sedimentación de un conjunto de partículas en un medio limitado

32 32 32 34 34 38

TRANSPORTE HIDRÁULICO DE SÓLIDOS

41

10.0

CAUDALES Y VELOCIDADES DE LA PULPA

41

11.0

ESTIMACIÓN DE LAS VELOCIDADES RELATIVAS

44

12.0

TIPOS DE ESCURRIMIENTOS EN EL TRANSPORTE DE PULPAS

46

INTRODUCCIÓN REGÍMENES DE FLUJO

46 46

FLUJO DE ESCURRIMIENTO: LAMINAR, TURBULENTO Y TRANSICIÓN

49

12.1 12.2 13.0 13.1 13.2 13.3 14.0 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 15.0

TRANSICION LAMINAR-TURBULENTA 50 ESCURRIMIENTO LAMINAR DE UNA PULPA NEWTONIANA O PSEUDONEWTONIANA: 58 ESCURRIMIENTO LAMINAR EN UNA CANALETA DE ANCHO INDEFINIDO: 59 ESCURRIMIENTO TURBULENTO EN CANALETAS DE PULPA

60

INTRODUCCIÓN MODELO DE PRANDTL MODELO DE BLASIUS MODELO DE WILSON Y TOMAS MODELO DE SLATTER

60 60 61 61 63

LAMINARZATION OF FLOW IN A SLURRY FLUME

64

15.1 INTRODUCTION 15.2 THE PROBLEM 15.3 EXPERIMENTAL WORK 15.4 RESULTS 15.4.1 Rheology 15.4.2 Friction 15.4.3 Laminarization 15.4.4 Critical Reynolds number 15.5 CONCLUSIONS 16.0 16.1 16.2

64 64 65 66 67 67 69 69 70

DISTRIBUCION DE VELOCIDADES EN CANALETAS - FLUJO TURBULENTO 71 LIQUIDO PURO PULPA

71 73

17.0

SEDIMENT CONCENTRATION PROFILE IN SLURRY FLUMES

76

18.0

CORRIENTES SECUNDARIAS

78

HIDRAULICA DE CANALETAS DE PULPAS

79

19.0

TIPOS DE CANALETAS

79

MATERIALES

80

19.1

20.0

HIDRÁULICA DE CANALES

20.1 ENERGIA ESPECÍFICA 20.2 ENERGIA MINIMA Y ESTADO CRÍTICO: 20.2.1 Energía mínima o crítica 20.2.2 Cálculo de la profundidad crítica 20.3 NUMERO DE FROUDE 20.3.1 Comportamiento en las cercanías de la crisis 20.3.2 Número de Froude límite superior 20.4 NÚMERO DE FROUDE PARA CANALETAS DE PULPA 21.0

81 81 83 85 85 86 88 89 90

ESCURRIMIENTO PERMANENTE GRADUALMENTE VARIADO

91

CURVA DE REMANSO MÉTODOS DE CÁLCULO INDICACIONES EN EL CASO DE CANALETAS DE PULPA

91 92 93

22.0

ESCURRIMIENTO UNIFORME

93

23.0

FLUJO SUPERCRITICO EN CURVAS

94

24.0

ESTUDIO DE LA FRICCION EN CANALES

97

21.1 21.2 21.3

24.1 MODELOS DE PÉRDIDA DE CARGA 24.1.1 Fórmula de Chézy 24.1.2 Fórmula de Manning 24.1.3 Compatibilidad con la fórmula de Chézy 24.2 COMPARACIÓN CON LA FÓRMULA DE DARCY 24.2.1 Fórmula de Strickler 24.3 VALORES DEL COEFICIENTE DE MANNING 24.3.1 Fórmula de Keulegan 24.3.2 Valores de ks para diferentes materiales 24.4 EMPLEO DE LA FÓRMULA DE COLEBROOK-WHITE EN CANALETAS 24.4.1 Compatibilidad con la fórmula de Manning 24.4.2 Comparación con la fórmula de Strickler 24.4.3 La fórmula de Manning en canaletas de pulpa 24.4.4 Solución de la ecuación de Manning: 24.4.5 Formulación de Wilson 25.0

VELOCIDAD LIMITE DE DEPOSITO EN CANALETAS

25.1 VELOCIDAD LÍMITE VL EN TUBERÍAS 25.1.1 Fórmula de Durand (1953) 25.1.2 Formulación de Mc Elvain y Cave (1972) 25.2 FORMULACIONES PARA EL CÁLCULO DE VL EN CANALETAS DE PULPA: 25.2.1 Formulación de González 25.2.2 Fórmula de Errázuriz 25.2.3 Formulación de Vega 25.2.4 Fórmula de Rayo 25.2.5 Fórmula de Domínguez 25.3 COMPARASIÓN ENTRE FORMULAS

97 98 99 100 100 100 101 101 102 102 103 103 104 105 107 108 109 109 110 111 111 112 113 113 114 114

26.0 26.1 26.2 26.3

ESCURRIMIENTO IMPERMANENTE EN CANALETAS DE PULPA

115

INTRODUCCIÓN: ECUACIONES DE SAINT-VENANT ECUACIÓN DE EXNER - POLYA

115 115 116

RIESGOS EN TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE PULPAS MINERAS

118

27.0

ONDA CAUSADA POR LA RUPTURA DE UN TRANQUE DE RELAVES

118

INTRODUCCIÓN MODELACIÓN APLICACIÓN A TRANQUES DE RELAVE

118 120 121

ONDAS CAUSADAS POR AVALANCHAS DE BARRO Y DETRITOS

122

INTRODUCCIÓN: MODELACIÓN

122 123

27.1 27.2 27.3 28.0 28.1 28.2

DISEÑO DE CANALETAS DE PULPAS Y OTRAS OBRAS

125

29.0

PENDIENTE

125

30.0

PERALTE Y REVANCHA EN CANALETAS RECTAS Y CURVAS

125

DEFINICIONES PERALTE DEBIDO A LA INCORPORACION DE AIRE PERALTE DEBIDO A LAS CURVAS REVANCHAS

125 126 128 130

VELOCIDADES DE OPERACIÓN

131

VELOCIDAD DE OPERACION MINIMA VELOCIDAD DE OPERACION MAXIMA

131 131

32.0

FACTOR DE FORMA DE LA SECCION

132

33.0

RÁPIDOS DE DESCARGA EN CANALETAS DE PULPA

132

30.1 30.2 30.3 30.4 31.0 31.1 31.2

33.1 INTRODUCCIÓN: 33.2 FRICCIÓN: 33.3 AGUA: 33.4 PULPAS: 33.4.1 Antecedentes experimentales: 33.5 CONCLUSIÓN: 33.6 PERALTE DEBIDO A LA INCORPORACION DE AIRE 33.6.1 Estimación del caudal de aire incorporado 33.7 PERALTE CAUSADO POR ONDAS RODANTES (ROLL WAVES) 33.7.1 Aparición de las Ondas Rodantes 33.7.2 Frecuencia de las Ondas Rodantes 33.7.3 Amplitud asociada a las Ondas Rodantes 33.8 SALPICADURAS 33.9 REVANCHA

132 134 134 134 134 136 136 137 138 139 140 141 142 143

34.0

CAJONES

34.1 GENERALIDADES 34.2 CRITERIOS DE CÁLCULO PARA LA TRAYECTORIA DEL CHORRO 34.3 CRITERIOS DE DISEÑO EMPLEADOS POR JRI Y PSI-JRI 34.3.1 Cajones disipadores (FINAL DE RAPIDOS) 34.3.2 Cajones de caída

145 145 145 147 147 148

35.0

DISEÑO DE CAJAS DE TRASPASO DE PULPAS

149

36.0

DESGASTE EN CANALETAS

152

37.0

CONTROL EN CANALETAS DE PULPA

154

37.1.1 38.0

Filosofía de Control de “Detección Temprana de Fallas”

REFERENCIAS

154 156

INTRODUCCIÓN Y NOCIONES BÁSICAS 1.0

ASPECTOS HISTORICOS The Negro Speaks of Rivers I've known rivers: I've known rivers ancient as the world and older than the flow of human blood in human veins. My soul has grown deep like the rivers. Langston Hugues (1922)

1.1

ORIGEN DE LAS CANALETAS Si se considera que los cauces naturales, además de transportar agua, a menudo y especialmente durante los períodos de crece transportan masas considerables de sólidos tanto suspendidos como por el fondo, se puede concluir que el transporte de mezclas sólido-líquido a superficie libre es mucho más antiguo que la raza humana, como lo asevera correctamente el poeta Langston Hughes. Nada tiene de extraño entonces que los hombres hayan desarrollado y construido canales desde tiempos remotos. Estos primeros canales tenían fines de irrigación y de uso humano directo y se esperaba que transportaran agua clara. Pero la Hidráulica Fluvial nos enseña que raras veces un canal excavado en tierra es estable y normalmente estos canales artificiales transportan sedimento sólido y desechos de todo tipo (sanitarios y otros) y constituyen entonces un transporte de pulpa. En la Mesopotamia (aproximadamente el actual Irak) y en el período calcolítico (entre el período neolítico y el del bronce antiguo, esto es, entre 6000 y 4500 A.C. (Roux [1], 1964) aproximadamente ocurren dos hechos básicos para la civilización: - Se inicia la agricultura por irrigación - Comienza a emplearse el cobre en forma masiva. Estos primeros canales de irrigación tomaban sus aguas de los ríos Tigris y Eufrates y plausiblemente conducían sedimento de fondo y en suspensión, constituyendo así las primeras canaletas de pulpa, muy diluida. Muchos terrenos, por exceso de riego

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Curso de Canaletas 7

y falta de drenaje se salinizaron, produciéndose así algunas de las primeras crisis ecológicas conocidas [2]. Para hacerse una idea de la magnitud de las obras de la Mesopotamia antigua en la Babilonia de Nabucodonosor (año 600 A.C.) existía el canal Libil-hegalla que tomaba sus aguas del Eufrates y tenía un ancho superior a 20 [m] (Koldewey, 1925) (Roux [1], 1964) (Figura 1.1-1).

