resalto hidraulico en plantas de tratamiento

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HIDRULICA APLICADA A PLANTAS DE TRATAMIENTO

MEZCLADORES HIDRAULICOS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION

DEPARTAMENTO DE HIDRULICA Y MEDIO AMBIENTE

Ing. Mara Elena Baldizn A.

Managua, Abril, 2013

Unidades de Mezcla Rpida.

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La Mezcla Rpida es una operacin empleada en el tratamiento del agua. Tiene la finalidad de dispersar rpida y uniformemente el coagulante a travs de toda la masa de agua. Puede efectuarse mediante turbulencia provocada por medios hidrulicos o mecnicos tales como: Resaltos Hidrulicos: la mezcla es ejecutada como un resultado de la

turbulencia que existe en el rgimen de flujo.

En los mecnicos: la mezcla es inducida a travs de impulsores rotatorios del tipo de hlice o turbina.

Unidades de Mezcla Rpida. Resalto hidrulico

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Las unidades de resalto hidrulico, son adecuadas para todo tipo de aguas; es decir, tanto para las que coagulan por el mecanismo de adsorcin o neutralizacin de carga como para las de barrido, pero son ms utilizadas para aguas que la mayor parte del tiempo estn coagulando mediante el mecanismo de adsorcin; es decir, aguas que presentan alta concentracin de coloides Los ms utilizados por su simplicidad y eficiencia, los siguientes: vertederos rectangulares y triangulares canales con grada o con cambio de pendiente (rampas); canaletas Parshall; La mezcla es producida por la generacin de un resalto hidrulico que causa un gradiente de velocidad de alrededor de 1.000 s-1. Estas unidades tienen la ventaja de que, adems, involucran la medicin del caudal de ingreso a la planta.

Parmetros de Diseo

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1. El gradiente de velocidad G 1000 G 2000 seg-1

2. Tiempo de retencin de la mezcla debe ser menor o igual que 1

segundo.

3. Nmeros de Froude (F) : variables entre 4,5 y 9,0 para conseguir un salto estable, con excepcin de la canaleta Parshall, que funciona mejor con nmeros de Froude entre 2 y 3.

La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para plantas de medianas a grandes (Q 500 L/s).

El canal con cambio de pendiente se adeca a cualquier rango de caudal.

Los vertederos rectangular y triangular solo a caudales pequeos; el ltimo, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s.

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Energa especfica en canales: Tirante crtico.

Energa especfica ES: Es la energa total de la unidad de peso del lquido que fluye en un canal con relacin a la solera o fondo del canal que se toma como plano de referencia.

V y

2

2Vg

Lnea de energa

ES

2

2V

S gE y La energa de posicin se considera igual a cero. Z=0

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Energa especfica: Tirante crtico.

Para un caudal constante, se puede graficar la curva de variacin de la energa especfica ES , en funcin del tirante y.

ES

y

min32 E

gV2

2

minE

cy

Energa potencial

2

2Vg

y E

45

Flujo subcrtico

Flujo supercrtico

y

cy

gV2

2

Tirante crtico yc: La profundidad correspondiente al punto A se denomina tirante crtico y se presenta cuando Es es un mnimo.

A

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Tirante crtico. Para un canal de seccin rectangular, pendiente constante y ancho unitario el tirante crtico se encuentra de la siguiente manera:

2

2

Caudal unitario

Sustituyendo en E

2

2

q

y

Q VbyAVb b b

q

y

Vg

g

Q AV

q

q Vy

V

E y

E y

2

2

2

2

2

2

2 2

2 2 3

2 3

2

2

2

q

gy

q

gy

E y

E y

q gy E y

q g Ey y

q g Ey y

b

y

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Tirante crtico. Es aquel para el cual ES es un mnimo

12

12

1122

1122

2 3

2 3 212

2 3 212

2 3 212

2

23

2min3

Tirante critico

2

2 2 2 3

2 2 2 3

2 2 3 0

2 3 0

2 3 0

2 3 0

2 3

dq

dy

dq

dy

dq

dy

c

q g Ey y

g Ey y g Ey y

g Ey y g Ey y

g Ey y Ey y

Ey y

y E y

E y

E y

y E

y E

8

9

Tirante crtico

3min 2

3 332

6 3 3

2

3 3 3

2 3

Sustituyendo en q

2

2

3 2

c

c c

g

c c

c c c

c

E y

q g y y

q y gy

q gy gy gy

q gy

2

2

3

3

q

c g

q

c g

y

y

2

3min 2

3 3min 2

c

q

g

E y

E

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RESALTO HIDRULICO

Es una sobreelevacin de la superficie libre del agua ( u otro fluido) que fluye en un canal. Ocurre cuando en un tramo de canal se pasa de rgimen supercrtico a rgimen subcrtico

