Standardization of civil engineering works of small hydropower plants

DISEO DEL DESARENADORPROPSITOEl objetivo de un desarenador es separar los sedimentos indeseados trados por el flujo del aguaTIPO CONVENCIONAL DE DESARENADORCmara Longitudinal de Sedimentacin: consiste en una o ms cmaras lo suficientemente largas para permitir la que las partculas de los sedimentos se asienten.

CRITERIOS DE DISEO Identificacin del tamao mximo de la partcula que va a ser eliminada. El rango de diseo del tamao de la partcula esta entre 0.1 mm y 1mm. Condiciones de flujo aproximadamente uniforme en la cmara de decantacin, lo cual es particularmente importante cuando se usan varias cmaras de decantacin en paralelo. Condiciones de flujo uniforme en la cmara misma para facilitar el proceso de sedimentacin. Longitud suficiente que permita a todas las partculas que tengan el tamao de diseo sedimentarse. Instalacin de un dispositivo que permita limpiar la cmara cuando sea necesario.PARTE PRINCIPAL DE UN DESARENADOR: CAMARA DE DESARENADO Para un diseo apropiado, las dimensiones de la cmara deben corresponder a la caractersticas de asentamiento de la partcula de diseo:

Donde: Velocidad de cada de las partculas en un flujo de agua (m/s) Velocidad critica de flujo (m/s) Tamao de diseo de la partcula (mm)Velocidad de cada o de asentamiento en agua en reposo (m/s) Masa especfica de la partcula Masa especfica del fluido Viscosidad dinmica del fluido Para la aplicacin de esta frmula la siguiente figura muestra como funcin de

1: Velocidad critica del flujo 2: Velocidad de cada o asentamiento en agua en reposo 3: Velocidad de asentamiento en un agua fluyendo DISEO DE LA CAMARA DE DESARENADOLa longitud L, ancho B y profundidad H de la cmara deben estar acordes a las siguientes condiciones:

Recomendaciones: Aumentar la longitud de la cmara en 10% a 20% para compensar la turbulencia que se pueda generar en el flujo. Decidir tener dos o ms cmaras en vez de una para evitar que la obra hidrulica este sin funcionamiento durante el mantenimiento de la mismaGEOMETRIA DE LA CAMARA DE SEDIMENTACION Ancho (B), altura (H) y longitud (L) de la cmara de sedimentacin para diferentes caudales (0.5 a 5 m3/s) y diferente tamaos de partculas desde 0.1 mm a 1 mm.

Planning of Water intake structures for irrigation or hydropowerPlanning for intake structures

DESRENADORES1. NECESIDAD DE DESARENADORESLos desarenadores son necesarios cuando la cantidad de materia suspendida en el agua es alta y cuando los componentes como tuberas a presin, rotores de turbinas, vlvulas, etc., deben ser protegidos de la abrasin provocada por partculas duras suspendidas, tales como el cuarzo presente en las partculas de diferentes arenas.El desgaste y rayado debido a la abrasin puede en un corto lapso de tiempo resultar en daos serios y en el caso de las turbinas en una considerable reduccin en la eficiencia. Mientras mayor sea la partcula suspendida as como tambin la velocidad, mayores sern los peligros a los componentes de una obra hidrulica.Entonces el propsito de un desarenador es remover los granos- finos suspendidos en el agua y proteger los diferentes componentes. Esto es logrado de forma ms simple permitiendo que la materia suspendida se asiente a lo largo de la cmara de decantacin. Esto se hace reduciendo la velocidad con la que viene el agua a una ms lenta, tanto como sea posible en la seccin de la cmara de decantacin. El tiempo que se demora en pasar el agua a travs de la cmara de decantacin no debe ser menor que el tiempo de asentamiento de la materia suspendida. Estas condiciones requieren el uso estructuras largas.La velocidad del agua en el canal de ingreso al desarenador no debe ser lenta, de otra manera la materia suspendida se depositar en el canal de ingreso muy rpido. El flujo dentro de la cmara de decantacin es por tanto turbulenta. Para esto un buen diseo de la seccin de transicin debe asegurar un paso estable del canal de ingreso a la cmara de decantacin, asimismo, pantallas de amortiguamiento pueden ser usadas y alcanzar buenos resultados.