Canal Libil-hegalla

Figura 1.1-1. Canal Libil-hegalla

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Curso de Canaletas 8

En Egipto, en la época del emperador Rhameses II, en el siglo XIV A.C. ya existía un extenso sistema de canales de regadío y de embalses (Rouse y Ince [3]). Pero indudablemente, ya mucho antes existían canales que tomaban aguas del río Nilo. Los conocimientos que hoy se poseen sobre la hidráulica romana antigua emanan principalmente de los textos de Vitruvius (año 20 A.C.) y de Frontinus (40 - 103 A.C.) (Rouse y Ince [3]). En su mayor parte son libros descriptivos. Empero los acueductos romanos son obras muy grandes y construidas con tanta habilidad que algunas de ellas subsisten aún hoy en día (por ejemplo, el acueducto de Tarragona en España y el Pont du Gard, 18 [Km] NE de Nimes, en el sur de Francia) (Figura 1.1-2).

Figura 1.1-2. “Pont du Gard” Este ultimo tiene una sección útil cercana a 2 [m2], cubierta con mortero impermeable, y una longitud de 275 [m] [4]. El techo del acueducto, que es de sección rectangular, está formado por losas de piedra provistas de agujeros cuadrados (¿piezas para manejo o aireadores?). No hay que olvidar que estas obras fueron construidas hace cerca de 2000 años. En las civilizaciones de la América pre-hispánica se construyeron asimismo obras hidráulicas notables: En México, la presa de Teopantecuanitlán fue construida hacia 1200 - 1000 A.C. De ella arrancaba un canal construido con losas de piedra.

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Curso de Canaletas 9

Los canales de Santa Clara Coatitlán se construyeron hacia el 900 A.C. al norte de la actual Ciudad de México. El canal principal era de sección trapecial y de algo más de dos kilómetros de longitud (CEHOPU [5]). En la Figura 1.1-3 se pueden apreciar las ruinas de un canal construido 200 años A.C.

Figura 1.1-3. Canal de Tehuacán Los incas peruanos realizaron canales de tamaño sorprendente, incluso para los actuales. En la época de grandeza de la cultura Mochica (Norte del Perú, 400-1000 D.C.) se efectuaron obras como el acueducto de Ascope, de 15 [m] de altura y 1400 [m] de largo, así como el canal de La Cumbre (todavía en uso hoy) que se extiende a través de 113 [Km] (Kauffmann [6]). 1.2

USO DE CANALETAS PARA EL TRANSPORTE HIDRÁULICO DE PULPAS MINERAS Yendo ahora al tema de los escurrimientos de pulpa a superficie libre, ellos comenzaron precisamente para el beneficio de minerales en la España

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Curso de Canaletas 10

hispano-romana hace ya cerca de 2000 años. Ellos eran similares a los que emplearon los españoles cerca de 1500 años después en las minas de oro de Barbacoa, al NE de Quito (Ecuador): se encauzaban las aguas captadas hasta la parte alta del frente de la explotación y, desde allí, esta crecida artificial transformaba el macizo rocoso (plausiblemente fracturado y poco resistente) en un alud de piedras y lodo que se recogía en estanques, donde, con ayuda del agua, se iban eliminando los barros en suspensión, quedando en el fondo los elementos más densos, entre ellos las pepitas de oro (CEHOPU [5]). En Europa, los fundamentos técnicos de la minería se establecieron por escrito por G. Agricola ([7], 1556). Su libro ejerció una enorme influencia. En lo que se refiere a transporte hidráulico de pulpas, en realidad solamente trata de canaletas cortas para lavado y separación de partículas (Figura 1.2-1).

Figura 1.2-1 En Estados Unidos, a partir de los descubrimientos de oro en California a mediados del siglo XIX se requirió desarrollar técnicas de transporte hidráulico de variadas formas. Se emplearon canaletas para transportar sedimentos auríferos (Wilson [8], 1980) (Figura 1.2-2 [9]).

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Curso de Canaletas 11

Figura 1.2-2. Gold Rush Plausiblemente la primera gran canaleta para pulpas fue la que construyó la Braden Copper Company para transportar los relaves de la mina El Teniente (ahora es una División de Codelco-Chile) (Fuentes [10], 2004). This flume was built in timber, needed annual reparations as many irrigation channels in the United States at the time. The original system was operated continuously since 1936 to 1960 and, with some modifications, up to 1985. The length was 65 [km]. The main features are shown in Faddick [11]. Shape of cross section Slurry Width Height of walls Slope Height of liquid Velocity of slurry Discharge of slurry Mass flow of solids Mass concentration of solids

: : : : : : : : : :

Trapezoidal-Rectangular Copper ore tailings 0.91 [m] 0.74 [m] 0.8 to 3.1 [%] 0.40 to 0.80 [m] 3.3 [m/s] 1.4 [m3/s] 50000 to 67000 [tonne/day] 32 to 37 [%]

Tabla 1-1. Principales características de la canaleta de El Teniente Atypical cross section is depicted in Figura 1.2-3 from 1941. Not calculations documents of the flume have been founded.

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Curso de Canaletas 12

Figura 1.2-3 Para mantener en operación esta canaleta, se requirió de un personal activo de aproximadamente 100 trabajadores. Entre los trabajadores había incluidos carpinteros, mecánicos y patrulleros. Inclusive, existía una caballería destinada a la inspección rápida de la canaleta para solucionar problemas rápidamente. Hoy en día se transportan por canaletas cerca de 200 [MTon/año] de minerales, en Chile, totalizando cerca de 8 [m3/sec] como flujo de pulpa (Fuentes [10]).

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 13

2.0

ALGUNAS CANALETAS IMPORTANTES As Faddick pointed out in 1986 [11] the largest slurry flumes in the world were those of El Teniente (Codelco - Chile (Chilean Copper Corporation)). Some (approximate) characteristics of main flumes in Chile are summarised in Tabla 2-1.

Tabla 2-1. Main characteristics of some Chilean flumes conveying copper ore tailings The conveyed solids are copper ores tailings A parameter, which roughly describes the magnitude of the system, is ML (equivalent to mass flow of solids [Mtonne/year] x length [Km]). ML values vary from 75 for Collahuasi to 2940 for El Teniente flume. For comparison purposes, approximate values of ML for two of the biggest systems conveying solids by pipelines have been calculated (data from Wasp et al [12] and from Marrero [13]) and showed in Tabla 2-2. NAME PARTICLES Black Mesa Coal Samarco Iron concentrate

ML 2400 4752

Tabla 2-2. ML values for big pipelines systems In this flume mean slope is enough for providing the necessary driving force to convey the slurry flow. But in same cases, slope is largely enough and it is necessary to built up high slope flumes that end in an energy dissipator.

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In Chile the two situations are present: El Teniente and Andina operates a combination of flumes with slopes near 1 [%] and very rapid flow reaches with slopes of 20 [%] or even more.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 15

3.0

NOCIONES GENERALES Previo a entrar en el detalle del transporte hidráulico de sólidos en canaleta, aquí se presentarán las nociones generales asociadas a transporte a superficie libre.

