Diseño Hidraulico de Desarenadores-3

8/20/2019 Diseño Hidraulico de Desarenadores-3

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DESARENADOR PE CHINECAS


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1 INTRODUCCION

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La cantidad de sedimentos en suspensión que lleva elagua puede ocasionar erosión en las paredes de loscanales o la deposición de las partículas mas finasprovocando la reducción de la caja del canal y la

consiguiente disminución de su capacidad, en el casode las maquinarias hidráulicas instaladas en lascentrales hidroeléctricas, se producen las erosiones enla agujas y turbinas que ocasionan altos gastos demantenimiento o en otros reducción de la producción

de energía.En la sesión de hoy, vamos a explica los conceptos dedesarenadores, concluyendo con su diseño.


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2 Definiciones:

Son obras hidráulicas que sirven para separar (decantar) y remover ( evacuar) después, elmaterial sólido que lleva el agua de un canal.

Estructura que permite eliminar ciertas partículasque se encuentran en suspensión en la masafluida.


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Hay que tener en cuenta.

Para los proyectos de irrigación bastaeliminar partículas >0.50 mm.

Para proyectos hidroeléctricos basta eliminar partículas hasta 0.25 mm.


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ESQUEMA GENERAL


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3 Ubicación

• El área de la localización debe ser suficientementeextensa para permitir la ampliación de lasunidades durante el período de diseño del sistema.

• El sitio escogido debe proporcionar suficienteseguridad a la estructura y no debe presentar riesgode inundaciones en los periodos de invierno.

• Garantizar que el sistema de limpieza pueda ser por gravedad y que la longitud de desagüe de latubería no sea excesiva.


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• Lo más cerca posible del sitio de la captación.

• El fondo de la estructura debe estar preferiblemente por encima del nivel freático.


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4 Principios de funcionamiento

4.1 Hidráulicos Distribución uniforme del caudal en las

naves desarenadoras.

Líneas de corriente paralelas, por lo tanto sinvórtices de eje vertical u horizontal.

No causar remanso en el canal aguas arriba.

Distribución uniforme del caudal dentro decada nave, esto es importante en el momentode purga de la nave.


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4.2 Sedimentológicos

Sedimentación de los materiales en suspensión. Evacuación al exterior de los depósitos.

Limpieza uniforme de las naves desarenadoras.

No existencia de zonas imposibles de limpiarlasen las naves.

Transición de entrada sin sedimentación.

Eficiencia adecuada.


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5 Causas del desgaste del equipo mecánico:

Las principales causas son del desgaste de lascentrales hidroeléctricas son:

a. Erosión mecánica o de abrasión:

b. Corrosión química y electroquímica:

c. Corrosión por efecto de la cavitación:


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CHS

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6 Estudios necesarios para el diseño deldesarenador:

a.Topografía:

b.Geología:

c. Hidrología: caudales máximos y mínimos.

d. Análisis de sólidos: que materiales trae el rio.

e. Análisis del uso del agua: para que se va usar.


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Es una estructura que ayuda a potabilizar el agua deconsumo humano, mediante la eliminación de

partículas en suspensión esta misma función seconsidera en los aprovechamientos hidroeléctricos y enel riego, dado que evita cuantiosos daños en lasestructuras.


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La eliminación de los materiales acarreados enun flujo comprende dos tareas o fases que

deben realizar los desarenadores:

a.La decantación de los materiales ensuspensión.

b.La evacuación de los materiales depositados.


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Deposición de

sedimentos

Canal de purga

S %


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7 Clases de desarenadores:

7.1 En función de su operación:

Desarenadores de lavado continuo: Es aquelen el que la sedimentación y evacuación son dosoperaciones simultaneas.

Desarenadores de lavado discontinuo:(intermitente) que almacena y luego expulsa lossedimentos en movimientos separados.


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7.2 En función de la velocidad deescurrimiento:

De baja velocidad v1 m/s ( 1-1.5 m/s)


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La forma del desarenador, puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una rectangular o

trapezoidal simple o compuesta.

La primera simplifica considerablemente laconstrucción pero es relativamente cara pues lasparedes deben soportar la presión de la tierraexterior y se diseñan como muros desostenimiento.