Representacin de un desarenador2. DISEO HUDRALICO2.1. CONTENIDO DE MATERIA SUSPENDIDAAl entrar en contacto los diferentes componentes de un proyecto hidrulico como vlvulas, tuberas, turbinas y rotores con el agua son erosionados por las partculas suspendidas, por lo tanto es necesario determinar la concentracin y composicin.En general, la materia suspendida es encontrada compuesta por diferentes partculas de diferentes tamaos. En ros en las partes bajas o en montaas bajas, las partculas pueden varias en dimetros desde limos hasta arenas (0.002 mm a 0.2 mm o 1 mm), mientras que en ros de montaas altas con pendientes altas, las partculas pueden variar de tamao en 2 a 3 mm.La cantidad de materia suspendida es expresada por la concentracin de materia suspendida, es decir:Concentracin de materia suspendida = kg de materia suspendida/ m3 de aguaLas concentraciones de materia suspendida (C) son generalmente En partes bajas del rio C=0.1 A 1.0 kg/m3 En ros del montaas C=2.0 a 10 kg/m3De acuerdo con la naturaleza del rea (topografa, geologa, utilizacin, vegetacin), estos valores pueden se largamente excedidos o no ser alcanzados. Por ejemplo la concentracin de materia suspendida en la parte baja del curso de Rio Amarillo en China varia estacionalmente entre 60 a 600 kg/m3.La concentracin de materia suspendida puede ser medida mediante muestreo y controladas por inspeccin.El contenido de materia suspendida vara de estacin a estacin y depende de las precipitaciones en el rea captacin de y del rgimen del ro.2.2. MEDIDA DE DESARENAMIENTOLa medida de desarenamiento es expresada por la relacin de concentracin de materia suspendida del agua desarenada Cperm entre la concentracin de materia suspendia C del agua del ro que no ha sido desarenada.Grado de desarenamiento = 100 Cperm/C (%)No existen regulaciones o estndares para la seleccin del grado de desarenamiento; valores empricos han sido derivados de la operacin de hidroelctricas existentes y han sido tomados como base.Los criterios para fijar un grado de desarenamiento son: Minimizacin del dao causado por la materia suspendida (abrasin) a los componentes de la planta u obras hidrulicas La sensibilidad de las turbinas a la materia suspendida dependiendo del tipo de turbina, del dimetro de las partculas en suspensin, la naturaleza mineralgica de las partculas, y la altura de la planta hidroelctrica.La experiencia ha mostrado que Turbinas del tipo cruzadas al flujo son relativamente insensible a impurezas suaves como limos, arcillas y materia flotante como hojas, grass, etc. Las turbinas Kaplan, Francis y Pelton son ms sensibles cualquier tipo de materia suspendida, siendo las turbinas Pelton usadas en micro y mini plantas hidroelctricas las menos afectadas por impurezas del agua. Como sea es posible que el desgaste en los cucharones incrementen rpidamente.La concentracin de materia suspendida permisible es tambin determinada por la definicin del tamao de la partcula que va a ser separada mediante el desarenador.2.3. DETERMINACION DEL TAMAO DE LA PARTICULACon respecto a los criterios y requerimientos de operacin mencionados anteriormente, la indicacin del dimetro de la partcula sirve para definir un tamao lmite de la materia suspendida que solo va a ser permitido depositarse. De la experiencia es posible asumir que:a) Para alturas de plantas hidroelctricas bajas: b) Para plantas hidroelctricas de medianas: c) Para plantas hidroelctricas altas: Si las partculas a ser depositadas consisten en arenas de cuarzo, se debe aplicar los valores ms bajos. Hay que tener en cuenta que se considera que una hidroelctrica es de baja altura para aquellas menores de 10 m de altura.Si los tamaos de partculas que se han mencionado son considerados para diferentes tipos de plantas y si se asume un pequea hidroelctrica es menor a 100 m de altura, se puede concluir que el lmite del dimetro de las partculas a ser separadas Puede en un caso normal ser fijado en 0.2 mm Debe ser solo en casos excepcionales igual a 0.05 mm, siendo estas excepciones cuando la altura sea mayor a 100 m, la composicin de las partculas sea de cuarzo puro o algn similar, o las turbinas sean del tipo Francis.