3.1

PENDIENTE DE FONDO Se habla de pendiente favorable cuando la cota de terreno desciende monótonamente en la dirección deseada del escurrimiento (Figura 3.1-1). Por el contrario, si la cota de terreno crece continuamente en la dirección requerida del escurrimiento se habla de pendiente adversa (Figura 3.1-2)

Figura 3.1-1. Pendiente Favorable

Figura 3.1-2. Pendiente Adversa Si se dispone de pendiente favorable por tramos largos, el transporte de sólidos a superficie libre es una buena alternativa frente al transporte hidráulico de sólidos por tuberías a presión a grandes distancias. Una característica esencial, que es común con las tuberías trazadas en pendiente favorable, es que no se requiere energía externa para producir el movimiento: esta energía es proporcionada libremente por la gravedad.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 16

Surge, sin embargo, una diferencia importante entre el flujo por canaletas y el flujo por tuberías. Para que el flujo por canaletas sea posible es necesario que la pendiente sea siempre favorable, salvo en tramos muy cortos y de flujo muy rápido. Si esto no ocurre y existen puntos altos, es necesario emplear tuberías con sistemas de bombeo o bien un sistema mixto: tuberías a presión en la zona de pendiente adversa y canaletas en la zona de pendiente favorable. Si la pendiente disponible es muy pronunciada pueden producirse velocidades demasiado elevadas. Estas grandes velocidades pueden producir ondas pronunciadas, presiones fluctuantes de magnitud significativa, incorporación de aire y tasas de desgaste excesivas. En estos casos las canaletas admiten ser divididas en sectores de pendiente moderada (Figura 3.1-3) y los tramos aislados de pendiente muy alta pueden ser provistos con disipadores de energía apropiados: caídas o rápidos que terminan en cajones disipadores (Figura 3.1-4). En los hechos, el transporte por canales de líquidos y pulpas diluidas (contienen sedimentos naturales o producidos por el hombre) ha sido en el pasado y durante siglos la forma preponderante de transporte hidráulico y lo es aún hoy significativamente (sistemas de canales y canaletas de riego). Por otra parte, en casos frecuentes, el transporte de pulpas a superficie libre y el transporte de pulpas por tuberías a presión no son excluyentes y pueden complementarse eficazmente. Es natural que los principios físicos generales aplicables a canaletas que transportan agua lo son asimismo a canaletas destinadas al transporte de pulpa, pero como se verá detalladamente más adelante, existen casos en que no es posible trasvasar directamente las fórmulas válidas para el agua al escurrimiento de pulpas sin realizar una discusión detallada. Obviamente esto se debe a la existencia de las partículas, las que imponen condiciones físicas dinámicas que es necesario tomar en cuenta adecuadamente.

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Curso de Canaletas 17

Figura 3.1-4

Figura 3.1-3

3.2

SECCIÓN TRANSVERSAL La sección transversal puede tener múltiples formas. Los tipos más comunes son:

a) Rectangular b) Trapezoidal c) Circular d) Irregular El último tipo no es una forma en si misma. Sin embargo, es altamente utilizada para descargas de emergencia en zonas de tranque, aprovechando depresiones

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 18

naturales del terreno. En Chile, más de 25 Km de sistemas de transporte de canaletas es excavado en terreno natural, con pendientes entre 5% y 10%. 3.3

PROFUNDIDAD DEL FLUJO Y BORDE LIBRE Si se provee un borde libre adecuado (Figura 3.3-1 a) el flujo en un canal abierto es flexible, seguro y el control es fácil.

(a)

(b)

Figura 3.3-1. Borde Libre La inspección y la detección de fallas, pérdidas y otros problemas es obviamente más sencilla y directa que en un sistema de tuberías. En el caso de escurrimiento por acueductos, también estas ventajas se mantienen, pero es necesario dejar una zona libre importante (Figura 3.3-1 b) Si se produce arrastre e incorporación de aire a una tasa significativa, puede ser necesario instalar orificios y/o ductos de aireación. 3.4

TRANSPORTE HIDRAÚLICO DE PULPAS: CANALETAS V/S TUBERÍA Frente a la necesidad de requerir transportar sólidos a través de sistemas hidráulicos, como se mencionó anteriormente, se requiere determinar qué opción resulta ser más atractiva técnica y económicamente, si efectuarlo en un sistema a presión o a superficie libre. Si la diferencia de cotas permite un flujo gravitacional, entonces ambas opciones podrían ser factibles de efectuar, condicionado a la ingeniería del problema (obras civiles, métodos constructivos, mantención, etc.). A continuación se presenta un paralelo entre ambos tipos de sistema de transporte: Factor

Transporte por Canaletas

Transporte por Tuberías

Perfil topográfico

Debe ser monótonamente decreciente. Sólo

Sólo se requiere que la pendiente media

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Curso de Canaletas 19

longitudinal

en casos excepcionales pueden aceptarse

debe sea decreciente.

pendientes adversas y en tramos cortos. Variación de la velocidad

La velocidad de escurrimiento es menos

La velocidad del flujo es proporcional al

sensible al cambio de caudal.

caudal.

(V Restricciones Operacionales

∝ Q k ; k < 1)

(V

∝ Q k ; k = 1)

Capacidad máxima de transporte estará

Capacidad máxima de transporte estará

dada por velocidades y alturas máximas

dada por velocidades y presiones máximas

admisibles.

admisibles.

Inspección y

Inspección, detección, reparación y otros

Inspección y mantención es más difícil

Mantención

problemas son más fáciles de efectuar.

efectuar generalmente.

Disipación de

Obras hidráulicas requeridas suelen tener

Técnicas de disipación de energía son fáciles

exceso de

grandes dimensiones y pueden ser

de implementar y operar.

energía

complicadas de operar Cambios operacionales están restringidos a

Cambios operacionales están restringidos a

Flexibilidad a

factores constructivos (elevación de

la máxima velocidad y presión admisible.

cambios

paredes, etc.), máxima velocidad admisible

Frente a requerimientos de energía adicional

operacionales

e inestabilidades en el flujo (formación de

pueden ser utilizados equipos de bombeo.

ondas superficiales).

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 20

NOCIONES DE REOLOGÍA 4.0

INTRODUCCIÓN Desde las primeras décadas del siglo XX se pudo constatar cuantitativamente en forma clara y definitiva que ciertos fluidos mostraban comportamientos que no eran descriptibles mediante la ley de la viscosidad de Newton. Se les denominó fluidos no newtonianos. El estudio de estos fluidos y de otros medios continuos que no seguían las leyes tradicionales llevó a la creación de una ciencia que surgió inicialmente como una rama de la Mecánica de Fluidos y de la Mecánica de los Sólidos Deformables: la Reología. Ocurre que las pulpas mineras se comportan con frecuencia como fluidos no newtonianos y entonces conocer estos es relevante.

5.0

CURVA REOLÓGICA Esta curva, en términos sencillos, puede concebirse como el resultado del siguiente ensayo imaginario (Figura 3.4-1):

du dt

u + du

dy

dγ

u

Figura 3.4-1

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 21

Sea un escurrimiento en una dirección invariable. Más específicamente, se considera la capa de fluido comprendida entre dos planos paralelos separados a una distancia dy. Estos planos están orientados en la dirección del movimiento. En el plano superior el fluido tiene una velocidad superior en du a la del plano inferior. Aparece una tensión tangencial τ. Asimismo, se produce una deformación angular dy. Es fácil ver que:

du dγ = = γ& dy dt

γ&

5-1

: Velocidad de deformación angular

Si se miden du/dy y τ para diferentes valores del gradiente de velocidades se puede definir una curva:

 du 

τ = f   = f (γ& )  dy  Ella es la curva reológica, diagrama reológico o reograma del fluido considerado. En lo que sigue, salvo excepciones: [ γ& ] = [sec-1]

N   dina  [τ] = [Pa ] = 1   = 10  2 2 m   cm  5.1

DEPENDENCIA DEL TIEMPO Existen fluidos cuyas propiedades reológicas varían con el tiempo. Se distinguen dos grupos:

5.1.1 FLUIDOS TIXOTRÓPICOS Si la tensión tangencial disminuye con la duración de la deformación para una velocidad de deformación fija, se habla de un fluido que exhibe tixotropía. 5.1.2 FLUIDOS REOPÉCTICOS Están caracterizados por un aumento con el tiempo de la tensión tangencial necesaria para mantener un valor constante de la velocidad de deformación angular. No se encuentran frecuentemente. Puede observarse comportamiento reopéctico en suelos lateríticos (Klein [14], 2002).

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 22

5.1.3 COMPORTAMIENTOS MIXTOS Muchos materiales muestran elasticidad y/o plasticidad, dependiendo de su estructura interna y de las fuerzas aplicadas. 5.2

FLUIDOS VISCOELÁSTICOS Ellos muestran simultáneamente características viscosas y elásticas. Como ejemplo se pueden dar todos los polímeros fundidos. Este comportamiento puede ser importante en cambios bruscos de flujo o en escurrimientos que oscilan con altas frecuencias. Por otra parte, en flujos estacionarios o no estacionarios con procesos largos en el tiempo la viscoelasticidad no muestra efectos sensibles. Como otros ejemplos de variaciones reológicas asociadas al tiempo se pueden citar algunos barros tratados a partir de aguas servidas (Monteiro y Tentugal Valente [15], 1996) y suspensiones de arcillas con agregado de floculantes (Gilchrist y Chandler [16], 1996), los que mostraron comportamiento tixotrópico. Sampaio y Brandao ([17], 2004) ensayando concentrado de hierro de Samarco constataron que las curvas reológicas descendían significativamente con el tiempo de agitación previa a que se las sometía. El descenso en la tensión tangencial alcanzaba 4 [Pa] después de agitar 24 horas. Vlasak et al ([18], 2004) experimentaron con cenizas de d50 igual a 14 [µm]. Se pudo constatar una disminución a la mitad de la pérdida de carga requerida para mover la pulpa transcurrido un tiempo cercano a 4 horas. Schaan et al ([19], 2004) mostraron en una pulpa de arcilla floculada que el torque requerido para cizallarla se reducía en más de la mitad después de operar algo más de media hora, alcanzando un valor asintótico. Wang et al ([20], 1994) compararon diferentes muestras de arcilla de diferentes composiciones, encontrando comportamiento tixotrópico para algunas y reopéctico para otras.

