TESIS DE PREGRADO
ANALISIS DEL DISEÑO DE TRAMPAS DE SEDIMENTO ANTES DE
TANQUES DE TORMENTA
Tania Victoria Niño Escalante
Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
PREGRADO EN INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2019
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer primeramente a la Universidad de los Andes, por haberme acompañado durante
mi proceso de formación profesional; gracias a mi asesor Juan Guillermo Saldarriaga, por siempre
alentarme a buscar la excelencia en las actividades; gracias a John Calvo, por ayudarme siempre en
el laboratorio; a mis padres y hermano por el apoyo incondicional que me han dado a lo largo de mi
vida.
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Análisis del diseño de trampas de sedimentos antes de tanques de tormenta
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i
TABLA DE CONTENIDO
1
Introducción ........................................................................................................................... 1
1.1
Objetivos ........................................................................................................................ 2
1.1.1
Objetivo General ..................................................................................................... 2
1.1.2
Objetivos Específicos ............................................................................................... 2
2
Marco teórico ........................................................................................................................ 3
3
Metodología........................................................................................................................... 5
3.1
Estimación de caudales ................................................................................................... 6
3.2
Selección de la granulometría ......................................................................................... 7
3.3
Material adicional necesario ........................................................................................... 7
3.4
Procedimiento de las pruebas ......................................................................................... 8
3.5
Granulometría de las muestras ..................................................................................... 13
3.6
Limpieza de la cámara desarenadora ............................................................................ 13
4
Resultados ........................................................................................................................... 21
4.1
Capacidad de la cámara desarenadora. ......................................................................... 21
4.2
Granulometría de la arena saliente ............................................................................... 23
4.3
Tiempo de llenado de la cámara desarenadora helicoidal ............................................. 27
5
Análisis de resultados ........................................................................................................... 29
6
Conclusiones y recomendaciones ......................................................................................... 30
7
Referencias .......................................................................................................................... 31
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ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Montaje del laboratorio ........................................................................................................... 5
Ilustración 2. Tanque de alimentación, válvula, tubería de alimentación y tolva. ........................................... 6
Ilustración 3. Caudalímetro usado para las pruebas ...................................................................................... 7
Ilustración 4. Embudo utilizado ..................................................................................................................... 8
Ilustración 5. Tolva que contiene la arena ..................................................................................................... 8
Ilustración 6. Curva de calibración del vertedero de salida ............................................................................ 9
Ilustración 7. Caudal que sale de la cámara. .................................................................................................. 9
Ilustración 8. Tolva con la arena .................................................................................................................. 10
Ilustración 9. Vertedero de salida ............................................................................................................... 11
Ilustración 10. Vertedero de salida luego de retirar el agua ......................................................................... 11
Ilustración 11. Arena que se recoge del vertedero de salida ........................................................................ 12
Ilustración 12. Arena lista para llevar al horno para secarla ......................................................................... 12
Ilustración 13. Arena en la balanza luego de secarla en el horno ................................................................. 12
Ilustración 14. Tamices con los que se realizó la granulometría de las muestras de arena saliente de la
cámara ............................................................................................................................................... 13
Ilustración 15. Tanque de almacenamiento y alimentación principal. .......................................................... 14
Ilustración 16. Arena ubicada en el tanque principal de abastecimiento ...................................................... 15
Ilustración 17. Tanque principal de abastecimiento desocupado ................................................................. 15
Ilustración 18. Tanque principal siendo llenado nuevamente con agua limpia ............................................. 16
Ilustración 19. Drenaje del agua almacenada en la parte baja de la cámara ................................................. 17
Ilustración 20. Drenaje del agua dentro de la cámara .................................................................................. 17
Ilustración 21. Creación del primer agujero de la cámara ............................................................................ 17
