Diseño hidráulico del sedimentador de tubos: tasa de elevación, tasa de desbordamiento y tamaño del módulo: una guía de ingeniería completa

Respuesta directa: Un sedimentado de tubo aumenta el área de sedimentación efectiva de un clarificador entre 2 y 4 veces sin expandir la huella del tanque, al dividir el flujo en muchos pasajes inclinados poco profundos donde las partículas solo necesitan caer una distancia corta antes de golpear una superficie. Los dos parámetros clave de diseño son el tasa de desbordamiento de superficie (SOR) — cuánto flujo por unidad de área del plan del tanque debe manejar el sistema — y el tasa de subida del tubo — la velocidad ascendente del agua dentro de los tubos, que debe permanecer por debajo de la velocidad de sedimentación de las partículas objetivo. Si aciertas estos dos números, seguirá el resto del diseño.

Por qué funcionan los colonizadores de tubo: el principio de poca profundidad de Hazen

En un clarificador abierto convencional, una partícula debe caer hasta toda la profundidad del tanque (generalmente de 3 a 5 m) antes de llegar a la zona de lodos. La mayoría de las partículas finas (10–100 µm) se sedimentan a una velocidad de 0,1–2,0 m/h, lo que significa largos tiempos de retención hidráulica y grandes volúmenes de tanque.

Allen Hazen estableció en 1904 que el rendimiento de un tanque de sedimentación no depende de su profundidad o tiempo de retención, sino enteramente de su plano de superficie en relación con el flujo. Un tanque poco profundo con la misma área plana que un tanque profundo elimina exactamente las mismas partículas. Ésta es la base teórica de los sedimentadores tubulares.

Un módulo sedimentador de tubos instalado con una inclinación de 60° divide el flujo en docenas de pasajes inclinados, cada uno con una profundidad vertical de sólo 50 a 100 mm. Una partícula que se sedimenta a 0,5 m/h sólo necesita viajar de 50 a 100 mm verticalmente antes de golpear la pared del tubo, en lugar de 3 a 5 m en el tanque abierto. El resultado: la superficie efectiva de sedimentación del clarificador se multiplica entre 2 y 4 veces.

Los sólidos sedimentados se deslizan por la pared del tubo inclinado (mínimo 45°, estándar 60°) por gravedad, en contracorriente del flujo de agua ascendente, y caen en la zona de recolección de lodos que se encuentra debajo.

Los dos parámetros básicos de diseño

1. Tasa de desbordamiento superficial (SOR)

SOR es el caudal volumétrico dividido por el área del plan de la zona de sedimentación. Representa la velocidad ascendente del agua en el clarificador abierto encima y debajo de los módulos de tubos.

SOR (m/h) = Q (m³/h) / A (m²)

donde Q = caudal de diseño, A = área planificada de la zona de sedimentación

SOR también se llama tasa de carga de superficie hidráulica or tasa de desbordamiento . Tiene unidades de m/h o m³/(m²·h); ambas son equivalentes y significan lo mismo: la velocidad a la que se eleva la superficie del agua si no se produce sedimentación.

Límites de diseño para sedimentadores de tubos:

Sin sedimentadores de tubo, los clarificadores convencionales normalmente funcionan a una velocidad de SOR de 1 a 3 m3/h. Agregar módulos de tubos permite que el mismo tanque funcione a una velocidad de 3 a 7 m3/h, que es la forma en que los sedimentadores de tubos logran un aumento de capacidad de 2 a 4 veces.

2. Tasa de subida de los tubos (velocidad dentro de los tubos)

La tasa de aumento es la velocidad ascendente del agua. dentro los conductos del tubo. Esto es diferente del SOR: tiene en cuenta la geometría del propio tubo.

