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ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

EXPERIENCIA CURRICULAR DE OBRAS HIDRAULICAS

TÍTULO Diseño de un Desarenador

PROYECTISTA:

Huayta Ccoyllo, Jaime Junior

ASESOR: ING. Ricardo Padilla Pichen

LIMA-PERÚ

2018-I

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1. INTRODUCCIÓN: Cuando se capta agua de un río, inevitablemente estaremos captando también sedimentos en suspensión y de arrastre. Dentro del esquema hidráulico de un aprovechamiento de agua, el desarenador es la estructura hidráulica que tiene la función de mejorar la calidad del agua, eliminando las partículas de cierto tamaño que la captación ingresó al sistema. Esta agua captada puede ser usada ya sea en centrales hidroeléctricas, plantas de tratamiento, sistemas de irrigación, sistemas industriales u otros fines. En general, los desarenadores tienen la importante misión de eliminar ciertas partículas que se encuentran en suspensión en el agua y posteriormente, mediante una adecuada operación, arrojarlas al río. Si el desarenador no tiene la eficiencia requerida genera desgaste acelerado de turbinas de centrales hidroeléctricas, obstrucción de sistemas de riego tecnificado, erosión de estructuras hidráulicas posteriores al desarenador, reducción de la capacidad de los canales con el consecuente riesgo de inundación (debido a los grandes volúmenes de sedimentos depositados en el fondo), imposibilidad del consumo directo del agua, etc. Se llama desarenador una obra hidráulica que sirve para separar y remover después; el material sólido que lleva el agua de un canal. Los desarenadores cumplen una función muy importante y por esto, salvo casos especiales de aguas muy limpias, debe considerárseles como obras indispensables dentro de los proyectos de utilización de recursos hidráulicos.

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DESARENADOR

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2. MARCO TEÓRICO: El desarenador es una estructura hidráulica que tiene como función remover las partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial permite pasar. Es una estructura diseñada para retener la arena que traen las aguas servidas o las aguas superficiales a fin de evitar que ingresen, al canal de aducción, a la central hidroeléctrica o al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando serios problemas.

3. CLASES DE DESARENADORES: 1. En función de su operación: 

Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentación y evacuación son dos operaciones simultaneas.



Desarenadores de lavado discontinuos (intermitente), que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimiento separados.

2. En función de la velocidad de escurrimiento: 

De baja velocidad v < 1 m/s (0.20 - 0.60 m/s)



De alta velocidad v > 1 m/s (1.00 - 1.50 m/s)

3. Por la disposición de los Desarenadores:  

En serie, formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro. En paralelo, formado por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y diseñados para una fracción del caudal derivado.

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4. ELEMENTOS DE UN DESARENADOR: Para cumplir su función, el desarenador se compone de los siguientes elementos:

 TRANSICIÓN DE ENTRADA: La cual une el canal con el desarenador.  CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN: Lugar en la cual las partículas sólidas caen al fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal. Según Dubuat, las velocidades limites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son: - para la arcilla 0.081 m/s - para arena fina 0.160 m/s - para la arena gruesa 0.216 m/s De acuerdo a lo anterior, la sección transversal de un desarenador, se diseña para velocidades que varían 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 sección transversal puede ser cualquiera, aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal simple o compuesta. La primera simplifica considerablemente la construcción, pero es relativamente cara pues las paredes deben se soportar la presión de la tierra exterior y se diseñan por lo tanto como muros de sostenimiento. La segunda es hidráulicamente más eficiente y más económica pues las paredes trabajan como simple revestimientos. Con el objeto de facilitar el lavado concentrando las partículas hacia el centro conviene que el fondo no sea horizontal, sino que tenga una caída hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1:8.

ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL  VERTEDERO: Al final de la cámara 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. También mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastra. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s. De la ecuación de Francis de un vertedero rectangular sin contracciones:

Donde: -

Q = caudal (m3/s) C = 1.84 (cresta aguda) C = 2.0 (perfil Creager) L = longitud de la cresta (m) h = carga sobre el vertedero (m)

Si el área hidráulica sobre vertedero es:

A=Lh

La velocidad ser·:

De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el máximo valor de h no debería pasar de 25 cm. Casi siempre el ancho de la cámara del desarenador no es suficiente para construir el vertedero recto y perpendicularmente a la dirección del agua. Por esto se le ubica en curva que comienza en uno de los muros laterales y continua 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 alejas del vertedero.

 COMPUERTA DE LAVADO: Sirve 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

ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL 2% al 6%. El incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de cálculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depósitos para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamaño de sedimentos que trae el agua para asegura una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia. Para lavar una cámara del desarenador se cierran las compuertas gran velocidad arrastrando la mayor parte de sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue pasando al canal sea a través del canal directo o a través de otra cámara del desarenador. Una vez que está vacía la cámara, se abre parcialmente las compuertas de admisión y el agua que entra circula con gran velocidad sobre los sedimentos que han quedado, erosionándolos y completando el lavado. Generalmente, al lavar un desarenador se cierran las compuertas de admisión. Sin embargo, para casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive con estas compuertas abiertas. Por este motivo las compuertas de lavado deben diseñarse para un caudal igual al traído por el canal más 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 más alto que el punto del rio al cual se conducen las aguas del lavado y que la gradiente sea suficiente para obtener una velocidad capaz de arrastrar las arenas. Se consideran que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y eficaz esta velocidad debe ser de 3 - 5 m/s. Muchas veces esta condición además de otras posibles de índole topográfica, impide colocar el desarenador inmediatamente después de la toma, que es la ubicación ideal, obligando desplazarlo aguas abajo en el canal.