Ilustración 22. Arena almacenada al interior de la cámara ........................................................................... 18
Ilustración 23. Vista al interior de la cámara desde el agujero ..................................................................... 18
Ilustración 24. Eliminación manual de la arena ............................................................................................ 19
Ilustración 25. sello de los agujeros hechos en la cámara desarenadora ...................................................... 20
Ilustración 26. Interior de la cámara desarenadora luego de remover la arena de las pruebas anteriores .... 20
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ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Eficiencia de la retención de arena de la cámara ......................................................................... 22
Gráfica 2. Resultados de la arena saliente de los lavados de la cámara ........................................................ 23
Gráfica 3. Curvas de granulometría de las muestras .................................................................................... 27
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Resultados de las pruebas.............................................................................................................. 21
Tabla 2. Resultados de los lavados de la cámara desarenadora.................................................................... 22
Tabla 3. Granulometría de muestra 1 .......................................................................................................... 23
Tabla 4. Granulometría de muestra 2 .......................................................................................................... 23
Tabla 5. Granulometría de muestra 3 .......................................................................................................... 24
Tabla 6. Granulometría de muestra 4 .......................................................................................................... 24
Tabla 7. Granulometría de muestra 5 .......................................................................................................... 24
Tabla 8. Granulometría de muestra 6 .......................................................................................................... 25
Tabla 9. Granulometría de muestra 7 .......................................................................................................... 25
Tabla 10. Granulometría de muestra 8 ........................................................................................................ 25
Tabla 11. Granulometría de muestra 9 ........................................................................................................ 26
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1 INTRODUCCIÓN
Las estructuras nuevas de trampas de sedimentos para antes de tanques de tormentas pueden
implicar una mejora en la implementación de estructuras de retención que existen actualmente. Las
trampas de sedimentos, como su nombre lo indica, buscan retener los sedimentos antes de que
lleguen a los tanques de tormenta, los cuales captan las aguas lluvias para después dirigirlas a las
redes de alcantarillado con el fin de mitigar el caudal que pasa por estas redes en temporadas de
lluvia (Ayesa). Un desarenador antes de un tanque de tormenta busca que el material particulado
que contiene el agua lluvia quede retenido en la trampa y no pase al tanque de tormenta, esto con
el fin de evitar que las redes de alcantarillado de un sector se llenen de material sedimentante y
generen un problema mayor.
La estructura que quiere probarse actualmente, consiste en un desarenador con forma de helicoidal
en su interior que busca reducir la velocidad del agua que entra y de esta manera permitir que las
arenas que transporta se decanten en su interior. Sin embargo, esta nueva estructura requiere de
una distribución del espacio distinta a las actualmente utilizadas, es por esto, que se quiere probar
su eficiencia, pero en especial se quiere analizar el diseño de esta, es decir, poder concluir si el
diseño propuesto por Álvaro López, ganador del concurso de la fundación PAVCO en el 2017 es lo
suficientemente eficiente y cuánto tiempo tardará en llenarse esta trampa, todo esto con el fin de
dar un juicio acerca de la conveniencia de la implementación de estos nuevos modelos.
Se espera que este modelo que se va a probar en el laboratorio a lo largo del semestre muestre un
rendimiento superior a las estructuras actualmente utilizadas. Una prueba de lo que puede llegar a
ser la eficiencia de este tipo de modelos, es que se han venido comercializando distintos tipos de
desarenadores en forma de espiral, como es el caso del desarenador que se muestra en el portal de
drenatura (Mikelfa, s.f.), el cual contiene una espiral en su interior, sin embargo, el diseño de este
es diferente al que se desea probar en el laboratorio de alcantarillados. El diseño helicoidal que se
quiere poner a prueba durante el periodo de investigación, asegura llegar a una eficiencia de hasta
el 75% con un caudal de 5 l/s.
En el campo profesional de la ingeniería hidráulica se ha generado un interés importante en este
tipo de modelos, ya que estos modelos tienen un nivel de complejidad en el mantenimiento menor
al actualmente implementado. Esto se debe a que, una vez instalado el tanque de tormentas, su
mantenimiento tiene un alto nivel de dificultad y lo que se busca con la implementación de una
trampa de sedimentos es de evitar, a toda costa, que las arenas lleguen al tanque y a su vez a la red
de alcantarillado. Las implicaciones que tendrían que los sedimentos lleguen a la red de
alcantarillado son bastante graves, ya que estas se entienden como el sistema circulatorio de una
ciudad en términos de aguas potables, residuales y de lluvias, si se llegara a generar algún
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taponamiento de una de estas tuberías de aguas lluvias, las pérdidas económicas serían enormes.
Además, esto implicaría la detención de la prestación del servicio del alcantarillado a la ciudad, esto
desencadenaría una serie de brotes de enfermedades en la ciudad. Es aquí donde yace el interés del
mundo ingenieril en este tipo de soluciones, para evitar que una ciudad deje de funcionar y entre
en crisis económica y de salud debido a un problema que puede ser evitado adoptando medidas
innovadoras.