Para tubos de contracorriente inclinados formando un ángulo θ con respecto a la horizontal:

Tasa de aumento (Vr) = SOR / (sen θ L/d × cos θ)

donde:

• θ = ángulo de inclinación del tubo (normalmente 60°)
• L = longitud del tubo (normalmente 600–1200 milímetros)
• d = diámetro interno del tubo o diámetro hidráulico equivalente (normalmente 25-80 milímetros)

Con inclinación estándar de 60° con tubos de 600 milímetros y 50mm de diámetro:

El factor geométrico (sen 60° 600/50 × cos 60°) = 0,866 6,0 = 6,866

Esto significa que el área de sedimentación efectiva dentro de los tubos es aproximadamente 6,9 veces el área planificada, lo que explica por qué los sedimentadores de tubos multiplican la capacidad del clarificador por este factor.

Límites críticos de la tasa de aumento:

Número de Reynolds: confirmación del flujo laminar

Los sedimentadores de tubo sólo funcionan correctamente bajo flujo laminar condiciones. El flujo turbulento dentro de los tubos destruye el gradiente de velocidad que permite que las partículas se depositen en las paredes de los tubos: resuspende el material sedimentado y reduce drásticamente la eficiencia.

El número de Reynolds dentro del tubo debe permanecer muy por debajo de la transición laminar-turbulenta:

Re = (Vr × Dh) / ν

donde:

• Vr = tasa de aumento dentro del tubo (m/s)
• Dh = diámetro hidráulico del tubo (m) = 4 × área de la sección transversal / perímetro mojado
• ν = viscosidad cinemática del agua (≈ 1,0 × 10⁻⁶ m²/s a 20°C, 1,3 × 10⁻⁶ a 10°C)

Umbrales del régimen de flujo:

Ejemplo resuelto:

• Tasa de ascenso: 5 m/h = 0,00139 m/s
• Diámetro del tubo hidráulico: 50mm = 0,050 m
• Temperatura del agua: 20°C, ν = 1,0 × 10⁻⁶ m²/s

Re = (0,00139 × 0,050) / (1,0 × 10⁻⁶) = 69,5

Bien dentro del rango laminar. La mayoría de las instalaciones de sedimentadores de tubos diseñadas correctamente funcionan a Re = 50–200.

Efecto de la temperatura: A 10 °C, la viscosidad del agua aumenta a 1,3 × 10⁻⁶ m²/s, lo que reduce Re en un 23 % para el mismo caudal, lo que en realidad mejora la estabilidad laminar. El agua fría es beneficiosa para el sistema hidráulico del sedimentador de tubos, aunque reduce ligeramente la velocidad de sedimentación de las partículas.

Ajuste de diseño: Como regla general, velocidad de asentamiento ( $V_s$ ) disminuye aproximadamente un 2% por cada caída de 1°C en la temperatura del agua. En climas fríos, el SOR de diseño debe reducirse entre un 20% y un 30% en comparación con los picos del verano para mantener la misma calidad del efluente.

Número de Froude: Estabilidad del flujo

El número de Froude evalúa la estabilidad del régimen de flujo, específicamente si las corrientes de densidad y los cortocircuitos alterarán la distribución uniforme del flujo a través de los módulos de tubos.

Fr = Vr / (g × Dh)^0,5

Requisito de diseño: Fr > 10⁻⁵

Los números de Froude bajos indican que las corrientes impulsadas por la densidad (de diferencias de temperatura o altas concentraciones de sólidos suspendidos) pueden anular el flujo inercial y crear vías de cortocircuito a través del haz de tubos: algunos tubos transportan demasiado flujo, otros muy poco.