5.3

TIPOS DE COMPORTAMIENTO REOLÓGICO Algunos casos importantes de diagramas reológicos se esquematizan en la Figura 5.3-1: - Newtoniano, Curva A - Pseudoplástico, Curva B - Dilatante, Curva C

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 23

- Plástico ideal, Curva D - Pseudoplástico con tensión de fluencia, Curva E - Dilatante con tensión de fluencia, Curva F

Figura 5.3-1 Obsérvese que el fluido newtoniano mantiene una viscosidad invariable. Por su parte el pseudoplástico disminuye monótonamente su viscosidad al aumentar la tasa de deformación angular. Contrariamente el reopéctico aumenta su viscosidad con γ& . Los otros casos indicados muestran tensión de fluencia, esto es, es necesario superar una tensión tangencial crítica τ f para que el fluido se ponga en movimiento. 5.4

MODELOS REOLÓGICOS Son expresiones de la curva reológica. Los más usados en reología de pulpas son: -

Pseudonewtoniano

τ = µ γ&

Área Hidráulica

5-2

Curso de Canaletas 24

-

Bingham

τ = τ f + µ B γ&

-

5-3

(Plástico ideal)

Ostwald y de Waele (Brauer [21]):

τ = K γ& n

(Pseudoplástico o dilatante, según si

n< 1 o

n >1,

5-4

respectivamente)

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 25

-

Herschel y Bulkley (Coussot [22])

τ = τ f + K γ& n

-

5-5

(Pseudoplástico o dilatante con tensión de fluencia)

Casson (Kruyt y Verel [23]). 5-6

τ = τ f + µ c γ& n (Pseudoplástico con tensión de fluencia)

6.0

DEFINICIONES DE LA VISCOSIDAD En el caso general se pueden definir dos viscosidades (Figura 5.4-1):

Figura 5.4-1

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 26

- Viscosidad aparente (o "viscosidad secante"). Se define como:

µa =

τ γ&

6-1

Si se trata de un fluido newtoniano:

µ a = µ = cte En todos los otros casos µa depende de γ& y entonces no está bien definida salvo que se especifique el valor de γ& . En particular, para el plástico ideal y el pseudoplástico

µa decrece con γ& . - Viscosidad local (o "viscosidad tangente"):

µ1 =

dτ dγ&

6-2

Para un fluido newtoniano:

µ1 = µ a = µ = cte Para un fluido Bingham:

µ1 = µ B = cte Salvo en estos dos casos, µ1 varía con γ& . Se suele también emplear la noción de viscosidad aparente asintótica µ ∞ : τ  µ ∞ = Lím   γ& 

γ& → ∞

En algunos casos este límite no existe. Para los modelos de Bingham y de Casson, respectivamente:

µ∞ = µ B µ∞ = µc

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 27

Se deduce que, en general la viscosidad aparente y la local son nociones que carecen de significado salvo que se especifique el valor de γ& para la cual fueron medidas. Si se comparan estas cantidades en muestras o ensayos diferentes, la comparación debe hacerse para un valor común de γ& .

7.0

DEPENDENCIA DE LOS PARAMETROS REOLÓGICOS EN UNA PULPA Los parámetros (µ, µb, µc, τf, K, n, etc.) que aparecen en los modelos reológicos dependen, como es natural, de las propiedades de la pulpa y de una lista larga de variables. Las más importantes son: - Concentración - Granulometría (gruesos y finos) - pH No olvidar que el pH es un reflejo de varios aspectos: potencial Z, cargas eléctricas, composición mineralógica, etc.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 28

CARACTERIZACIÓN DE PARTÍCULAS SÓLIDAS 8.0 8.1

CARACTERIZACIÓN DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS INTRODUCCIÓN La definición de las partículas es un problema difícil, si se piensa que ellas no solo pueden diferir en el tamaño y la forma e incluso en la densidad. Cuando son muy pequeñas (con un tamaño del orden de micrones) las fuerzas de Coulomb, de Van der Waals y aquellas asociadas al movimiento browniano pueden ser preponderantes respecto a las gravitatorias. Asimismo, si las partículas miden decenas de micrones o menos y existen meniscos capilares (asociados normalmente a burbujas) las fuerzas de tensión superficial o de Laplace son relevantes frente al peso (Molerus [24], [25]).

8.2

TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS Se tomarán aquí las definiciones del tamaño que se emplean habitualmente en Hidráulica Fluvial (García Flores y Maza Álvarez [26], Bañón [27]): Diámetro nominal (dnominal): es el diámetro de una esfera que tiene el mismo volumen de la partícula. Diámetro de sedimentación (dsedimentación): es el diámetro de una esfera de la misma densidad y de la misma velocidad de sedimentación W de la partícula sedimentando en el mismo fluido (iguales condiciones de temperatura y presión). Diámetro de tamiz (dtamiz): longitud del lado de una abertura cuadrada de una malla por la cual la partícula pasa ajustada. Un problema frecuente es el de relacionar el diámetro de tamiz y el diámetro nominal. Existe afortunadamente una relación empírica sencilla entre estas magnitudes (García Flores y Maza Álvarez [26]):

d tamiz = 0.9 d nominal

8-1

She et al. [28] proponen una relación cercana:

d tamiz = 0.87 d nominal

Área Hidráulica

8-2

Curso de Canaletas 29

8.3

FORMA DE LAS PARTÍCULAS Como se ha visto en el punto anterior, la forma de las partículas se refiere habitualmente a una esfera. Obviamente, esto es todo falso en la mayor parte de los casos reales: las partículas provenientes de operaciones industriales ostentan formas irregulares. Se han realizado numerosos intentos de definir en términos analíticos sencillos la forma de las partículas (She [28], Graf [29]). Algunos de estos planteamientos son: - Esfericidad de Wadell (Pettyjohn y Christiansen [30]) - Área superficial (Alger y Simons [31]) - Dimensiones triaxiales (Corey [32]) En lo que sigue se considerará solamente el criterio de Corey: a la partícula real se le circunscribe un elipsoide imaginario de semiejes a, b y c (c < b < a). El tamaño de la partícula queda descrito por a, b y c, y la forma por el elipsoide correspondiente.

Si la partícula es completamente convexa y no demasiado angulosa esta definición se intuye como satisfactoria. Pero lo contrario ocurre si la partícula muestra concavidades, es muy angulosa o tiene perforaciones. 8.4

CURVA GRANULOMÉTRICA Su conocimiento es esencial para el flujo de suspensiones, ya que tanto la velocidad, la fricción y la capacidad portante de la mezcla dependen del tamaño y distribución de las partículas. Así: - Los grandes diámetros definen en forma decisiva la tasa de desgaste. - Los diámetros más pequeños influyen en el comportamiento reológico de la suspensión. - El diámetro mediano (50%) o d50 caracteriza el conjunto para ciertas propiedades. Si hay que analizar y/o explicar los efectos de la curva granulométrica es indispensable realizarla completa y no solamente para el rango de los diámetros de tamiz.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 30

8.5

DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO DE LAS PARTÍCULAS Cuando se trata de partículas provenientes de minerales asociadas a cuarzo, sus densidades son cercanas a la de este compuesto:

ρp= 2.65 [g/cm3] = 2.650 [Kg/m3] A menudo se encuentra en las faenas mineras que la densidad de las partículas naturales no se alejan mucho de estas cifras: es típico encontrar valores entre 2.700 y 2.900 [Kg/m3]. En muchas aplicaciones se emplean los siguientes valores adimensionales como característicos de las partículas: - Densidad relativa o peso específico relativo:

S=

ρp ρl

8-3

Peso específico relativo submergido:

∆=

ρ p − ρl = S −1 ρl

ρp

: Densidad de las partículas

ρl

: Densidad del líquido

Área Hidráulica

8-4

Curso de Canaletas 31

9.0 9.1

GASTOS, CAUDALES Y DENSIDADES DE PULPAS INTRODUCCIÓN Desde el punto de vista de sus propiedades intrínsecas, el escurrimiento de un fluido homogéneo e incompresible queda definido por su densidad (ρ) y su viscosidad (µ). En cambio, si se trata de una suspensión, hay que especificar un número más elevado de propiedades para definirla en forma precisa. Más aún, existen aspectos físicos que deben introducirse especialmente.