Como se ha mostrado previamente, la búsqueda de soluciones fáciles y efectivas llevará a una
ciudad a tener un mejor desarrollo y evitar paros en su funcionamiento. A lo largo de estas pruebas
de laboratorio se decidirá si la estructura propuesta es viable en términos de limpieza,
almacenamiento y eficiencia de retención de sedimentos. El análisis de esta cámara helicoidal se
hará con un enfoque en su diseño y se buscará principalmente dar respuesta al interrogante de su
capacidad de almacenamiento y un estimado de tiempo para su limpieza.
Para resumir, es necesario probar las trampas de sedimentos que se encuentran en el laboratorio
de alcantarillado de la universidad con el fin de concluir si son una buena opción o es mejor actuar
conforme al protocolo de tanques de tormenta como se ha venido haciendo hasta ahora. También,
es necesario decidir si vale la pena cambiar el tipo de distribución y el espacio que ocupan las
trampas actuales por las nuevas que han sido propuestas.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo General
Evaluar el diseño de la cámara desarenadora helicoidal desarrollada por el equipo de PAVCO y
diseñada por Álvaro López ganador del concurso de la fundación PAVCO, este análisis incluye la
estimación del tiempo de llenado de la cámara y el punto de saturación de la cámara.
1.1.2 Objetivos Específicos
Evaluar la capacidad de llenado de la cámara desarenadora helicoidal
Establecer un tiempo real de llenado
Identificar oportunidades de mejora en el diseño
Idear un método de limpieza para la cámara
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2 MARCO TEÓRICO
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. (Martínez, 1970)
Sedimentador:
Un sedimentador es un tanque en donde se realiza la remoción de partículas
inferiores a 0.2 mm y superiores a 0.05 mm. Comprende cuatro partes: una zona de entrada o
estructura hidráulica de transición que permite una distribución uniforme del flujo dentro del
sedimentador; una zona de sedimentación; una zona de salida constituida por un vertedero,
canaletas o tubos con perforaciones que recolectan el efluente; y una zona de recolección de lodos,
constituida por una tolva con capacidad para depositar los lodos sedimentados y una tubería y
válvula para su evacuación periódica (OPS 2005b). Los sedimentadores pueden ser tanques
circulares o rectangulares (CONAGUA 2015b). En tanques rectangulares, la relación longitud-ancho
varía entre 3:1 y 5:1, con profundidades de agua mayores a dos metros, longitud menor de 90 m.,
ancho de 3 a 24 m. y pendiente suave, 1 ó 2 %; en tanques circulares la pendiente en el fondo es del
8% regularmente (CONAGUA 2015b). (Tilley, 2018).
Sedimentación:
La sedimentación simple (también conocida como sedimentación simple por
gravedad) es un pretratamiento físico de agua sencillo, de bajo costo, que se realiza antes de la
aplicación de otros métodos de purificación como filtración (por ejemplo, filtración lenta de arena)
y desinfección (cloración). Este proceso sirve para eliminar partículas pequeñas suspendidas no
deseadas (arena, limo y arcilla) y algunos contaminantes biológicos del agua bajo la influencia de la
gravedad. Cuanto más tiempo se almacena el agua o se mantiene inalterada, más se depositarán
los sólidos en suspensión y los patógenos en el fondo del recipiente. El proceso de sedimentación
se puede acelerar agregando coagulantes. (Bruni, 2018)
Sedimento:
es la materia que, después de haber estado en suspensión en un líquido, termina en el
fondo por su mayor gravedad. Este proceso se conoce como sedimentación. (Pérez Porto & Gardey,
2010)
Tanque de tormentas
: Los tanques de tormenta son parte de las infraestructuras de alcantarillado
de algunas ciudades. Son depósitos cuyo objetivo es retener el agua de lluvia que llega a través de
los colectores, especialmente cuando se trata de lluvias intensas, para minimizar el riesgo de
inundaciones. Limitan el aumento súbito del caudal y evitan que las primeras lluvias, que son las
más contaminadas, lleguen directamente a ríos y arroyos. El agua que queda almacena en estos
tanques se conduce posteriormente a las depuradoras, donde será tratada y enviada a los sistemas
fluviales en condiciones óptimas de calidad. No solo funcionan antes fuertes precipitaciones,
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también cuando en la época de lluvias las depuradoras no son capaces de tratar más agua por falta
de capacidad y de tiempo. Actúan entonces como retenedores hasta que las plantas depuradoras
están preparadas para albergar nuevas entradas de agua. (Rodríguez, 2019)
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3 METODOLOGÍA
Para explicar el proceso llevado a cabo en el laboratorio para analizar el diseño de la trampa de
sedimentos, es necesario aclarar el funcionamiento del modelo de laboratorio con el que se trabajó:
se cuenta con un tanque de almacenamiento que tiene una bomba sumergible, la cual transporta el
agua hacia un tanque de alimentación que descargará el agua a través de una tubería con válvula
de seis pulgadas hacia una tubería que se conectará a la cámara desde la parte superior y liberará
agua con sedimento. El sedimento que se mezclará con el agua que viene del tanque de
almacenamiento es añadido desde una tolva que se conecta a la mitad de la tubería de alimentación.