La segunda es hidráulicamente mas eficiente y mas

económica pues las paredes trabajan con simplerevestimiento.


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7.3. Por la disposición de los desarenadores:

En serie: Formado por dos o mas depósitosconstruidos uno a continuación del otro.

En paralelo: Formado por dos o mas depósitosdistribuidos paralelamente y diseñados por una

fracción del caudal derivado.


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8 Elementos de un desarenador

El desarenador se compone de los siguientes

elementos:

a. Transición de entrada: La cual une el canal conel desarenador.

b. Cámaras de sedimentación: En la cual laspartículas solidas caen al fondo, debido a ladisminución de la velocidad producida por elaumento de la sección transversal.


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Las velocidades limites por debajo de las cuales elagua cesa de arrastrar diversas materias son:

para la arcilla < 0.081 m/s

Para la arena fina < 0.16 m/s

Para la arena gruesa < 0.216 m/s


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Un desarenador se diseña con velocidades que

varían entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con unaprofundidad media de 1.5 m a 4 m.

Una mayor profundidad implica un ancho mano oviceversa.


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Conviene que el fondo no sea horizontal si no quetenga una caída hacia el centro, la pendiente

transversal usualmente escogida es de 1:5: a 1:8


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c. Vertedero: Al final de la cámara se construye unvertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el

canal. Las capas superiores son las que primero selimpian, es por esto que la salida del agua, se hacepor medio de un vertedero que debe trabajar condescarga libre.

Como máximo se admite que la velocidad puedallegar a v = 1 m/s.


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De donde:

h = Carga sobre el vertedero ( m).

C = 1.84 para vertedero de cresta aguda

C = 2.0 para vertederos de perfil Creager

V = velocidad

De donde para los valores indicados de v y C, se

pueden concluir que el máximo valor de h, nodebería pasar de 25 cm.


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d. Compuerta de lavado: Sirve para desalojar losmateriales depositados en el fondo. Para facilitar elmovimiento de las arenas hacia la compuerta, alfondo del desarenador se le da una gradiente fuertedel 2 al 6 %.

En el lavado de los últimos 10 % de los sedimentos

es generalmente largo y requiere de cantidadesdemasiado grandes de agua. Por esto, estos restosgeneralmente no se toman en cuenta.


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afalcón 37


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Las compuertas de lavado deben diseñarse para uncaudal igual al traído por el canal mas el lavadoque se obtiene dividiendo el volumen del desarenador para el tiempo de lavado. Se debe efectuar en formarápida y eficaz esta velocidad debe ser de 3-5 m/s.

Naves del desarenador

Transición de entrada

Qe Qs

Transición de salida



Qe Qs



Qe Qs

Transición de salida


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e. Canal directo: Por el cual se da servicio mientrasse esta lavando el desarenador.

Con este fin a la entrada se colocan 02compuertas, una de entrada al desarenador y otraal canal directo.


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9 Criterios de diseño

• La altura de agua en el desarenador debe ser tal que no cause remanso en el canal deingreso, de lo contrario provocaría sedimentaciónen el canal.

• El cálculo del desarenador se realiza con unproceso simple, como se verá posteriormente, sinembargo es de gran importancia calcular correctamente la velocidad de caída.


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10 Desarenadores de velocidades bajas.

•En un inicio se usaban éstas estructuras formadaspor tazas, donde la decantación y la extracción delos depósitos eran dos operaciones sucesivas.

•La evacuación de sedimentos era mecánica, razón

por la cual se les llamaba cám aras d e ext rac c ión m ec án ic a.

•Luego se pensó en utilizar la misma agua paraefectuar la limpieza y surgieron las llamadas

c ám ar as d e ev ac u ac ión h id ráu lic a ,

queconstituyeron un verdadero avance


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11 Desarenadores de velocidades altas.

• Con la aparición de las grandes centraleshidroeléctricas y surgiendo necesidad demantener secciones de ciertas dimensiones,sobretodo en túneles, se piensa en velocidades

de hasta 1.0 y 1.5 m/s, lo que también limita laeliminación de partículas hasta de 0.5 mm, en losllamados desarenadores con velocidades altas.


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12 Problemas presentados y solucionespresentadas durante el diseño dedesarenadores.