9.2

CONCENTRACIONES Y DENSIDADES DE LA PULPA Se considera una muestra de la suspensión. Se definen, para esta muestra:

Mp : Masa de las partículas Ml

: Masa del líquido

M

: Masa total

Vp

: Volumen ocupado por las partículas

Vp

: Volumen ocupado por el líquido

V

: Volumen total

Obviamente:

M = M p + Ml

9-1

V = V p + Vl

9-2

Habitualmente la concentración de una pulpa minera se expresa mediante los parámetros siguientes: Concentración en masa (o en peso) Cm:

Cm =

Mp

9-3

M

Concentración en volumen Cv:

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 32

Cv =

9-4

Vp V

Densidad de la suspensión, densidad media o de la mezcla ρm 9-5

M V

ρm =

También interesa la densidad relativa de la mezcla Sm:

Sm =

ρm ρl

9-6

Asimismo se emplea la razón sólido - líquido Xsl:

X sl =

9-7

Vs Vl

Para algunas aplicaciones se requiere emplear la porosidad ε:

ε=

9-8

Vl V

Estas expresiones tienen diferentes empleos: si bien en los estudios teóricos es más significativa la concentración en volumen Cv, en la práctica industrial es de mayor utilidad la concentración en masa o en peso Cm. Es necesario expresar estas cantidades unas en función de las otras. Por ejemplo, la densidad de la mezcla puede expresarse, sucesivamente:

Vp V M = ρp + ρl l V V V Vp V −Vp ρm = ρ p + ρl V V ρ m = ρ p ·C v + ρ l − ρ l ·C v

ρm =

Entonces:

ρ m = ρ l + ( ρ p − ρ l ) Cv

Área Hidráulica

9-9

Curso de Canaletas 33

Procediendo análogamente se encuentra: S m = 1 + ( S − 1) C v

9-10

Cv =

Cm C m + S (1 − C m )

9-11

X sl =

Cv 1 −C v

9-12

Para ciertos cálculos se requiere emplear la concentración volumétrica superficial Ca, definida como el área ocupada por el sólido en una sección dividida por el área total de esta sección. Es obviamente una cantidad engorrosa de medir, pero felizmente un cálculo realizado por Rietema [33] permite demostrar que:

Ca = Cv Esto es, la concentración superficial y la concentración volúmica son iguales. 9.3

VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN

Un parámetro que resulta primordial en el estudio de suspensiones es la velocidad de sedimentación, de decantación o de caída uniforme W de las partículas. Se tratará aquí el caso de sedimentación estacionaria en cuyo caso W no varía con el tiempo. Empero, el caso de movimiento acelerado de partículas es también importante en numerosos casos prácticos. Al respecto se puede consultar, por ejemplo, Brush et al [34], Fortier [35] Ivergniaux [36], Fuentes et al [37] y Alonso [38]. 9.3.1 CASO DE UNA PARTÍCULA ÚNICA EN UN MEDIO ILIMITADO

Realizando un balance de fuerzas entre el peso de la partícula, el empuje de Arquímedes asociado y la ley de Newton para la resistencia hidrodinámica se encuentra:

W =

2

∀p 1 g (S - 1) Ca Ap

9-13

Vp: Volumen de la partícula Ap: Área transversal (cupla maestra) de la partícula

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 34

Ca: Coeficiente de arrastre hidrodinámico

C a depende del número de Reynolds Re(W, l, ν) y del Factor de forma de la partícula FF. Por lo que se tiene que:

C a = C a ( Re , FF ) El parámetro l es una dimensión lineal que caracteriza el tamaño de ella (por ejemplo, diámetro en el caso de una esfera, largo de la arista en el caso de un cubo). Así, el Re puede escribirse como

Re = W l / ν

9-14

En tanto, el FF (por ejemplo, razones entre ejes en el caso de un elipsoide) La relación Ca(Re, FF) es conocida en varios casos (Rouse [39], Schlichting [40]) Si se trata de una esfera de diámetro d, entonces: 4 1 g (S - 1) d 3 Ca

W =

Re =

W d

9-15

9-16

ν

El problema que se presenta es que W interviene en el número de Reynolds y entonces el cálculo de W debe hacerse mediante un proceso de cálculo fastidioso e inexacto. Se han diseñado gráficos para calcular W en forma directa. Un ejemplo de estos diagramas se muestra en la Figura 9.3-1 (Gates et al [41]). Obsérvese que solo es válido para agua a 20 [oC] y que W se expresa en pies por minuto. Si Re 7.5 es conservativa la fórmula de Hall:

Qaire 2 = 0.0058Fr Qagua

30-3

Ambas fórmulas tienen la siguiente forma:

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 126

Qaire = C' Qagua

30-4

Se considera recomendable usar el mayor valor de C’ de las dos fórmulas expuestas para calcular la profundidad considerando la incorporación de aire:

Y = 1 + C' Yo

30-5

Y: Profundidad considerando incorporación de aire Yo: Profundidad sin considerar aire En lo que sigue, se supondrá que la incorporación de aire está tomada en cuenta.

Figura 30.2-1. Fórmulas empíricas para la incorporación de aire

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 127

30.3

PERALTE DEBIDO A LAS CURVAS

Como ya se indicó en un punto anterior solamente interesa el escurrimiento supercrítico. En esta situación, el fenómeno es esencialmente tridimensional y se manifiesta como un tren de ondas cruzadas. En este caso, como ya se expuso anteriormente, para calcular el peralte se puede calcular empleando la teoría de Ippen [112] en una versión simplificada, desarrollada por él mismo con la colaboración de Knapp. Las siguientes fotografías muestran el fenómeno de ondas cruzadas que se han observado en una canaleta real. La última foto de la serie muestra una onda de laminarización. Ella se incluye aquí para enfatizar que las sobreelevaciones pueden tener orígenes diversos. Mediciones realizadas por la empresa consultora CADE-IDEPE [163], indicaron que las fórmulas para la sobreelevación de Ippen y Knapp subestimaban la sobreelevación producida por las ondas. En base a dichas mediciones CADE IDEPE propone mayorar en 15% los valores para la sobreelevación de Ippen y Knapp. CADE-IDEPE atribuye esta discrepancia a efectos conjuntos de diferentes curvas. Se considera que esta explicación es correcta, basado en experiencias similares de JRI [164]. Es más, en casos especiales el problema podría ser mayor.

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Curso de Canaletas 128

Área Hidráulica

Figura 30.3-1

Figura 30.3-2

Figura 30.3-3

Figura 30.3-4

Figura 30.3-5

Figura 30.3-6

Curso de Canaletas 129

30.4

REVANCHAS

La revancha o borde libre no es una magnitud fácil de calcular en forma segura dado que ella depende de escenarios posibles, pero que no pueden explicitarse en forma precisa. Por ejemplo, creces imprevistas o crecimiento de vegetación parásita en canales de riego. Para los canales de riego se le trata, plausiblemente, como una envolvente de casos reales. Tal tratamiento no es viable en faenas industriales mineras por falta de información sistemática suficiente y entonces hay que acudir a algunas "recetas" que sean (en lo posible), razonables y que tengan un fundamente físico claro. De todos modos, y como referencia, para canales presumiblemente de riego y en régimen tranquilo, Sotelo [109] ha recopilado información de diferentes fuentes. De ella se deduce que la revancha para canales que transportan 1,5 m3/sec debe ser entre 0.3 y 0.5 [m]. Para transporte de relave en canaleta sin cubierta, JRI ha considerado como revancha mínima los siguientes criterios: En tramos rectos, se considera como revancha la altura que alcanzaría una partícula que viaja en la superficie de escurrimiento a una velocidad media, transformando toda su energía cinética en energía potencial. Este valor de revancha equivale entonces a una altura de velocidad. En tramos curvos, se debe considerar en el diseño de la altura de la pared de la canaleta, el peralte que se produce por ondas cruzadas. Por lo tanto, la altura de diseño de la pared será equivalente a la suma de la altura normal de escurrimiento en el tramo recto que precede a la curva, el peralte producido por ondas cruzadas y una revancha equivalente a una altura de velocidad. Estos criterios se aplican considerando siempre el caudal máximo. Los registros industriales indican que los diseños proyectados con estos criterios han tenido un comportamiento satisfactorio. Para condiciones de operación eventual (de baja probabilidad de ocurrencia) se pueden aceptan revanchas menores. Bajo esta condición, por ejemplo, PSI-JRI ha definido los criterios siguientes para definir la revancha:

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 130

En tramos rectos de canaleta, para el flujo máximo eventual y rugosidad de Manning mínima podrá rebajarse hasta la mitad de una altura de velocidad con un valor mínimo de 0.5 [m]. En tanto, para tramos en curvas la revancha se definirá como 0,8 veces la altura de velocidad con un valor mínimo de 0,5 [m] sobre la altura peraltada por la curvatura. Para la sobreelevación producida por ondas cruzadas se recomienda emplear las fórmulas de Ippen y Knapp, con la modificación propuesta por CADE - IDEPE. En casos complejos (curvas y contracurvas, curvas a la salida de cajones, etc.) se recomienda realizar un estudio ad hoc con medidas de terreno. En resumen: REVANCHA EN TRAMOS RECTOS

Es deseable considerar una altura de velocidad sobre la altura de escurrimiento. Para el flujo máximo eventual y rugosidad de Manning mínima podrá rebajarse hasta la mitad de una altura de velocidad con un valor mínimo de 0,5 [m]. REVANCHA EN CURVAS

Es deseable contar con una revancha de una altura de velocidad sobre la altura de escurrimiento, incluyendo el peralte estimado. Otro criterio aceptable es definir la revancha como 0,5 [m] Estos valores pueden ser retocados si se basan en medidas directas in situ. 31.0 31.1

VELOCIDADES DE OPERACIÓN VELOCIDAD DE OPERACION MINIMA

Se debe considerar una velocidad mayor o igual que 1.1VL (Velocidad límite de depósito). 31.2

