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Según la teoría del tanque poco profundo, bajo la condición de un volumen efectivo fijo del tanque de sedimentación, cuanto mayor sea la superficie del tanque, mayor será la eficiencia de sedimentación, independientemente del tiempo de sedimentación. Cuanto menos profundo sea el tanque, más corto será el tiempo de sedimentación. En un sedimentador de tubos, la zona de sedimentación se divide en capas delgadas mediante una serie de placas o tubos inclinados paralelos, que incorporan el principio del tanque poco profundo. Las características de los sedimentadores de tubos con placas o tubos inclinados son las siguientes:
1. Utilización del principio de flujo laminar: el agua fluye entre las placas o dentro de los tubos, donde el radio hidráulico es pequeño, lo que resulta en un número de Reynolds bajo. Generalmente, el número de Reynolds (Re) está alrededor de 200, lo que indica flujo laminar, lo cual es muy favorable para la sedimentación. El número de Froude del flujo dentro de los tubos es aproximadamente de 1×10⁻³ a 1×10⁻⁴, lo que indica un estado de flujo estable.
2. Mayor área de superficie: Se aumenta el área de sedimentación, mejorando la eficiencia del tanque de sedimentación. Sin embargo, debido a la disposición específica de las placas inclinadas, las condiciones de entrada/salida de agua y los patrones de flujo interno, la capacidad de tratamiento real no puede alcanzar el múltiplo teórico. La relación entre la eficiencia de sedimentación real y la eficiencia de sedimentación teórica se conoce como coeficiente efectivo.
3. Distancia de sedimentación de partículas reducida: la distancia de sedimentación de las partículas se reduce, lo que acorta significativamente el tiempo de sedimentación.
4. Refloculación de partículas: las partículas floculantes se vuelven a flocular dentro de las placas o tubos inclinados, lo que promueve el crecimiento de partículas y mejora aún más la eficiencia de la sedimentación.
La estructura de los sedimentadores de placas o tubos inclinados es similar a la de los tanques de sedimentación convencionales, comprendiendo una entrada, una zona de sedimentación, una salida y una zona de recolección de lodos. Sin embargo, en la zona de sedimentación se instalan muchos tubos o placas inclinadas. La Figura 1 muestra la estructura típica de un sedimentador de tubo.
En los sedimentadores de placas y tubos inclinados, la dirección del flujo del agua en relación con las placas inclinadas se puede clasificar en tres tipos: flujo ascendente, flujo descendente y flujo horizontal, como se muestra en las Figuras 2 y 3.
1.Flujo ascendente (flujo a contracorriente): el agua fluye hacia arriba a través de placas o tubos inclinados mientras el sedimento se deposita hacia abajo. Sus direcciones de flujo son opuestas, una configuración denominada flujo ascendente o flujo a contracorriente.
2.Flujo descendente (flujo concurrente): el agua fluye hacia abajo a través de placas o tubos inclinados en la misma dirección que el sedimento, lo que se denomina flujo descendente o flujo concurrente.
3.Flujo Horizontal (Flujo Cruzado): El agua fluye horizontalmente a través de las placas, conocido como flujo horizontal o flujo cruzado, aplicable sólo a placas inclinadas.
Actualmente, la mayoría de las plantas de tratamiento de agua, como las de las centrales eléctricas, utilizan flujo ascendente y normalmente emplean tubos inclinados como componentes para sedimentadores de tubos.
El agua ingresa al tanque de sedimentación horizontalmente. La zona de entrada a menudo presenta paredes perforadas, paredes ranuradas o entradas de tubos inclinados de flujo descendente para garantizar una distribución uniforme del agua a lo ancho del tanque. El diseño y requisitos son similares a los de los tanques de sedimentación horizontales. Para lograr un flujo de salida uniforme desde los tubos inclinados en sistemas de flujo ascendente, es necesaria una altura suficiente de la zona de distribución de agua debajo de los tubos, asegurando que la velocidad de entrada se mantenga entre 0,02 y 0,05 m/s.