A continuación, se mostrarán imágenes del montaje del laboratorio.
Ilustración 1. Montaje del laboratorio
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Ilustración 2. Tanque de alimentación, válvula, tubería de alimentación y tolva.
3.1 Estimación de caudales
Para comenzar, es necesario definir los caudales y la carga de sedimento que se le pondrá al modelo.
Para la selección de caudales de las pruebas, se hizo uso del manual del diseñador de la cámara
helicoidal, donde se sugiere que el caudal máximo que puede tolerar el diseño es de 5 l/s para
garantizar una eficiencia de hasta el 75%. Con esta información de caudal, se configura entonces el
paso del agua hacia el modelo de para no exceder el límite previamente establecido.
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Ilustración 3. Caudalímetro usado para las pruebas
3.2 Selección de la granulometría
Para la selección de la granulometría de la arena que se utilizó en las pruebas, se siguió utilizando la
seleccionada por Laura Ortega de la Pava, ya que ella estuvo trabajando con el desarenador en una
ocasión previa y estableció ciertos parámetros para las pruebas, tales como la granulometría, que
en este caso se considera pertinente continuar utilizando. La arena que se utilizó fue de 12-20 (1.51
mm), 20-30 (1.21 mm), 30-40 (0.47 mm) y 60-70, en proporciones de 25% de la carga completa que
se le irá aplicando a la cámara. Adicionalmente, se sigue con la carga de 10 kg de arena para las
pruebas, esto quiere decir que se utilizarán 2.5 kg de arena de cada tamaño previamente
mencionado.
3.3 Material adicional necesario
Para añadir la arena dentro del modelo, se utilizaron embudos con una apertura suficiente para
permitir el paso de arena en una concentración entre 40 y 200 g/L/s, es decir, se estimó que la arena
debe pasar por el embudo en una cantidad estimada de 10 g/s. A continuación, se muestran la tolva
y el embudo utilizados para añadir la arena al modelo.
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Ilustración 4. Embudo utilizado
Ilustración 5. Tolva que contiene la arena
3.4 Procedimiento de las pruebas
Con el fin de llevar a cabo las pruebas, se siguió el procedimiento previamente establecido por Laura
Ortega para probar la eficiencia de la cámara, sin embargo, en este caso, se estará analizando la
capacidad del modelo y el tiempo de llenado, con el fin de establecer un período de tiempo para
limpieza.
El proceso de cada prueba consiste en:
1. Encender el modelo y asegurar un caudal de 5 l/s.
En esta etapa, se abre y cierra la válvula en repetidas ocasiones y se espera a que se regule el caudal
para probar los caudales máximos y mínimos a los que puede ser sometido el modelo. En este caso,
se estimó que se puede manejar un rango de caudales de aproximadamente entre 3 y 8 l/s. Sin
embargo, se decidió apegarse a las sugerencias hechas por el diseñador y trabajar con un caudal
para todas las pruebas de 5 l/s. Los caudales fueron medidos siempre con un caudalímetro, el cual
se encontraba sincronizado correctamente con las curvas de calibración del vertedero del tanque
de salida.
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Ilustración 6. Curva de calibración del vertedero de salida
En la Ilustración 6, se puede ver claramente el vertedero de salida y la ecuación para hallar el caudal
según la altura de la lámina de agua.
Ilustración 7. Caudal que sale de la cámara.
2. Añadir la carga de 10 kg de arena a la tolva con el embudo.
Se añade la carga de 10 kg, esta carga está distribuida con los porcentajes tipo de arena según el
tamaño de grano que se mencionaron previamente.
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Ilustración 8. Tolva con la arena
3. Asegurar que la arena esté pasando por el embudo y se esté mezclando con el agua.
Se debe asegurar que la arena si pase por el embudo de forma ininterrumpida, es por esto, que en
esta fase se requiere de una estricta vigilancia al embudo.