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a) Las ineficiencias de un desarenador puede generar:

• Desgaste acelerado de turbinas de centrales

hidroeléctricas

Alabes de la turbina pelton de la centralHidroeléctrica del Cañón del Pato.

Desgaste producido por las

características altamenteabrasivas de los sólidos ensuspensión.


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Las ineficiencias de un desarenador puedegenerar:

• Desgaste acelerado de turbinas de centralesHidroeléctricas.

• Obstrucción de sistemas de riego tecnificado.

• Erosión de estructuras hidráulicas situadasaguas abajo del desarenador.

• Reducción del canal transportado en el canal

• Mayores costos de tratamientos del agua


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b) Problemas mas frecuentes presentadosdurante el diseño:

• Remanso en el canal aguas arriba.• Distribución no uniforme del caudal en las

naves.• Formación de vértices de eje vertical y

horizontal• Limpieza no uniforme de las naves

desarenadoras.• Transición de entrada con sedimentos

depositados.• Eficiencias bajas.


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c) Remanso aguas arriba

Vertederos que establecen en el nivelde agua en las naves desarenadoras

Causa:• Presencia de vertederos en la sección final delas naves desarenadoras.


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Consecuencia:

• Sedimentación de partículas en la transición deentrada y/o en el canal de ingreso.

• Eficiencias bajas.


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Soluciones:

• Establecer diversos niveles de operación.

• Vertederos provistos de orificios.


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Causa:• El agua, en la última sección del canal de entrada

tiende a seguir la zona central de la transición paracontinuar con mayor caudal en las naves centrales

Consecuencias:• Mayor velocidad en las naves centrales• Disminución de la eficiencia en las naves de mayor

gasto• Consecuencias negativas en la operación de purga de

sedimentos

d) Distribución no uniforme del caudal entre lasnaves:


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Soluciones:

Colocar pantallas deflectoras

Prolongar hacia aguas arriba, las navesdesarenadoras

Prolongación de las navesdesarenadoras

Pantalla deflectora


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e) Formación de vórtices

Causas:• Ángulos muy pronunciados de la rampa al

final del canal de entrada.

• Transiciones de salida que influyennegativamente hacia aguas arriba.

• Distribución no uniforme del caudal entre

las naves desarenadoras.


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Formación de vórtices:

Transición de entrada con un gran vórtice de eje vertical


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f) Limpieza no uniforme de las navesdesarenadoras

Causas:• Naves desarenadoras son muy anchas• Diseño geométrico de las naves desarenadoras

con curva horizontal

Consecuencias:• En naves anchas, la purga tomara más tiempo

y mayor pérdida de agua• En naves diseñadas con curva horizontal, la

mayor parte del caudal de purga tiende haciael lado cóncavo


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Soluciones:• Calcular el ancho óptimo de las navesdesarenadoras

•Diseñar guías de fondo y/o peralte en los tramoscurvos

Guías de fondo


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g) Eficiencias bajas

Causas:

Deficientes reglas de operaciónDeficiente diseño hidráulico

Deficiente diseño sedimentológico:Falta deinvestigación para determinar la velocidad decaída, reduciéndose a calcular en la mayoría decasos por simple aplicación de formulas.


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Consecuencias:

• Deposición de sedimentos.

• Reducción del área de decantación

• Suspensión del suministro del servicio para la

limpieza de las naves que no se pueden limpiar por medios hidráulicos.

• Altos costos de mantenimiento


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Causas :• Desarenador muy corto• Geometría de transición no

adecuada.

Deposición de sedimentos aguas abajode las naves desarenadoras

Limpieza no uniforme de las naves desarenadoras


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Consecuencias:

• Flujo turbulento que retrasa la velocidadde caída de las partículas.

• Eficiencias bajas

Solución:• Colocar una pantalla deflectora al inicio de la

transición de entrada para reorientar las

líneas de corriente


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14 Ecuaciones básicas para el diseño de losdesarenadores:

Los principales elementos a determinar son:

a. Longitud de caída.

Donde:v = velocidad critica de sedimentación.

w = velocidad de caída de las partículas en aguas tranquilas.