Resalto hidrulico

Rgimen Supercrtico

Rgimen Crtico

Rgimen

Subcrtico

11

3min 2

232

232

212

2

2

2

2

2

2

NUMERO DE FROUDE

c

c c

c c

c

c

Vcg

Vcg

Vcg

Vcg

E y

y y

y y

y

y

2

2

1

c

c c

c c

Vcg

Vcgyc

Vcgyc

y

V gy

V gy

F

RESALTO HIDRULICO

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NUMERO DE FROUDE

Vc

gycF

El valor que toma el nmero de froude nos indica el tipo de rgimen de flujo que se manifiesta.

= 1 ------- Rgimen crtico.

F < 1 -------- Rgimen subcrtico. > 1 -------- Rgimen supercrtico.

La energa especfica mnima ocurre cuando el nmero de Froude es igual a la unidad.

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APLICACIONES DEL RESALTO HIDRULICO Existen muchas aplicaciones, las ms comunes son:

1. Disipar energa en agua escurriendo sobre diques, presas y otras

estructuras hidrulicas, para prevenir erosin o socavacin aguas abajo

de las estructuras.

2. Recuperar o levantar el nivel de agua en un canal, aguas abajo de un

dispositivo de medicin de caudal, con el objetivo de mantener un nivel

que permita el riego u otros propsitos de distribucin de agua.

3. Incrementar el peso sobre un lecho amortiguador para reducir la presin

hacia arriba sobre una estructura, aumentando el tirante sobre el lecho.

4. Incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrs el nivel

aguas abajo.

5. Como unidad hidrulica de mezcla rpida en plantas

potabilizadoras.

6. Como unidad de aireacin en plantas potabilizadoras.

7. Remover bolsas de aire y prevenir bloqueos en lneas de conduccin de

sistemas de agua potable.

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Situaciones que pueden dar lugar a la formacin de un

resalto hidrulico.

Flujo en un canal de pendiente supercrtica que cambia a pendiente subcrtica.

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Situaciones que pueden dar lugar a la formacin de un

resalto hidrulico.

Flujo en un canal horizontal con una estructura de cada.

Flujo bajo una compuerta instalada en un canal de pendiente subcrtica.

Flujo al pie del vertedero de rebose de una presa.

Flujo en un canal horizontal ante la presencia de un obstculo como un vertedero o un medidor de caudal de flujo crtico.

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Situaciones que pueden dar lugar a la formacin de un resalto hidrulico.

Flujo bajo una compuerta instalada

en un canal de pendiente subcrtica.

Flujo al pie del vertedero de rebose de una presa.

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RESALTO HIDRULICO EN CANALES HORIZONTALES

RECTANGULARES.

y1

y2

V1

V2

Para un canal horizontal de seccin rectangular y ancho unitario las fuerzas de empuje que actan en ambas secciones son:

F1

F2

21 11 1 1 1 1 12 2

21 12 2 2 2 2 22 2

1

1

( )( )

( )( )

F p A y y y

F p A y y y

1

2

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RESALTO HIDRULICO EN CANALES HORIZONTALES

RECTANGULARES.

El impulso de las fuerzas debe igualar la variacin de la cantidad de movimiento:

2 22 1

1 2

2

1 2

22 1

1 2

1 22 2

22 2

2 1

2 1 12 1 2 1

2

2 1 2 1

Como v

( )( )

( )( )

y y q q

g y

q q q

g y y

q

g y y

y yq

g y y

V V

y y

y y y y y

y y y y

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RESALTO HIDRULICO EN CANALES HORIZONTALES RECTANGULARES.

2

1 2

2

1

2

1

221 1

1

2

2 1

2

2 2 1

22

2 1 2

2

2 2 4

( )

( )

0

q

gy y

q

gy

q

gy

y yq

gy

y y

y y y

y y y

y

1 1Como

:Caudal unitario

q v y

q

2 21 1 1 1

2 21 2

2

2 2 4

1 22 2

Ecuacin del resalto hidrulico.

Perdida de carga entre "1" y "2".

y V y y

g

V V

f g g

y

y y y

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RESALTO HIDRULICO EN CANALES HORIZONTALES RECTANGULARES.

2 21 1 1 1

2 21 1 1 1 1

1

2 211 1 1

2

2 2 4

2

2 4 2

82 24

Nmero de froude

(Canales rectangulares horizontales).

1

Ecuacin del resalto hidrulico:

y V y y

g

V y y y V

g gy

yy V y

g

y

y F