En la práctica, Fr > 10⁻⁵ se alcanza fácilmente en diseños de sedimentadores de tubo normales, pero se vuelve crítico en:

• Condiciones de flujo muy bajo (renovaciones con poca carga)
• Condiciones diferenciales de alta temperatura (aguas residuales cálidas que ingresan a tanques de ambiente frío)
• Aguas residuales industriales de alta salinidad

Geometría del tubo: longitud, diámetro y ángulo de inclinación

Ángulo de inclinación

El ángulo de inclinación estándar es 60° desde la horizontal . Esto no es arbitrario:

• Por debajo de 45°: el lodo sedimentado no puede deslizarse por la pared del tubo por gravedad: se acumula y eventualmente bloquea el tubo.
• A 45°: ángulo mínimo de autolimpieza; marginalmente aceptable para lodos ligeros y de baja cohesión
• A 60°: equilibrio óptimo entre eficiencia de sedimentación y autolimpieza de lodos: el estándar de la industria
• Por encima de 70°: el lodo se desliza libremente pero la ventaja geométrica disminuye (la longitud efectiva de sedimentación se acorta)

Longitud del tubo

Los módulos de tubo estándar tienen una longitud de 600 mm o 1200 mm. Los tubos más largos proporcionan más superficie de asentamiento por unidad de área del plan, pero aumentan la caída de presión y requieren más soporte estructural.

Los tubos más largos aumentan drásticamente el área efectiva de sedimentación. Sin embargo, por encima de 1000 a 1200 mm, la deflexión estructural bajo carga hidráulica se convierte en una preocupación de diseño y el acceso para la limpieza es limitado.

Diámetro hidráulico del tubo

Formas comunes de tubos y sus diámetros hidráulicos:

Un diámetro hidráulico más pequeño aumenta Re para la misma velocidad; por lo tanto, no siempre es ventajoso utilizar medios de canales muy finos en aplicaciones de alto flujo. Los medios de panal hexagonales con canales de 25 mm son más eficientes en aplicaciones de partículas finas y de baja velocidad (pulido con agua potable). Los tubos cuadrados o rectangulares son más comunes en aguas residuales municipales e industriales, donde las prioridades son velocidades de flujo más altas y un acceso de limpieza más fácil.

Procedimiento de diseño paso a paso

Información dada (ejemplo):

• Caudal de diseño Q = 5.000 m³/día = 208 m³/h
• Superficie del plano del clarificador existente A = 50 m²
• Objetivo SOR con sedimentadores de tubo: 5 m/h
• Especificación del tubo: 600 mm de longitud, 50 mm cuadrados, inclinación de 60°

Paso 1: Calcular el área del plan requerida

Área requerida = Q / SOR = 208 / 5 = 41,6 m²

El depósito existente de 50 m² es suficiente. Los sedimentadores de tubos deben cubrir al menos 41,6 m² de superficie del plano.

Paso 2: Calcular la tasa de aumento dentro de los tubos

Factor geométrico = sen 60° (600/50) × cos 60°
= 0,866 12 × 0,500
= 0,866 6,0
= 6.866

Tasa de elevación dentro de los tubos = SOR / factor geométrico = 5,0 / 6,866 = 0,728 m/h = 0,000202 m/s

Paso 3: Confirmar el número de Reynolds

Re = (0,000202 × 0,050) / (1,0 × 10⁻⁶) = 10.1

Muy por debajo de 500: se confirma un flujo laminar excelente.

Paso 4: verificar el número de Froude

Fr = 0,000202 / (9,81 × 0,050)^0,5 = 0,000202 / 0,700 = 2,9 × 10⁻⁴

Mayor que 10⁻⁵: flujo estable, sin riesgo de corriente de densidad.

Paso 5: Verifique el tiempo de permanencia dentro de los tubos

Área de la sección transversal de un tubo cuadrado de 50 mm = 0,050 × 0,050 = 0,0025 m²
Volumen de un tubo = 0,0025 × 0,600 = 0,00150 m³

Caudal por tubo = Tasa de elevación × sección transversal del tubo = 0,000202 × 0,0025 = 5,05 × 10⁻⁷ m³/s

Tiempo de detención = Volumen / Flujo = 0,00150 / (5,05 × 10⁻⁷) = 2.970 segundos = 49,5 minutos

Directriz de diseño: el tiempo de detención dentro de los tubos debe ser < 20 minutosutos para los sedimentadores de placas y < 10 minutos para los sedimentadores de tubos. Este diseño a 49,5 minutos es conservador, lo que indica que el sistema está funcionando muy por debajo del límite hidráulico.