El ángulo entre las placas inclinadas y el plano horizontal se llama ángulo de inclinación (α). Un α más pequeño da como resultado una velocidad crítica de sedimentación (u₀) más baja, lo que mejora el efecto de sedimentación. Sin embargo, para garantizar el deslizamiento automático del lodo y su descarga sin obstrucciones, α no debe ser demasiado pequeño. Para sistemas de flujo ascendente, α normalmente no es inferior a 55° a 60°. En sistemas de flujo descendente, donde la descarga de lodos es más fácil, α generalmente no es inferior a 30° a 40°.
Para aprovechar al máximo el volumen disponible del tanque, se diseñan placas y tubos inclinados en formas geométricas compactas, como cuadradas, rectangulares, hexagonales y corrugadas. Para facilitar la instalación, se agrupan varios o incluso cientos de tubos inclinados en una sola unidad, que se instala en la zona de sedimentación. Los materiales utilizados para las placas y tubos inclinados deben ser livianos, duraderos, no tóxicos y económicos. Los materiales comunes incluyen papel alveolar y láminas finas de plástico. Los tubos alveolares se pueden fabricar con papel impregnado y curar con resina fenólica, formando normalmente hexágonos con un diámetro de círculo interior de 25 mm. Las láminas de plástico, como las de PVC rígido de 0,4 mm de espesor, suelen moldearse térmicamente.
Cuanto más largas sean las placas o tubos inclinados, mayor será la eficiencia de sedimentación. Sin embargo, las placas o tubos demasiado largos son difíciles de fabricar e instalar, y mayores aumentos de longitud producen rendimientos decrecientes en eficiencia. Si las placas o tubos son demasiado cortos, la proporción de la zona de transición de entrada (la zona de transición de flujo turbulento a laminar) aumenta, reduciendo la zona de sedimentación efectiva. La zona de transición en los tubos inclinados es de unos 100-200 mm. La experiencia sugiere que las placas de flujo ascendente deben tener entre 0,8 y 1,0 m de largo, con un mínimo de 0,5 m, mientras que las placas de flujo descendente tienen aproximadamente 2,5 m de largo. Con una velocidad de flujo de sección transversal constante, un espacio más pequeño entre las placas o los diámetros de los tubos aumenta la velocidad del flujo y la carga superficial, reduciendo así el tamaño del tanque. Sin embargo, distancias o diámetros de tubo demasiado pequeños pueden provocar dificultades de fabricación y obstrucciones. En el tratamiento de agua, los sedimentadores de flujo ascendente suelen tener una distancia o diámetro de tubo de 50 a 150 mm, mientras que las placas de flujo descendente tienen una distancia de aproximadamente 35 mm.
Para garantizar un flujo uniforme de las placas o tubos inclinados, la disposición de los dispositivos de recogida de agua es crucial. Estos dispositivos constan de ramales de recogida de agua y canales principales. Las ramas de recolección pueden incluir canales perforados, vertederos triangulares, vertederos delgados y tuberías perforadas. La altura desde la salida del tubo inclinado hasta el orificio de recolección (es decir, la altura de la zona de agua clara) está relacionada con el espacio entre las ramas de recolección y debe cumplir con la siguiente fórmula:
h≥√3/2L
Dónde:
h es la altura de la zona de agua clara (m),
L es el espacio entre las ramas de recolección (m).
Normalmente, L está entre 1,2 y 1,8 m, por lo que h está entre 1,0 y 1,5 m.
La velocidad del flujo de agua entre placas inclinadas es similar a la velocidad horizontal en tanques de sedimentación horizontales, oscilando generalmente entre 10 y 20 mm/s. Cuando se utiliza el tratamiento de coagulación, la velocidad de sedimentación (u₀) es de alrededor de 0,3 a 0,6 mm/s.
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