Desarenadores


Los desarenadores son estructuras hidráulicas para remover la arena del agua captada para un sistema de aprovechamiento.

Los factores a tener en cuenta en el análisis y el diseño de un desarenador son la temperatura, la viscosidad del agua, el tamaño de las partículas de arena a remover, la velocidad de sedimentacion de la partícula y el porcentaje de remoción deseado.

Para el diseño deben tenerse en cuenta algunas consideraciones como son:

Los desarenadores normalmente estan compuestos por cuatro zonas:

Zonas de entrada y de sedimentación

Fuerzas sobre una partícula.

Ff = Fuerza de flotación

 

donde:

r: densidad del agua

g: gravedad

v: volumen

Fg = Fuerza de gravedad

Con rs: densidad de la partícula

FR = Fuerza resultante

Fr = Fuerza de fricción

 

Cuando FR es igual a Fr las fuerzas se equilibran y las partículas empiezan a caer con velocidad uniforme.

Siendo vs la velocidad de sedimentacion de la partícula y Cd el coeficiente de fricción de Newton el cual varía de acuerdo con el régimen de flujo alrededor de la partícula.

Dependiendo de la partícula se da el régimen, es decir, la partícula hace que el régimen alrededor de ella sea laminar o turbulento.

(1)

(2)

(3)

Reemplazando 1, 2 y 3 se obtiene la Ley de Stokes la cual es una ecuación para flujo laminar, ya que en el desarenador se debe garantizar flujo laminar.

Siendo:

Ss : Densidad específica de la partícula

µ: Coeficiente de viscosidad cinemática (cm2/s)

D: diámetro de la partícula

Para escoger el diámetro se tiene:

Clasificación de los materiales en suspensión según su tamaño

Material Diámetro (mm)
Arcilla coloidal menor de 0.0001
Arcilla fina 0.0001
Arena fina 0.1-0.25

Para calcular la vs de diseño se promedia entre la vs calculada con la Ley de Stokes y la vs calculada con la siguiente tabla:

Relación del diámetro de la partícula y la velocidad de sedimentación a 10ºC
Material Diámetro Reynolds vs (cm/s) Régimen Ley aplicada
Arena fina 0.1 0.8 0.8 Laminar Stokes
Arena gruesa 0.15 2 15 Transición Hagen
Grava   >10000 100 Turbulento Newton

Para temperaturas diferentes se tiene:

La viscosidad varía con la temperatura:

Por lo tanto vsc (velocidad de sedimentación critica) es:

Siendo:

vs1: vs hallada con la Ley de Stokes

vs2: vs hallada con la tabla

Luego de hallar la vsc se halla el tiempo de retención td

Si se desea saber el porcentaje de remoción o eficiencia del desarenador:

Siendo vsi la velocidad de sedimentacion de una partícula mas pequeña.

Diseño del desarenador

Los desarenadores requieren de estructuras complementarias como son la pantalla deflectora y el vertedero de excesos.

Pantalla deflectora

Regula el flujo para que sea uniforme.

Para este diseño se asume la velocidad del flujo por los orificios:

Se halla el área efectiva de orificio:

Y luego el número de orificios suponiendo su diámetro (5 cm):

Con el número de orificios se tiene:

m = filas de orificios horizontales

n = filas de orificios verticales

Por tanto, m x n = Número de Orificios y m/n = b/H

Y a continuación se determinan tanto m como n.

Vertedero de excesos

Evacúa lo que supera el caudal a tratar o a desarenar y se calcula de la siguiente manera:

Se asume un valor de h entre 2 y 3 cm.

Se debe tener en cuenta la altura del agua en el vertedero de excesos (H`) ya que si no es bien calculada el vertedero puede ahogarse, por tanto se diseña la tubería de salida y se deja libre en el vertedero una altura entre 10 y 15 cm.

Estructura de salida del desarenador

Se calculan el caudal (Q), el diámetro del tubo de salida, la sumergencia (para evitar producir vorticidad) y las dimensiones de la estructura.

Zona de lodos

Su volumen debe estar entre el 10 y el 20% del volumen del desarenador.

El fondo debe tener una pendiente entre el 5 y el 10% para facilitar su limpieza.

Para su diseño se utilizan las siguientes fórmulas:

Lo anterior es una descripcion general del diseño de desarenadores para un acueducto, aunque puede ser utilizado para otros fines.

Juan Gonzalo Escobar Maya.