Q = b.h.v , luego I = f ( b,h,v,w)


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b. Velocidad de sedimentación: La velocidad desedimentación (w), queda relacionada, según Sudry, por el peso especifico del agua con cierta concentración de

sedimentos, el diámetro de las partículas a precipitar dando la velocidad de sedimentación en cm/ seg.

c. Velocidad critica del flujo: Esta depende del tamaño deestas, tal como se expresa con la formula de Camp, cuya

expresión de la velocidad critica es:

En ( cm/ seg).


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14.2 Calculo de la velocidad del flujo v en el

tanque:

La velocidad de un desarenador se considera lenta,cuando esta comprendida entre 0.20 m/s, 0.60 m/s.

Se puede calcular utilizando la formula de Camp.


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Donde :

d = diámetro ( mm)a = constante en función del diámetro

a d(mm)

51 < 0,1

44 0,1 -1

36 > 1


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14.3 Calculo de la velocidad de caída w (enaguas tranquilas).

Para este efecto existen varias formulasempíricas, tablas y nomogramas, algunas de lascuales consideran :


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Peso especifico del material a sedimentar: ρsgr/cm3.(medible).

Peso especifico del agua turbia : ρwgr/cm3.(medible).

La formula de Owen:

Donde:w = velocidad de sedimentación ( m/s)d = diámetro de partículas ( m)

ρs = peso especifico del material (m/s).k = Constante que varia de acuerdo con la forma y naturaleza

de los granos .


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Forma y naturaleza k

Arena esférica 9,35

Granos redondeados 8,25Granos cuarzo d>3

mm 6,12

Granos cuarzo d>0,7

mm 1,28

La experiencia generada por Sudry: La que permite calcular la velocidad de sedimentación w( m/s), en función del diámetro( en mm) y el peso especifico del agua (ρw), en gr/cm3.

La formula de Scotti – Foglieni:


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Donde:

w = velocidad de sedimentación ( m/s)

d = diámetro de la partícula ( m)

Para los cálculos de w de diseño, se puede obtener elpromedio de los , con los métodos anunciados.

L l it d li d l t í d i l


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La longitud, aplicando a la teoría de simplesedimentación es:

Considerando los efectos retardarios de laturbulencia: con el agua en movimiento la velocidad

de sedimentación es menor, e igual a w - w´ , dondew´, es la reducción de la velocidad por efectos de laturbulencia.

Luego la ecuación anterior queda expresada así:

Eghia aroff e presa la red cción de elocidad como


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Eghiazaroff: expresa la reducción de velocidad como:

Levin: Relaciono esta reducción con la velocidad de flujocon un coeficiente.

Bestelit: Consideran:

En el calculo de los desarenadores de bajas velocidades, se

puede realizar una corrección, mediante el coeficiente K, quevaria de acuerdo a las velocidades de escurrimiento en eltanque, es decir:

E l l l d l d d d b j


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En el calculo de los desarenadores de bajasvelocidades, se puede realizar una corrección,mediante el coeficiente K, que varia de acuerdo a las

velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:

Donde k, se obtiene de la tabla adjunta:

Velocidad deescurrimiento

(m/s)k

0,2 1,25

0,3 1,5

0,5 2

En los desarenadores de altas velocidades entre 1 m/s


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En los desarenadores de altas velocidades, entre 1 m/sa 1.50 m/s, Montagne, precisa que la caída de losgranos de 1 mm están poco influenciados por la

turbulencia, el valor de K en términos del diámetro, comose muestra en la tabla adjunta.

El largo y el ancho de los tanques pueden en general,

construirse a mas bajo costo que las profundidades, enel diseño se deberá adoptar la mínima profundidadpractica, la cual para asumirse entre 1.50 a 4.00 m.

dimensiones de las

partículas a

eliminar (m/s)

k

1 1

0,5 1,3

0,25 -0,30 2


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83CENTRAL HIDROELÉCTRICA CARHUAQUERO


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15 Proceso de calculo de las dimensiones deltanque:

15.1 asumiendo una profundidad por ejemplo de (h =1.50m).