Nota práctica sobre la instalación: > Debido a que los módulos de tubos son livianos (especialmente PP), pueden flotar o desplazarse durante las sobretensiones hidráulicas o la limpieza. Especifique siempre barras antiflotación de acero inoxidable 304/316. o un sistema de sujeción dedicado en la parte superior de los módulos para garantizar que permanezcan sumergidos y alineados.

Selección de materiales:

• PP (Polipropileno): Calidad alimentaria, resistencia química superior y mejor rendimiento en aguas residuales industriales de alta temperatura.

• PVC (Cloruro de polivinilo): Alta rigidez estructural y resistencia a los rayos UV, a menudo preferidas para plantas municipales exteriores a gran escala.

Paso 6: dimensionamiento del módulo

Con dimensiones de módulo estándar de 1,0 m × 1,0 m, espacio en planta:
Número de módulos necesarios = 41,6 m² / 1,0 m² = 42 módulos mínimo

Agregue un margen de seguridad del 10 % al 15 %: especifique 48 módulos cubriendo 48 m² de los 50 m² de zona de asentamiento.

Diseño de zona de aguas limpias y lavado

A menudo se pasan por alto dos requisitos hidráulicos adicionales:

Zona de agua limpia sobre los módulos de tubos: Mínimo 300 mm de agua abierta entre la parte superior de los módulos de tubos y el canal de efluentes. Esta zona permite que el flujo se redistribuya horizontalmente después de salir de los tubos, evitando un cortocircuito directamente desde la salida del tubo hasta el vertedero de efluentes.

Tasa de carga de lavado: La tasa de eliminación de agua clarificada en el lavadero de efluentes no debe exceder 15 m³/h por metro de longitud equivalente de colada . Superar esto crea zonas de alta velocidad que atraen el flujo preferentemente de los módulos de tubos cercanos, lo que reduce la utilización efectiva de todo el conjunto de módulos.

Zona de lodos debajo de los módulos de tubos: Altura libre mínima de 1,0 a 1,5 m entre la parte inferior del marco del módulo de tubos y la tolva de recolección de lodos. Esto evita que los lodos sedimentados vuelvan a arrastrarse hacia el flujo ascendente que ingresa a los tubos, una causa común de rendimiento deficiente en instalaciones de modernización donde los módulos de tubos se cuelgan demasiado bajo.

Errores de diseño comunes y cómo evitarlos

Sedimentador de tubos versus sedimentador de placas: diferencias hidráulicas

Los sedimentadores de tubo y de placa comparten el mismo principio de Hazen pero difieren en el comportamiento hidráulico:

La geometría cerrada de los tubos proporciona un número de Reynolds más bajo (mejor estabilidad laminar) para el mismo diámetro hidráulico, razón por la cual los tubos superan a las placas en aplicaciones de partículas finas y de bajo flujo. Pero el mismo recinto dificulta la limpieza, razón por la cual se prefieren los sedimentadores de placas en aplicaciones con lodos pesados ​​o pegajosos que requieren una limpieza regular.

Resumen: números clave del diseño de un vistazo

Los módulos de sedimentación de tubos de Nihao cuentan con juntas machihembradas reforzadas para evitar la separación de los módulos. Están disponibles en longitudes de 600 mm y 1200 mm, utilizando PVC o PP de sección cuadrada de 50 mm formado por CNC de alta precisión. Para proyectos que requieren una alta capacidad de carga, ofrecemos opciones de espesor personalizadas para evitar la deflexión a mitad del tramo. Comuníquese con nihaowater para obtener dibujos de diseño y tamaño del módulo.