VELOCIDAD DE OPERACION MAXIMA

Se aceptan velocidades menores que 4 [m/sec]. Esto para evitar tasas de desgaste muy intensas.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 131

32.0

FACTOR DE FORMA DE LA SECCION

Se define como factor de forma de la sección al parámetro:

λ=

Y B

32-1

Y: Profundidad B: Ancho de la sección rectangular Se puede demostrar (Domínguez [59]) que el gasto Q y la velocidad V, para un área dada A se hace máximo para:

λ = 0,5 Por lo tanto es deseable que λ sea cercano a 0,5. Es entonces razonable considerar como buena práctica de diseño una banda más ancha:

λ ≈ 0,3 − 0,6 33.0 33.1

RÁPIDOS DE DESCARGA EN CANALETAS DE PULPA INTRODUCCIÓN

Se trata de canaletas de grandes pendientes, ya que su función es vencer diferencias importantes de cota en zonas montañosas y por lo tanto escarpadas. Las pendientes en los rápidos de la División Andina (Codelco - Chile) varían entre 0.2 y 0.8 (CADE - IDEPE [165], 2004). En los rápidos de la División El Teniente (Codelco - Chile) ellas están en el intervalo 0.12 a 0.59 (JRI [166], 2002). Las longitudes son cercanas 100 [m]. Un croquis de las secciones se muestra en la Figura 33.1-1.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 132

Figura 33.1-1. Croquis de las secciones La razón de que las secciones sean dobles radica en las grandes velocidades y la abrasividad de la pulpa causa fuertes desgastes. Cuando hay que hacer reparaciones se envía el flujo por una sola sección. La forma trapecial de las canaletas en la zona inferior permite tomar en cuenta la abrasión causada por vórtices en las esquinas (corrientes secundarias). El material es concreto preparado especialmente. La División El Teniente ha realizado largos y prolijos estudios con diferentes tipos hasta llegar a una composición del concreto que permite campañas cercanas a un año antes de requerir reparaciones. Una vista del flujo en un rápido de División Andina (Codelco – Chile) se muestra en la Figura 33.1-2.

Figura 33.1-2 Flujo de pulpa en un rápido

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 133

33.2

FRICCIÓN

Se considera aplicable la fórmula de Manning, por extensión, ya que ella ha sido usada exitosamente para el diseño de rápidos de descarga que conducen agua:

V=

1 2/3 Rh sin θ n

33-1

V: Velocidad media en la sección Rh: Radio hidráulico n: Coeficiente de rugosidad de Manning.

θ : Ángulo del fondo de la canaleta con la horizontal A continuación se presentan los valores recomendados del coeficiente de Manning para el transporte de agua y para el transporte de pulpa. 33.3

AGUA

Hall ([167], 1943) realizó un trabajo pionero sobre la fricción y el arrastre de aire en rápidos. Sus resultados no son muy claros, debido a consideraciones sobre el arrastre de aire (ver discusiones). USBR (Design of Small Canal Estructures) ([168], 1978): n = 0.014 cálculo de la profundidad máxima n = 0.010 cálculo de la velocidad máxima USBR (Design of Small Dams) ([169], 1987): n = 0.014 cálculo de la profundidad máxima n = 0.008 cálculo de la velocidad máxima 33.4

PULPAS

33.4.1 ANTECEDENTES EXPERIMENTALES

En 1995 se realizaron mediciones en una cascada piloto, en Andina [170]. La superficie era de albañilería de bloques de piedra. Los valores de n resultaron muy dispersos, variando entre 0.011 y 0.030. Un valor representativo del conjunto es n

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 134

= 0.015. La razón de la dispersión encontrada se debe, plausiblemente, a la pequeñez de las profundidades y la dificultad concomitante para medirlas. En todo caso se debe mencionar que para la mampostería de piedra (dressed ashlar) Chow [56] da: nmax = 0.017 nmedio = 0.015 nmin = 0.013 Por lo tanto, el valor medio encontrado en la canaleta piloto es razonablemente coincidente con los encontrados para el agua. Se hicieron asimismo cinco medidas en la cascada No. 2 de Teniente [170]. Los resultados oscilan entre 0.031 y 0.044, con un valor medio de 0.034. En 2002 se realizaron 23 medidas (muy burdas) en las cascadas de El Teniente [166]. Las mediciones de niveles eran muy burdas. Debido a las incesantes oscilaciones presentes, se tomaron valores mínimos y máximos de la profundidad. Para Y mínimo: n = 0.019 Para Y máximo: n = 0.032 El rango que da Chow para concreto terminado con espátula (trowel finish) es de 0.011 a 0.015 con un valor medio de 0.013. Como una referencia directa en la Figura 33.4-1 se muestra un trozo del revestimiento desgastado de uno de los rápidos de El Teniente.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 135

Figura 33.4-1 Trozo de revestimiento extraído desde un rápido con desgaste uniforme.

Los antecedentes expuestos no permiten fijar un valor único de n. La banda examinada es muy amplia: n (0.009 → 0.04) según los casos y el empleo que se hace del coeficiente n. 33.5

CONCLUSIÓN

Se sugiere que, si no se toma en cuenta la incorporación de aire ni las ondas rodantes: n = 0.012 para calcular la velocidad máxima. n = 0.035 para calcular la altura máxima. 33.6

PERALTE DEBIDO A LA INCORPORACION DE AIRE

Según Lane (1939, Montes [85]), el inicio de la incorporación de aire se produce cuando la capa límite turbulenta, que se desarrolla desde el contorno, llega a la superficie libre (Figura 33.6-1). Este aspecto es visible en los rápidos de El Teniente y confirma entonces la noción de que la incorporación de aire en instalaciones que transportan agua es similar para los relaves. Dado que la longitud requerida para el desarrollo de la capa límite en los rápidos es sólo de algunos metros en las canaletas de relave, ello carece de importancia práctica y es posible considerar que toda la corriente en el rápido ha incorporado aire.

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Curso de Canaletas 136

Incorporación de Aire Capa Límite

Figura 33.6-1. Efecto que muestra la incorporación de aire a partir de que la capa límite alcanza la superficie del líquido

33.6.1 ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE AIRE INCORPORADO

La incorporación de aire puede estimarse empleando diferentes fórmulas empíricas, una comparación de ellas se muestra en la Figura 30.2-1(Volkart [162]). La más destacada es la propuesta por Douma, que relacionan el caudal de aire incorporado al flujo Qaire con el caudal sin considerar la incorporación de aire Qagua en función del número de Boussinesq (Bou) mediante la siguiente expresión:

Qaire 1 1 2 = Bou - 1 Qagua 10 5

33-2

Bou es el número de Boussinesq y se define como:

Bou ≡

Vagua

33-3

g Rh

Donde Vagua: Velocidad de Escurrimiento Rh: Radio Hidráulico g: Aceleración de gravedad

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 137

Los parámetros anteriores se calculan sin considerar la incorporación de aire. Se observa que la fórmula de Douma es conservativa respecto a las otras para valores del número de Boussinesq Bou entre 3 y 7.5. Para Bou > 7.5 es conservativa la fórmula de Hall:

Qaire 2 = 0.0058Fr Qagua

33-4

Ambas fórmulas tienen la siguiente forma: 33-5

Qaire = C' Qagua

Se considera recomendable usar el mayor valor de C’ de las dos fórmulas expuestas para calcular la profundidad considerando la incorporación de aire: 33-6

Y = 1 + C' Yo Y: Profundidad considerando incorporación de aire Yo: Profundidad sin considerar aire

En lo que sigue, se supondrá que la incorporación de aire está tomada en cuenta. 33.7

PERALTE CAUSADO POR ONDAS RODANTES (ROLL WAVES)

Estas ondas se producen por inestabilidades en la corriente asociadas a grandes pendientes y/o velocidades. Por ello no es raro que ellas se manifiesten claramente en la mayoría de los rápidos (Figura 33.7-1).

Figura 33.7-1. Croquis de una onda rodante.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 138

33.7.1 APARICIÓN DE LAS ONDAS RODANTES

Obviamente es de interés poder predecir si estas ondas se producen o no, ya que su presencia implica un peralte en la corriente. Montes [85] ofrece una recopilación sobre los estudios acerca de las ondas rodantes. La mayor parte de los trabajos se han realizado suponiendo un líquido puro. Un modelo útil es el de Montuori [171]:

g sin θ X V0

2

Ve =

33-7

M0 Ve  1  ln  Ve − 1 ε 

1+ m

=

2 Mo Fro (Número de Vedernikov – Craya) 3

 dχ  M 0 = 1 − ( R h )0    dA  0 Fr 0 =

33-8

33-9

V0 g

A0 B0

Las condiciones (0) se refieren al escurrimiento antes de la aparición de las ondas rodantes

θ : Ángulo del rápido con la horizontal X: Abscisa medida a lo largo de la canaleta

ε : Parámetro de ajuste m valdrá 2/3 si se usa la fórmula de Manning. Si se usa la de Chézy es 1/2. Estas relaciones permiten calcular la longitud X para que aparezca una onda rodante.