4. Esperar a que toda la carga de arena sea desalojada de la tolva.
5. Apagar el modelo.
6. Sacar el agua del vertedero de salida.
En esta etapa, se hizo uso de una bomba sumergible que permite la extracción del agua del tanque
antes del vertedero de salida.
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Ilustración 9. Vertedero de salida
Luego de retirar el agua, se puede observar la arena que no quedó atrapada en la cámara
desarenadora y que llegó al tanque.
Ilustración 10. Vertedero de salida luego de retirar el agua
7. Recoger la arena que queda en el fondo del vertedero de salida en recipientes de aluminio
aptos para horno.
Esta arena se retira en su totalidad con una pala pequeña y una brocha.
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Ilustración 11. Arena que se recoge del vertedero de
salida
Ilustración 12. Arena lista para llevar al horno para
secarla
8. Llevar las muestras al horno, este proceso puede tardar alrededor de un día.
9. Pesar la arena resultante.
Ilustración 13. Arena en la balanza luego de secarla en el horno
10. Realizar la granulometría de estas muestras de arena.
Se decidió hacer la granulometría de las muestras de la arena que sale de la cámara debido a que
se notó que el tamaño de grano saliente depende de si se está alimentando la cámara con arena o
no.
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Ilustración 14. Tamices con los que se realizó la granulometría de las muestras de arena saliente de la cámara
Este procedimiento se debe repetir hasta que la arena que sale de la cámara llega a ser por lo menos
el 25% de la arena que se le introduce. Finalmente, se estima que el proceso de vaciado de la arena
en el agua toma un tiempo de alrededor una hora.
3.5 Granulometría de las muestras
Después de haber pesado la arena que salió de la trampa de sedimentos, fue considerado pertinente
hacer la granulometría de estas muestras, para esto, se llevó a cabo el procedimiento especificado
en la NTC 77.
3.6 Limpieza de la cámara desarenadora
Debido a que a la cámara desarenadora se le había puesto arena en pruebas anteriores llevadas a
cabo por Laura Ortega, y esta arena se quedó atrapada dentro de la cámara, fue necesario buscar
alternativas para lograr su limpieza.
Para comenzar, se decidió encender el modelo por un periodo prolongado de tiempo con el caudal
máximo permitido el montaje del laboratorio, es decir, 8 l/s. Luego de mantener encendido el
montaje por periodos de 1 hora, se lograba sacar una parte de la arena atrapada, sin embargo, se
presumía que no era toda la que se encontraba atrapada en la cámara. Por esta razón, se decidió
llevar a cabo un proceso exploratorio de la ubicación de la arena dentro de todo el montaje.
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Primeramente, se vació el tanque de almacenamiento grande y se encontró una porción de arena
que se albergaba allí. Sin embargo, tampoco era la totalidad de la arena, entonces, se lavó el tanque
y se retiró toda la arena y limos que se encontraban allí para llenarlo nuevamente con agua limpia.
Ilustración 15. Tanque de almacenamiento y alimentación principal.
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Ilustración 16. Arena ubicada en el tanque principal de abastecimiento
Ilustración 17. Tanque principal de abastecimiento desocupado
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Ilustración 18. Tanque principal siendo llenado nuevamente con agua limpia
De acuerdo con el protocolo propuesto por el diseñador Álvaro López, la limpieza de esta cámara se
haría por medio de un Vactor, el cual succionaría el agua y la arena atrapados desde la tubería
central y de esta forma, permitir que la cámara desarenadora siga funcionando sin contratiempos.
Pero este procedimiento de limpieza no es posible de realizar en el laboratorio debido a las
limitaciones de espacio, de ahí que, se debió buscar una alternativa factible para su limpieza en el
laboratorio, la cual resultó ser abrir agujeros lo suficientemente grandes como para hacer la limpieza
manual como se mostrará a continuación.
Luego, después de haber descartado el tanque de almacenamiento, se decidió que era necesario
abrir un agujero en la cámara desarenadora para hacer la verificación pertinente. Se encontró que
la arena si quedaba almacenada dentro de la cámara en la zona inferior, por lo tanto, luego de
analizar los planos hechos por el diseñador, se escogieron dos lugares para abrir el hueco. Estos
agujeros permitieron la limpieza de la cámara en gran medida y se pudo continuar con las pruebas
y lograr la saturación que se estaba buscando.