15.1.1 Aplicando la teoría de simple sedimentación:

Calcular la longitud con la ecuación

Calcular el ancho del desarenador con alecuación:

Calcular el tiempo de sedimentación con la


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Calcular el tiempo de sedimentación con laecuación :

Calcular el volumen de agua conducido en esetiempo con la ecuación :

Verificar la capacidad del tanque con laecuación :


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15.2 Considerando los efectos retardarios de laturbulencia:

Calcular, α según Bastelli et al:

Calcular w´, según Levin:


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Calcular w´ , según Eghiazoroff:

Calculo de L:

Para los valores de w´ obtenidos de las

ecuaciones de Bestelli y Eghiazaroff:

Calcular L, corregido :


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De los valores de L, obtenidos, elegir uno de ellos.

Definido h, b y L; se pueden obtener lasdimensiones del tanque :

Nota: Para facilitar el lavado, al fondo deldesarenador se la dará una pendiente del 2%,esta inclinación comienza al finalizar la transición.

15 3 C l l d l l it d d l t i ió


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15.3 Calculo de la longitud de la transición:La transición debe ser hecha lo mejor posible, puesla eficiencia de la sedimentación depende de la

uniformidad de la velocidad en la seccióntransversal, para el diseño se puede utilizar laformula de Hind:

De donde:

L = longitud de la transición

T1 = espejo del agua en el desarenador T2= espejo del agua en el canal


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15.4 Calculo de la longitud del vertedero:

Al final de la cámara se construye un vertedero sobreel cual pasa el agua limpia hacia el canal.

Como máximo se admite que la velocidad pueda

llegar a v = 1 m/s. y como se indico anteriormente,esta velocidad pone un limite al valor máximo de lacarga h sobre el vertedero, el cual es de 0.25 m.


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Calculo de L:

Para un h = 0.25 m , C = 2.1 ( para un perfilCreager).

C = 1.84 ( cresta aguda) y el caudal conocido,

se despeja L, la cual es:

Por lo general la longitud del vertedero L es


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Por lo general la longitud del vertedero L, esmayor que el ancho del desarenador b, por loque se debe ubicar a lo largo de una curvacircular, que comienza en uno de los muroslaterales y continua hasta la compuerta delavado.


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Calculo del ángulo central α y el radio R con que


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Calculo de α

Calculo de R:

Calculo de la longitud de la proyección longitudinaldel vertedero.( L1).

Calculo del ángulo central α y el radio R con quese traza la longitud del vertedero:


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C l l d l l it d di


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Calculo de la longitud promedio :

Calculo de la longitud total del tanque desarenador :

De donde :

LT = longitud totalLt = longitud de la transición de entradaL = longitud del tanque

Lprom = longitud promedio por efecto de la curvaturadel vertedero

1 Cál l l i


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15.5 Cálculos complementarios:

Calculo de la caída del fondo:

Donde:Diferencia de cotas del fondo del

desarenador.S = pendiente de fondo del desarenador. ( 2 %).

Calculo de la profundidad del desarenador


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Calculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado:

Donde:=Diferencia de cotas del fondo del

desarenador.h = Profundidad de diseño del desarenador H = Profundidad del desarenador frente a la

compuerta de lavado.

Calculo de la altura de cresta del vertedero con


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Calculo de la altura de cresta del vertedero conrespecto al fondo:

Donde:

hc = altura de la cresta del vertedero con respecto

al fondo.

H = Profundidad del desarenador frente a lacompuerta de lavado.

Calculo de las dimensiones de la compuerta de


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Calculo de las dimensiones de la compuerta delavado:

Suponiendo que una compuerta cuadrada de lado l,el área será :

La compuerta funciona como un orificio, siendo suecuación:

Donde:


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Donde:

Q = caudal a descargar por el orificio

Cd = Coeficiente de descarga = 0.60 para un orificio depared delgada

Ao = Area del orificio, en este caso igual al área A de lacompuerta.

h = Carga sobre el orificio, ( desde la superficie del aguahasta el centro del orificio)

g = Aceleración de la gravedad 9.81 m/s2.

Calculo de la velocidad de salida:


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Calculo de la velocidad de salida:

Donde:

v = velocidad de la salida por la compuerta, debe

ser de 3 a 5 m/s, para el concreto el limiteerosivo es de 6 m/s.

Q = caudal descargado por la compuerta

Ao = área del orificio, en este caso igual al área A dela compuerta.


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PRACTICA DIRIGIDA


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FIN DEL TEMA

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