2.4. DETERMINACION DE LAS DIMENSIONES DEL DESARENADORDebido al ancho de la seccin, la velocidad del agua que fluye dentro del desarenador es disminuida de tal forma que las partculas no pueden mantenerse en suspensin y decantan.Las partculas del agua y la materia suspendida es transportada por ellas deben entrar a una velocidad de tal forma que se logre decantar las partculas. El tiempo de decantacin (ts) debe ser ms corto que el tiempo en que demora pasar el agua a travs de la cmara (td).En la siguiente figura se representa un esquema del camino curvo que sigue una partcula durante el proceso de decantacin y bajo la influencia de turbulencia. Siendo Vd la velocidad del flujo en la cmara de decantacin, Vs la velocidad de decantacin en agua en reposo, w la flotacin de generada por la turbulencia, siendo la condicin de que td>ts.

La velocidad real de las partculas es por lo tanto:

Donde w es esencialmente una funcin de la velocidad de flujo dentro de la cuenca. Con un valor estimado:

Para el proceso de asentamiento, de la figura anterior resulta la siguiente relacin:

Donde:L=longitud efectiva de la cmara de decantacin en mVd=Velocidad del flujo en m/s Adems:

Donde:h=altura efectiva del desarenador (m)Vs=velocidad de cada De una seccin rectangular de un desarenador se obtienen las siguiente relaciones:

Donde:Q= caudal en m3/sB=ancho de la cmara de decantacinh=altura del desarenadorMediante reemplazos y usando la relacin td=ts, tenemos:

Como se puede ver, el denominador puede asumir un valor negativo. Si este es el caso, la decantacin no es posible bajo las condiciones asumidas. Por lo tanto la determinacin de la velocidad de decantacin o de cada es la de mayor importancia. De acuerdo a Popel, Vs es una funcin del movimiento del agua, el estado de flujo en el agua, la viscosidad cinemtica, la forma tamao de la materia suspendida, y del peso especfico de las partculas.La velocidad de cada depende fuertemente del estado de flujo alrededor de la partcula durante su decantacin, y por lo tanto del nmero de Reynolds. Para lo cual lo siguiente es vlido: Para :

Donde:d=dimetro de la partculas=densidad relativa de la partcula (2.6 a 2.7 para arena)v= viscosidad cinemtica del agua (0.0132 cm2/s a una temperatura de 10C en agua limpia)g=aceleracin debida a la gravedad (9.81 m/s2) Para:

Donde:c=coeficiente de resistencia de las partculas (0.5 para partculas redondas) Para

Que corresponde al rango de transicin de acuerdo a RubeyEn la figura siguiente se muestra la velocidad de decantacin vs las relaciones vistas arriba.

Fig.: Velocidad de decantacin de partculas en agua destilada a 10C. En otras temperaturas los valores dentro de la ley de Stokes deben ser multiplicados por v/(1.31*10^-2).

Par desarenadores existe un flujo turbulento con el nmero de Reynolds de:

Donde:D=dimetro equivalente (4F/U=4(Bh)/(B+2h))B=ancho de la cmara de decantacinh=altura efectiva del desarenadorF=rea de la seccin del desarenadorU=permetro mojado

Entonces la velocidad de cada o de decantacin debe obtenerse de la figura mostrada y se debe introducir en la frmula (4). La velocidad Vd no debe exceder un valor mayor para que pueda Permitir a la materia suspendida decantar. Prevenir que la materia suspendida que ha sido decantada sea llevada a suspensin otra vezEsta velocidad, la cual es considerada como el valor lmite, puede ser tratada como un equivalente a la velocidad crtica. De acuerdo a Camp, la velocidad crtica es

Donde:d= dimetro de la partculaa=coeficiente en funcin de d, que se obtiene de la siguiente tablaad (mm)

36> 1

441-0.1

51Vcr, las partculas permanecen en suspensin, y con V