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Ilustración 19. Drenaje del agua almacenada en la parte baja de la cámara
Ilustración 20. Drenaje del agua dentro de la cámara
Ilustración 21. Creación del primer agujero de la cámara
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En la Ilustración 21, se puede observar la ubicación del primer agujero que se le hizo a la cámara. El
agujero debía ser lo suficientemente grande para poder hacer la extracción de la arena almacenada
de forma manual.
Ilustración 22. Arena almacenada al interior de la cámara
Ilustración 23. Vista al interior de la cámara desde el agujero
También, en la Ilustración 23, se puede observar la acumulación de arena dentro de la cámara.
Luego de esto, se procedió a hacer la limpieza manual con una pala y un balde, en la Ilustración 24
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se observa el proceso de eliminación de la arena que se encuentra al interior de la parte inferior del
desarenador.
Ilustración 24. Eliminación manual de la arena
A pesar de la gran cantidad de arena que se retiró por este agujero, fue necesario abrir un segundo
hueco, ya que el tamaño de la cámara desarenadora no permitía el acceso a toda la arena por retirar.
El segundo hueco se hizo justo al otro lado del primero, pero se hizo más bajo, es decir, a ras del
fondo del tanque, con este segundo agujero se pudo desalojar toda la arena que se albergaba ahí.
Los agujeros se sellaron con cinta para ducto debido a que se debían abrir en ocasiones posteriores.
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20
Ilustración 25. sello de los agujeros hechos en la cámara desarenadora
La limpieza de la cámara resultó ser positiva para la obtención de los nuevos resultados de las
pruebas, luego de haber sellado los agujeros se continuó con las pruebas descritas previamente.
Ilustración 26. Interior de la cámara desarenadora luego de remover la arena de las pruebas anteriores
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4 RESULTADOS
Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
4.1 Capacidad de la cámara desarenadora.
En este apartado se muestran los resultados obtenidos en forma de número de prueba y cantidad
de arena saliente.
Tabla 1. Resultados de las pruebas
Prueba
Carga (kg) Descarga (g)
1
10
317
2
10
376
3
10
428
4
10
495,5
5
10
356,5
6
10
525,5
7
10
1016
8
10
851,1
9
10
1279,1
10
10
1053,5
11
10
830,5
12
10
1447,5
13
10
1063
También se puede observar la curva de comportamiento de la capacidad de almacenamiento de la
trampa para sedimentos.
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Gráfica 1. Eficiencia de la retención de arena de la cámara
Luego de obtener estos datos se decidió también hacer ciclos de auto lavado de la cámara
desarenadora, para esto, la cámara se encendió por periodos de 30 minutos con el caudal máximo
de 8 l/s y se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 2. Resultados de los lavados de la cámara desarenadora
Lavado
Duración
(minutos)
Caudal (l/s)
Salida (g)
1
30
8
4963
2
30
8
2919
3
30
8
768
4
30
8
367,5
5
30
8
457,5
0,00%
2,00%
4,00%
6,00%
8,00%
10,00%
12,00%
14,00%
16,00%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
% Descarga
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Gráfica 2. Resultados de la arena saliente de los lavados de la cámara
4.2 Granulometría de la arena saliente
Como indicador de la eficiencia y la saturación de la cámara, se consideró el tamaño de grano
saliente. Los resultados se muestran a continuación.