Dicho de otro modo, si se realiza un gráfico Ve = f(

g sin θ X Vo

2

) entonces existen

ondas rodantes para los valores que están sobre la curva.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 139

Observando los gráficos dados por Montuori

ε

resulta cercano a

ve que las curvas obtenidas son muy poco sensibles al valor de

10 −4 . También se

ε.

De las experiencias de Navarro et al. [170] se desprende que un valor muy conservativo es

10 −2 , pero 10 −6 es aceptable si se eliminan algunos valores

experimentales. Cassidy ([172] (1990)) ha realizado una investigación experimental con pulpas y ha encontrado una curva Ve = f(

g sin θ X Vo

2

) para ellas. Para el agua, empleó la

fórmula de Chézy (m=1/2). Para el relave, la curva es plausiblemente trazada a partir de los datos experimentales (Figura 33.7-2)

Figura 33.7-2

Se considera recomendable emplear ambos métodos y elegir dependiendo del juicio personal y de las conveniencias. 33.7.2 FRECUENCIA DE LAS ONDAS RODANTES

Del estudio de Navarro et al [170] se deduce que para una canaleta piloto (Andina) la frecuencia de las ondas rodantes es cercana a 1 [Hertz] y a 0.7 [Hertz] en un rápido de El Teniente. Por lo tanto es aceptable un valor de 1 [Hertz], como valor grueso.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 140

33.7.3 AMPLITUD ASOCIADA A LAS ONDAS RODANTES

USBR ([168], 1978) indica, para agua: 33-10

Ymax =2 Y0

Del trabajo experimental de Brock ([173], 1969) (agua), reanalizado por Montes [85], se deduce que:

S X Ymax = f  0 Yn  Yn

  

33-11

Ymax: altura máxima de la onda rodante medida desde el fondo Yn

: altura normal del flujo = Yo

X

: longitud del rápido

S0

: pendiente de rápido

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 141

Figura 33.7-3. Altura máxima y mínima para ondas rodantes, tomada de los datos de Brock, 1969

Por otra parte, de las mediciones realizadas por Navarro et al [170] se deduce:

Ymax ≅ 2.2 Y0

33-12

PSI – JRI ha considerado como valor de diseño para pulpas:

Ymax =2 Yn

33-13

Este valor no es preciso, ya que los experimentos no permitían separar el efecto del arrastre de aire. 33.8

SALPICADURAS

La incorporación de aire como burbujas en la corriente líquida va acompañada por la proyección desde el líquido de gotas que salpican (Volkart [162], 1978). La toma de la Figura 33.8-1, con un frecuencia estroboscópica de 49.5 Hz, muestra que una gota de agua con un tamaño de 6.3 mm, se vuelve inestable y se separa en dos o en más partículas. Al mismo tiempo, efectúa un corto trayecto de 45 cm, reduciendo su velocidad de 5.24 m/s a 4.7 m/s, y aumenta su altura de vuelo de 4.3 en a 7.4 cm. (Volkart [162]).

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 142

Figura 33.8-1

No ha sido posible, según el mismo autor, correlacionar estas burbujas y gotas con variables simples del escurrimiento. Estas salpicaduras, en el caso de un rápido conduciendo relaves son gotas de pulpa que se van adhiriendo a las paredes del canal y saltan más allá de los bordes (Figura 33.8-2) Dicho en términos prácticos, estas salpicaduras son un problema sin remedio y si debe evitarse que ellas se proyecten fuera de la canaleta, es necesario cubrir el rápido.

Figura 33.8-2. Fotografía que refleja el efecto de salpicaduras (corales de relaves) 33.9

REVANCHA

Según USACE ([174], 1992): Como mínimo: R = 0.62 [m]

33-14

Conservativamente:

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 143

R = 0.61 + 0.0373 V Y0

1/ 3

33-15

R, Yo [m] V [m/sec] Se dice explícitamente que esta altura se debe agregar al perfil líquido ya aumentado por efecto de incorporación de aire y de ondas rodantes, lo que indica que es efectivamente una revancha. Se estima que estas condiciones pueden aplicarse a rápidos que conducen pulpa. Según criterio de JRI, la revancha no podría tener un valor menor que 0.4 a 0.5 [m].

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 144

34.0 34.1

CAJONES GENERALIDADES

Las estructuras disipadoras que se instalan al final de rápidos y canales que transportan agua ostentan, en general, características diferentes que los cajones disipadores empleados en las canaletas que transportan pulpa. Clásicamente son fosas disipadoras que producen un resalto. Este resalto está controlado por aguas abajo mediante una barrera y/o por obstáculos para aumentar la disipación (por ejemplo, dientes de Rhebock). Ver CHOW [56]. Normalmente, el canal de evacuación es colineal con el rápido o canal de descarga. Las estructuras disipadoras empleadas en las faenas mineras muestran diferencias significativas con los disipadores clásicos. Por ejemplo: •

Pueden ser tapadas

•

No tienen elementos disipadores: la disipación se realiza ofreciendo un volumen suficiente.

•

La salida puede ser no colineal con la corriente de llegada.

No es raro entonces, que estas estructuras requieran criterios de diseño especiales. Se distinguen tres tipos de cajones:

34.2

•

Disipadores para rápidos

•

De caída (Drop Boxes) para canaletas de pendiente moderada

•

De traspaso, destinados a cambiar la dirección del escurrimiento en forma brusca y no paulatina como ocurre en las curvas.

CRITERIOS DE CÁLCULO PARA LA TRAYECTORIA DEL CHORRO

Este chorro corresponde al que emerge desde el final de un canal y que cae gravitacionalmente en un cajón. La trayectoria y las velocidades de este chorro pueden calcularse como un chorro libre que descarga a la atmósfera, sin tomar en cuenta disipación de energía y/o arrastre de aire adicional. Estas aproximaciones

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 145

están justificadas por la longitud relativamente pequeña de la trayectoria. Por otra parte, han sido verificadas experimentalmente en pulpas (Navarro et al. [170]). Las relaciones de cálculo son (Figura 34.2-1):

Y0 V0

x

θ0 0

V

yi

θ

IS

y

IF Figura 34.2-1

g X2 Y = tan (θ 0 ) X + 2 (V0 cos θ 0 )2

34-1

gX 2 gY = tan 2 θ 0 + − tan α 2 (V0 cos θ 0 ) (V0 cos θ 0 )2

34-2

V = V0 + 2 gY

34-3

2

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 146

tan θ = tan 2 θ 0 +

2 gY

34-4

(V0 cos θ 0 )2

Estas relaciones permiten calcular la posición del punto IS en que el chorro impacta en la superficie de la pulpa y la velocidad Vis en ese punto. Dentro de la napa de pulpa el chorro se expande recorriendo una línea recta. La velocidad de impacto en el fondo Vif puede estimarse:

Vi f Vi s

=C

De L'

34-5

De: Diámetro equivalente Q: Caudal de pulpa L’: Distancia entre IS y IF

De =

4 Q π Vi s

34-6

C es una constante cercana a 6 [110]. 34.3

CRITERIOS DE DISEÑO EMPLEADOS POR JRI Y PSI-JRI

34.3.1 CAJONES DISIPADORES (FINAL DE RAPIDOS)

Figura Nº 2. Esquema de las dimensiones de Cajones Disipadores

El valor de a se calcula como 3.85 veces la altura crítica del canal de salida.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 147

El nivel N de la pulpa en el cajón, medido desde el fondo de este y cerca de la sección de salida (aguas abajo del baffle) se calcula como a + 1.5 veces la energía específica Ec correspondiente a la sección de salida. La pérdida de carga del orificio formado por el ancho del cajón y la distancia vertical entre el fondo y el borde inferior del bafffle se estima como 7 a 9 alturas de velocidad en el orificio. La distancia vertical entre el nivel de pulpa y el radier de la canaleta de llegada será 0.5 alturas de velocidad del flujo afluente. Se considera que el chorro de pulpa no debe tocar el fondo del cajón con una velocidad superior a 6 [m/sec]. Para la longitud se emplea 2 veces la distancia horizontal que recorre el chorro hasta llegar a la superficie de la pulpa. El ancho del cajón se da como 2.5 veces el ancho de la sección de entrada. 34.3.2 CAJONES DE CAÍDA

Estos cajones tienen como objetivo el ajuste de trazado respecto a la topografía del terreno.

Figura 34.3-1. Esquema de las dimensiones de los cajones de caída (Drop Boxes)

El valor de a se calcula como 3.85 veces la altura crítica del canal de salida. El nivel N de la pulpa en el cajón, medido desde el fondo de éste se calcula como a más la energía específica crítica Ec crítico de la sección de salida (a + Ec). Para la longitud se emplea 1.5 a 2 veces la distancia horizontal (Xp) que recorre el chorro hasta llegar a la superficie de la pulpa. El ancho del cajón se da como 2.5 veces el ancho de la sección de entrada.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 148

35.0

DISEÑO DE CAJAS DE TRASPASO DE PULPAS

En las empresas mineras se debe diseñar, en forma habitual cajas de traspaso y/o cajas mezclado de pulpas, con descarga gravitacional en tubería (ver Figura 34.3-1).