 CANAL DIRECTO: Por el cual se da servicio mientras se está lavando el desarenador. El lavado se efectúa generalmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparación o inspección, es necesario secar la cámara 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 más cámaras, el canal directo ya no es necesario pues una de las cámaras trabaja con el caudal total mientras la otra se lava.

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DISEÑO DE CALCULO UN DESARENADOR:

Datos: D= 0.26 mm, diámetro Q= 10 m3/s, Caudal Þs= 1.75 gr/cm3, Peso especifico

1. DIAMETRO DE PARTICULA A SEDIMENTAR

d= d= d=

0.26 0.026 0.00026

mm cm m

2. VELOCIDAD DEL FLUJO V EN EL TANQUE

Formula de Camp: Tabla x

De acuerdo a la tabla X, Para d= 0.26mm corresponde el valor de “a” =44 Reemplazando los datos en la fórmula: 𝑉 = 44 √0.26 = 22.4356

𝑐𝑚 𝑠

Convirtiendo la unidad a m/s 𝑉 = 0.2244 𝑚/𝑠

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3. CALCULO DE LA VELOCIDAD DE CAIDA (W)

Usando la siguiente tabla tenemos w, Para un d=0.26mm a) ARKHANGELSKI

Formula de Interpolación: 𝑌 −𝑌

𝑤 = 𝑌1 + ( 2 1 ) (𝑋 − 𝑋1 ) 𝑋 −𝑋 2

𝑤 = 2.70 + (

3.24 − 2.70 ) (0.26 − 0.25) 0.30 − 0.25

𝑤 = 2.808 𝑐𝑚/𝑠

𝑤 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟖𝟏 𝒎/𝒔

b) NOMOGRAMA STOKES Y SELLERINO

Calculamos w (cm/s) en función del diámetro d= 0.26mm

Según Stokes: W = 6 cm/s = 0.06 m/s

Según Sellerio: W = 3.5 cm/s = 0.035 m/s

1

ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL c)OWENS

Tabla 3. Valores de la constante k

donde: d= 0.00026 m

ps= 1.75 Kg /m3 k= 8.25 (constante que varía de acuerdo con la forma y naturaleza de granos, sus valores se muestra en la tabla 3)

𝑤 = 8.25 + √0.00026𝑥(1.75 − 1) = 𝟎. 𝟏𝟏𝟓 𝒎/𝒔

d) SCOTTI – FOGLIENI

d=

W=

0.00026 m

0.06343 m/s

Por lo tanto, se tomará el promedio de los W obtenidos, así;

𝑤=

𝟎. 𝟎𝟐𝟖𝟏 + 𝟎. 𝟎𝟔 + 𝟎. 𝟎𝟑𝟓 + 𝟎. 𝟏𝟏𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟔𝟑𝟒𝟑 = 0.06034 𝑚/𝑠 5

𝑤 = 6. 03 𝑐𝑚/𝑠

ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL 4. CÁLCULO DE DIMENSIONES DEL TANQUE



Q= h= v=

Ancho de desarenador con la ecuación: 1.5 < h < 4.0 (m)

10.0000 4.00 0.224

m3/s m m/s 10 𝑚3/𝑠

b= 11.14 Redondeo

m

11.20

m



h= v= w= L=

𝑏 = 4𝑚 𝑥 0.224 𝑚/𝑠 = 11.14 𝑚

Longitud de la Ecuación:

4.00

m

h=

0.22 0.0603 14.87

m/s m/s m

v=

𝐿0.22 =

w= L=

0.0603 14.87

4.00

m

4 𝑚 𝑥0.224 𝑚/𝑠

m/s =14.87𝑚 m/s m

0.0603 𝑚/𝑠

Redondeo

L = 

15.00

m

Tiempo de sedimentación con la ecuación: 4

𝑡 = 0.0603 = 66.29 = 67 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠



Volumen de agua conducido en ese tiempo de la ecuación:

𝑉 = 10



𝑚3 𝑠

𝑥 67 𝑠 = 670 𝑚3

Verificando la capacidad del tanque con la ecuación:

𝑉 = 11.20 𝑚 𝑥 4 𝑚 𝑥 15𝑚 = 672 𝑚3

, SI cumple OK! Para facilidad de lavado, al fondo del desarenador se le dará una pendiente del 2%. Esta inclinación comienza al finalizar la transición.

ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL 3.