Tabla 3. Granulometría de muestra 1
Muestra
317
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
8
2,38
0
0%
0%
100%
16
1,19
0
0%
0%
100%
20
0
0%
0%
100%
30
0,595
0
0%
0%
100%
50
0,297
31,1
10%
10%
90%
100
0,149
157,4
50%
59%
41%
200
0,074
90,8
29%
88%
12%
fondo
28
9%
97%
3%
Tabla 4. Granulometría de muestra 2
Muestra
377,2
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
8
2,38
0
0%
0%
100%
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1
2
3
4
5
A
rena
qu
e
sa
le
de
la
c
ám
ar
a
(g
)
Número de lavado
Arena que sale durante los lavados
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Tesis de pregrado
24
16
1,19
0
0%
0%
100%
20
1,1
0%
0%
100%
30
0,595
4,5
1%
1%
99%
50
0,297
58,4
15%
17%
83%
100
0,149
221,3
59%
76%
24%
200
0,074
64,9
17%
93%
7%
fondo
27
7%
100%
0%
Tabla 5. Granulometría de muestra 3
Muestra
495
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
8
2,38
0
0%
0%
100%
16
1,19
0,5
0%
0%
100%
20
2,5
1%
1%
99%
30
0,595
10
2%
3%
97%
50
0,297
100,4
20%
23%
77%
100
0,149
225
45%
68%
32%
200
0,074
66,8
13%
82%
18%
fondo
90,3
18%
100%
0%
Tabla 6. Granulometría de muestra 4
Muestra
495,5
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
8
2,38
0
0%
0%
100%
16
1,19
0,8
0%
0%
100%
20
5,7
1%
1%
99%
30
0,595
26,3
5%
7%
93%
50
0,297
199,1
40%
47%
53%
100
0,149
189
38%
85%
15%
200
0,074
55,2
11%
96%
4%
fondo
19,4
4%
100%
0%
Tabla 7. Granulometría de muestra 5
Muestra
356,2
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
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Tesis de pregrado
25
8
2,38
0
0%
0%
100%
16
1,19
0,6
0%
0%
100%
20
5
1%
2%
98%
30
0,595
13,3
4%
5%
95%
50
0,297
99,9
28%
33%
67%
100
0,149
154,3
43%
77%
23%
fondo
83,1
23%
100%
0%
Tabla 8. Granulometría de muestra 6
Muestra
525,6
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
8
2,38
0
0%
0%
100%
16
1,19
1
0%
0%
100%
20
6,2
1%
1%
99%
30
0,595
20
4%
5%
95%
50
0,297
132,1
25%
30%
70%
100
0,149
233,9
45%
75%
25%
fondo
131,8
25%
100%
0%
Tabla 9. Granulometría de muestra 7
Muestra
1016,1
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
8
2,38
0
0%
0%
100%
16
1,19
3,2
0%
0%
100%
20
15,1
1%
2%
98%
30
0,595
61,8
6%
8%
92%
50
0,297
458,2
45%
53%
47%
100
0,149
337,2
33%
86%
14%
fondo
140
14%
100%
0%
Tabla 10. Granulometría de muestra 8
Muestra
851,1
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
8
2,38
0
0%
0%
100%
16
1,19
3,2
0%
0%
100%
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26
20
16,2
2%
2%
98%
30
0,595
73,8
9%
11%
89%
50
0,297
424,1
50%
61%
39%
100
0,149
233,8
27%
88%
12%
fondo
99,6
12%
100%
0%
Tabla 11. Granulometría de muestra 9
Muestra
1279,1
g
Tamiz
Abertura
Retuvo
% r. parcial % r. acum
%pasa
8
2,38
0
0%
0%
100%
16
1,19
12,9
1%
1%
99%
20
35
3%
4%
96%
30
0,595
149
12%
15%
85%
50
0,297
604
47%
63%
37%
100
0,149
319,8
25%
88%
12%
fondo
158,3
12%
100%
0%
Adicionalmente, se obtuvieron las siguientes curvas de granulometría:
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Gráfica 3. Curvas de granulometría de las muestras
4.3 Tiempo de llenado de la cámara desarenadora helicoidal
Para estimar el tiempo de llenado de la cámara desarenadora se hizo un cálculo teniendo en cuenta
el tiempo que tardaba la arena ser desalojada de la tolva.
Velocidad de caída de la arena = 10 g/s
Caudal promedio = 5 l/s
Carga de arena = 10 kg
Entonces, con los datos anteriores se obtiene que:
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑜𝑙𝑣𝑎 =
𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎
=
10000𝑔
10 𝑔/𝑠
= 17 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
Sin embargo, se debe tener en cuenta el tiempo añadido debido a los taponamientos que se generan
en el embudo. Por esta razón, se considera un tiempo de alrededor 45 a 50 minutos para vaciar la
tolva y que la carga completa pase a la trampa de sedimento.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
%
P
as
a
Tamiz
Granulometría
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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Con el conocimiento de que se le añadieron 130 kg de arena y que este fue el peso máximo que
alcanzó antes de perder eficiencia, se considera entonces que la cantidad de tiempo que tarda una
cámara desarenadora como la probada en el laboratorio es de:
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 = 50 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 ∗ 13 𝑝𝑟𝑢𝑏𝑎𝑠 = 650 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 ≅ 11 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
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5 ANÁLISIS DE RESULTADOS
De la capacidad de retención de la cámara desarenadora, se puede decir que su eficiencia se ve
directamente condicionada a la cantidad de material que esté atrapando previamente, es por esto
que se ve una curva en aumento en la Gráfica 1. Sin embargo, se ve claramente una divergencia
luego del dato 8, esto se debe a que ya la cámara está llegando a su límite y, en lugar de mantener
un comportamiento ordenado, oscila en su capacidad de retención. Es necesario aclarar que la
cámara funcionaría correctamente hasta alcanzar una eficiencia del 85%, sin embargo, el diseño
está pensado para que el desarenador helicoidal llegue a una eficiencia del 75%.