Figura 34.3-1

Antiguamente (varias décadas atrás), dichas cajas no tenían un análisis hidráulico y se diseñaban directamente por los mecánicos según su mejor visión. Las experiencias industriales de estos diseños mostraron múltiples fallas operacionales, con frecuentes reboses de pulpa o espuma, impermanencia de flujos e incluso embanques. Todo ello a pesar que la tubería de salida de la caja haya sido bien diseñada (en diámetro y pendiente). A principios de la década del 80, el consultor Sr. Juan Rayo aprovechó un estudio encargado por la empresa Cía. Minera Disputada (hoy MSA), para efectuar un conjunto de alrededor de 10 mediciones industriales en las cajas de traspaso de pulpa del concentrador San Francisco (hoy destruido). Las mediciones consistieron en medir la altura de carga de la pulpa en la caja de traspaso en relación al eje de la tubería de descarga, calcular el flujo de salida por balance metalúrgico y calcular cuántas “alturas de velocidad” requerían estas cajas de traspaso, considerando que la tubería aguas abajo tenía la pendiente para operar a superficie libre (ver Figura 34.3-2).

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 149

Figura 34.3-2

Siendo:

h=K

V2 2g

35-1

Teóricamente, si el flujo fuese ideal (sin viscosidad), el valor de K sería 1. Vale decir toda la energía potencial se transforma en cinética. Si el flujo fuese agua, pero el estanque es de grandes dimensiones y con flujos quietos, el valor de K sería de 1,5, ya que se incluye el valor típico de la pérdida de carga de una singularidad de entrada. Sin embargo, dado que una caja de trasporte de pulpas tiene torbellinos internos, arrastre de aire, mezclado de pulpas y la tendencia de decantación, es más difícil formar las líneas de escurrimiento para la descarga hacia la tubería. Las mediciones experimentadas realizadas por J. Rayo indican que el valor de K varía entre un mínimo de 4.0 y un máximo de 7.0, dependiendo del nivel de espumación de la pulpa. Para pulpas espumosas el K es mayor. El resultado fue importante a nivel de diseño, ya que si se usa un K conservador en el cálculo las alturas de carga de estas cajas resultan ser muy altas. Por ejemplo, para una velocidad máxima de salida de 3 m/s, que es un valor habitual en pulpas, se requerirá sobre 3 metros de altura de carga, lo que en la mayor parte de los casos no es práctico a nivel de diseño. Para resolver el problema, se instituyó el esquema “hocico de pato”, que son las salidas tipo embudo deformado desde los cajones de traspaso.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 150

Estas salidas permiten facilitar las descargas de la caja, reduciendo la velocidad de salida al tener un área de flujo mayor (ver Figura 34.3-3).

Figura 34.3-3

El área de contacto de la pieza especial con el cajón es normalmente superior al doble del área del tubo de descarga. En este caso, el valor de la altura de carga se reduce a:

V2 h = (4a 7 )x 2g

A x 2  A1

  

35-2

2

En el ejemplo anterior, la altura de carga se reducirá a valores inferiores a 1 metro, lo que posiblemente sea más fácil de manejar. Como criterios de diseño de las cajas de traspaso se recomienda lo siguiente: El volumen de la caja no debe ser muy grande (produce embanque), ni muy chico (salpica mucho). Un tiempo de residencia de 10 a 20 segundos es normalmente adecuado. La descarga lateral debe tener una pieza especial (hocico de pato), con su área mayor superior al doble de la tubería de descarga. El largo de la pieza no debería ser inferior a 2 diámetros de la tubería. Es conveniente poner venteos en caso de pulpas muy espumosas, cuyo diámetro debe ser cercano al 25% del diámetro de la tubería. Ver Figura 34.3-4.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 151

Figura 34.3-4

Calcular la altura del cajón con una holgura del 50% c/r a la altura de carga máxima, para evitar salpicaduras. El valor de K recomendado para diseño es de 4 para pulpas de mineral y relaves, 6 para concentrados de cobre y 7 para concentrados de molibdeno. 36.0

DESGASTE EN CANALETAS

El desgaste en sistemas que transportan pulpa es un tema muy importante ya que limita la vida útil de las instalaciones y/o obliga a reparaciones y recambios lentos y costosos. Empero es un problema cuyo estudio está lejos de completarse. Una de las razones es que la lista de variables que intervienen es muy larga. Una lista parcial ha sido elaborada por Wasp et al. [176]. Canaletas cortas pueden fabricarse en materiales relativamente resistentes a la abrasión (acero, acero revestido en caucho, etc.). Pero las canaletas importantes se realizan en concreto. En general, la variable que más influye en el desgaste de un material dado es la velocidad. Rayo [177] ha dado tasas de desgaste en tuberías de concreto en función de la velocidad, para un mineral de cobre con 60% + 200#, 25%+65# y pH = 10. Estos valores se muestran en la Tabla 36-1.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 152

Velocidad [m/s] 2.0 2.5 3.0 8.0 10.0

Tasa de Desgaste [mm/año] 2.0 3.0 5.0 50.0 80.0

Tabla 36-1. Tasas de desgastes en tuberías de concreto

Estas cifras son aplicables en primera aproximación a canaletas que transportan pulpa. Ellas son mayores en un orden de magnitud que para el acero desnudo. Para una canaleta de pendiente normal un valor típico de la velocidad es 3 [m/sec] y se ve que la tasa de desgaste es moderada. Pero en rápidos la velocidad de la pulpa puede alcanzar 10 [m/sec] y a veces más [3]. En ese caso, el desgaste es igual o mayor que 8 [cm/año], lo que explica la necesidad de reparaciones por lo menos, anuales. Este desgaste puede disminuirse empleando concretos especiales y/o preparados con arenas especiales. Un estudio extenso al respecto ha sido realizado por la División El Teniente (Codelco-Chile). Para fines de cálculo e interpolación, los valores de la Tabla 36-1 pueden expresarse:

TD = KV N

36-1

Donde: V: Velocidad en [m/sec] TD: Tasa de desgaste [mm/año] K = 0.38 N = 2.33 El valor de N es razonable, ya que hay argumentos que indican que N varía entre 2 y 3. Empero se encuentran experimentalmente valores fuera de este intervalo.

Área Hidráulica

Curso de Canaletas 153

37.0

CONTROL EN CANALETAS DE PULPA

Las instalaciones de transporte por tuberías tienen hoy generalmente sistemas de medición on-line para flujos y presiones a lo largo del ducto (y a veces otras variables). Estos sistemas son a menudo indispensables para controlar posibles embanques, taponamientos, rupturas, etc. Empero, son menos empleados en canaletas. En escurrimientos a superficie libre de pulpas, puede ocurrir (y ocurre) que variaciones en el caudal, en la concentración y en otros parámetros afecten significativamente su régimen y, en especial, la altura de escurrimiento. Estas variaciones causan embanques o desborde en las canaletas, los que finalmente deterioran las obras civiles y, lo que es aún más delicado, afectan al medio ambiente. Cualquier tipo de detención de este sistema afecta a toda la línea de producción cuando la canaleta se encuentra fuera de la cuenca del tranque de relave, haciéndose necesaria la detención de la producción. La magnitud de esta detención estará asociada al tiempo de mantención o reparación, según sea el caso. En el peor de los casos, la operación podría quedar detenida indefinidamente si los efectos sobre tienen alcances legales que lo consideren. Por lo tanto, es indispensable contar con sistemas de control en este tipo de operaciones. Estos sistemas de medición y control de niveles son, hoy en día, robustos y confiables. Puede objetarse su costo, pero una detención causada por desbordes o embanques inesperada y no medida a tiempo puede acarrear un costo mayor que el de la instalación de un sistema de mediciones. 37.1.1 FILOSOFÍA DE CONTROL DE “DETECCIÓN TEMPRANA DE FALLAS”

Este enfoque se basa en predecir anticipadamente que las condiciones de operación de la canaleta se encuentran en una situación no esperada y que puede derivar (o está derivando) en una falla. Para ello, generalmente se considera:

Área Hidráulica

o

Colocar un conjunto de sensores de nivel en la canaleta

o

Sensores son conectados a compuertas evacuadoras automáticas a piscinas previamente habilitadas para ello.

o

Cuando un evento no usual se produce, los sensores ordenan rápidamente la evacuación del flujo hacia la piscina de emergencia previa al sector de falla.

Curso de Canaletas 154

o

Simultáneamente, el sensor comunica la detención de todo el sistema de transporte de pulpa.

Estos sistemas se comúnmente son programados de la forma siguiente: o

Cada sensor de nivel (N) es relacionado con el dispositivo siguiente (N+1)

o

Cuando la diferencia entre ambos sensores consecutivos es mayor que un cierto valor (previamente establecido), se activa la alarma de evacuación asociada al sensor (N), abriéndose la compuerta correspondiente.

o

Simultáneamente se activa una alarma en la sala de operación

o

El operador toma las acciones debidas de acuerdo al manual de operaciones.

Actualmente, los sensores de nivel son muy compactos y demandan un muy bajo consumo de energía. Estos dispositivos pueden operar usando paneles solares de 200 a 300 watts. La selección de los sensores deberá efectuarse dependiendo de los casos particulares de su operación y condiciones ambientales.

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Curso de Canaletas 155

38.0

REFERENCIAS

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Water",

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Curso de Canaletas 170