CÁLCULO DE LONGITUD DE LA TRANSCICIÓN (LT)

Para el diseño se puede utilizar la formula Hind:

Donde: T1 = 11.20 m T2= 1.73 m Lt= longitud de transición

Reemplazando en la fórmula:

𝐿𝑡 =

11.20 − 1.73 = 11.43 𝑚 2 𝑥 𝑇𝑔 22.5°

11.43 11.45

Lt = Redondeo

m m

6. CÁLCULO DE LONGITUD DE VERTEDERO AL FINAL DEL TANQUE (LV)

Para un h= 0.25m, C=2 (PERFIL CREAGER) y el caudal conocido, se despeja L, la cual es:

𝐿𝑣 = (

10 2𝑥

3) 0.52

= 40 𝑚

ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL 7. CÁLCULO DE ÁNGULO CENTRAL (Α) Y EL RADIO R CON QUE SE TRAZA LA LONGITUD DEL

VERTEDERO a) CÁLCULO DE (α) Si se sabe que:

𝛼=

2𝛱𝑅 = 360

180 𝑥 𝐿𝑣 𝜋𝑥𝑅

𝐿𝑣 = 𝛼

𝑅=

180 𝑥 𝐿𝑣 𝜋𝑥𝑏

… … … … …. … (1)

𝑅=

𝑏 1− 𝐶𝑜𝑠 𝛼

… … … … …. … (2)

De 1 y 2:

180 𝑥 𝐿𝑣 𝜋𝑥𝑏

=

𝑏 1− 𝐶𝑜𝑠 𝛼

Reemplazando

180 𝑥 40 11.20 = 𝜋 𝑥 11.20 1 − 𝐶𝑜𝑠 𝛼 𝛼 = 36.69° b) CÁLCULO DE R:

𝛼 = 19.05°𝑥

𝑅=

𝜋 𝑟𝑎𝑑 = 0.3325 𝑟𝑎𝑑 180°

𝑏 1− 𝐶𝑜𝑠 𝛼

…… (2)

𝑅 = 1−

11.20 𝐶𝑜𝑠 36.69°

= 56.5 𝑚 = 57 𝑚

ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL 8. CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LA PROYECCIÓN LONGITUDINAL DEL VERTEDERO (L1)

Tomando el triángulo OAB se tiene: en

𝑠𝑒𝑛𝛼 =

𝐿1 𝑅

𝐿1 = 𝑠𝑒𝑛 𝛼 𝑥 𝑅 = 𝑠𝑒𝑛 36.69 𝑥 57 = 33.78 𝑚

9. CÁLCULO DE LA LONGITUD PROMEDIO (LP) 𝐿𝑝 =

𝐿𝑣 + 𝐿1 40 + 33.78 = = 36.89 𝑚 2 2

10. CÁLCULO DE LA LONGITUD TOTAL DEL TANQUE DESARENADOR (LT)

𝐿𝑇 = 𝐿𝑡 + 𝐿 + 𝐿𝑝

𝐿𝑇 = 11.45+15.00 + 36.89 = 63.34 𝑚

ESCUELA DE INGENIERIA DE CIVIL 11. CÁLCULOS COMPLEMENTARIOS

a.) CÁLCULO DE LA CAÍDA DE FONDO

𝛥𝑧 = 𝐿 𝑥 𝑆 𝛥𝑧 = (63.34 − 11.45) 𝑥

2 = 1.03 𝑚 = 1.04 𝑚 100

b.) CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DEL DESARENADOR FRENTE A LA COMPUERTA DE LAVADO

𝐻 = ℎ + 𝛥𝑧 = 4.00 + 1.04 = 5.04 𝑚

c.) CÁLCULO DE ALTURA DE LA CRESTA DEL VERTEDERO CON RESPECTO AL FONDO

ℎ𝑐 = 𝐻 − 0.25 = 5.04 − 0.25 = 4.79 𝑚

d.) CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA COMPUERTA DE LAVADO

La compuerta funciona como un orificio 1

𝑄 = 𝐶𝑑 𝑥 𝐴𝑜 𝑥 (2 𝑥 𝑔 𝑥 ℎ )2 Donde:

Q = Caudal a descargar por el orificio. Cd = Coeficiente de descarga = 0.68 Ao = Área del orificio (Área de la compuerta) h = Carga sobre el orificio. g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s)

Despejando Ao: 1

𝐴𝑜 = 𝑄/𝐶𝑑 𝑥 (2 𝑥 𝑔 𝑥 ℎ )2 10

𝐴𝑜 = 0.68 𝑥

1 (2𝑥9.81𝑥0.25)2

= 6.64 𝑚2

Para una compuerta de sección cuadrada tenemos: 𝑙 = √6.64 = 2.576 𝑚 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑑𝑜

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e.) CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE SALIDA

𝑄

𝑣 = 𝐴0

𝑣=

10 6.64

= 1.506 𝑚/𝑠

La velocidad de salida por la compuerta no esta en el rango de 3 a 5 m/s. 10

5 = 𝐴𝑜 = 𝐴𝑜 =

10 5

= 2 𝑚2

Por lo tanto: 𝑙 = √2 = 1.414 𝑚 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑑𝑜

Nota: A las dimensiones obtenidas de H, se debe adicionar un borde libre mínimo de 0.30m .