Dentro de los resultados, también se obtuvieron datos de ciclos de auto lavado de la cámara. Los
resultados que se obtienen son desfavorecedores para la cámara debido a que se evidencia una
gran pérdida del material que se encuentra almacenado. Durante las pruebas del laboratorio se
pudo observar que el tamaño del grano de arena resultante de estos lavados correspondía
principalmente a la gradación más grande que tenía la arena, es decir el tamaño 12-20 (1.51mm).
en estos ciclos de lavado es donde se logra ver claramente cómo se supera la eficiencia de
contención de sedimentos de la que se habló previamente.
Como criterio de saturación de la cámara desarenadora se utilizó el tamaño de grano saliente. Para
evaluar este criterio se obtuvieron las curvas de granulometría de la arena saliente de la cámara.
Estas curvas se pueden observar en la Gráfica 3, se puede observar en esta gráfica que, a medida
que se va avanzando con las pruebas, la curva se va moviendo más a la derecha, esto significa que
el tamaño del grano va aumentando con el paso de las pruebas. Esto se debe a que, en las primeras
pruebas, se espera que la cámara, al estar vacía retenga todo el sedimento y que las partículas que
salen sean las más pequeñas que se encuentran en suspensión en el agua. A medida que se va
avanzando, la capacidad del desarenador disminuye y esto ocasiona que cada vez, partículas más
grandes salgan del mismo. Cuando se llega a una curva que está muy a la derecha, se puede concluir
también que el desarenador ha llegado al límite y deber vaciado.
El tiempo de llenado de la cámara desarenadora arrojó un estimado de 11 horas recibiendo
sedimento y agua en su capacidad máxima, este desarenador también estaría siendo capaz de
albergar un estimado de 150 kg de sedimento antes de llegar al límite recomendado. Como no se
tienen datos de escorrentía de sedimentos en ciudades, y este dato depende también del régimen
de lluvias que pueda llegar a presentar una ciudad, no es posible dar un periodo de mantenimiento
preciso. Sin embargo, se considera que la capacidad del desarenador es insuficiente en condiciones
extremas.
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6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
De los resultados obtenidos se puede decir que el desarenador helicoidal probado no es funcional
debido a la cantidad de material particulado que sale hacia los vertederos. Se puede observar que
también hay cierta cantidad de arena que no queda retenida en el vertedero que se espera, sino
que pasó directo al tanque de alimentación del modelo, por lo tanto, hay un porcentaje de
sedimento que no fue atrapado por la cámara desarenadora, pero tampoco pudo ser contabilizado
luego de su paso por la misma ya que está quedó almacenada en el tanque de alimentación del
modelo.
Desde el principio de las pruebas, se puede observar una gran salida de material y esta salida va en
aumento al avanzar con las pruebas. Sin embargo, la arena que sale procedente de cada prueba no
es una preocupación, ya que se puede ver que se mantiene dentro del rango de la eficiencia para el
que se diseñó la cámara. La salida de material que es preocupante se refiere a la que sale de los
lavados de la cámara, es decir, cuando se enciende el modelo y se pone a correr el agua sin añadirle
sedimento a la entrada de la cámara, de este si se logra ver una enorme cantidad de material que
sale y puede llegar a convertirse en un problema debido a su magnitud.
Una forma útil de saber si la cámara está llegando a su punto de saturación, es con las curvas de
granulometría de la arena saliente, de esta forma se puede saber si la salida se encuentra dentro de
los rangos normales esperados, es decir, las partículas más pequeñas que permanecen suspendidas
por un periodo mayor de tiempo, o si se están lavando las partículas más grandes que pueda llegar
a soportar el desarenador.
El mantenimiento en el laboratorio no es fácil de hacer y requiere de mucho tiempo para poder
poner en funcionamiento el desarenador. Es necesario indagar más sobre el proceso de limpieza
con el vactor, sin embargo, se considera insuficiente para retirar todo el material almacenado dentro
de la cámara.
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