OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE LA PTAR ATOTONILCO (MÉXICO) MEDIANTE MODELIZACIÓN HIDRÁULICA

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1 OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE LA PTAR ATOTONILCO (MÉXICO) MEDIANTE MODELIZACIÓN HIDRÁULICA Margarit Bel, Núria A ; Retana Pastor, César B ; Bacardit Peñarroya, Jordi A ; Malfeito Sánchez, Jorge Juan A ABSTRACT A Acciona Agua, Dpto. I+D+i; B Acciona Agua, Dpto. Construcción Acciona Agua is currently finishing construction of Atotonilco Wastewater Treatment Plant which is designed to process waste water from México s capital, México DF. Computational Fluid Mechanic (CFD) tools were used to improve and optimize diverse plant elements during the detail design period. As a first step, those elements susceptible to be enhanced in order to reduce construction capital costs were identified. In a same manner, equipment that could present hydraulic performance issues was also recognized. Executed simulations allowed for technical improvements prior to construction that will optimize flow supply at those distribution chambers located upstream of the biological reactors, while flow variation between outlets is ensured to be less than 2%. A distribution channel which was already built was also simulated in order to adjust flow delivery through each exit by wall height modifications. Finally, simulations showed the possibility to reduce 25 m the length of the final discharge channel of the treatment plant into the river, while ensuring no overflows in the new design. As a conclusion, CFD tools have been proved to help cost reduction and hydraulic optimization of Atotonilco PTAR. RESUMEN Acciona Agua está actualmente terminando la construcción de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) Atotonilco, que tratará gran parte de las aguas servidas de México DF. El objetivo principal de esta ponencia es el de presentar diferentes casos prácticos en los que se han utilizado técnicas de modelización hidráulica por ordenador (CFD) para la mejora y optimización de diferentes partes de la planta durante la fase de diseño de detalle. Durante la fase de diseño de detalle se detectaron posibles puntos a optimizar a fin de conseguir una reducción en el coste de obra civil o bien mejorar el funcionamiento de los equipos que pudieran presentar problemas de comportamiento hidráulico. Las simulaciones realizadas permitieron proponer mejoras técnicas para la distribución de caudales en las arquetas de reparto a los reactores biológicos de forma previa a su construcción, de manera que se asegura que todos los reactores 1

2 trabajen con el mismo caudal, manteniendo un error inferior al 2% entre ellos. También se consiguió por simulación el ajuste de repartos en un canal de reparto lateral que presentaba gran variabilidad de caudales, mediante cambios en las alturas de los vertederos existentes. Finalmente, se detectó la posibilidad de reducir el tamaño del canal de descarga de la planta en 25 m de longitud asegurando que no existirán desbordamientos en el mismo. Por todo ello, se concluye que las herramientas de modelización hidráulica han resultado de gran ayuda para la optimización del funcionamiento de la PTAR Atotonilco. PALABRAS CLAVE Modelización, CFD, optimización, EDAR, PTAR, hidráulica, simulación. INTRODUCCIÓN La PTAR de Atotonilco, situada en el estado de Hidalgo, México, tratará las aguas residuales de una población aproximada de 10,5 millones de habitantes procedentes de México DF. Se trata por tanto de una de las depuradoras mayores del mundo, diseñada para tratar un caudal medio de 35 m 3 /s, con un máximo en ciertas épocas del año de 42 m 3 /s, y con puntas de 50 m 3 /s. La revista World Finance concedió el Premio del año 2013 al Consorcio Aguas Tratadas del Valle de México (ATVM) formado por Acciona Agua, Promotora del Desarrollo de América Latina, Controladora de Operaciones de Infraestructura, Atlatec, Desarrollo y Construcciones Urbanas, y Green Gas Pioneer Crossing Energy. Se trata de un contrato en colaboración que incluye la construcción y posterior explotación de la planta. Figura 1: Imagen de la construcción de la PTAR Atotonilco. 2

3 Durante el proceso de diseño de detalle y construcción de la PTAR de Atotonilco, se detectaron posibles puntos de mejora en ciertas partes de la planta. A fin de ahorrar tiempo y conseguir la optimización del proceso de forma previa a la construcción o mientras esta se realizaba, se optó por utilizar técnicas de modelización hidráulica computacional (CFD en inglés) capaces de predecir el comportamiento de los fluidos en un entorno simulado. La simulación o modelización computacional de fluidos (CFD) es una técnica numérica para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes que definen el comportamiento de los fluidos viscosos. A partir de la definición espacial del entorno mediante una malla en tres dimensiones (3D) y la enunciación del conjunto de ecuaciones del balance de masa, momento y energía que describen el sistema, se consigue mediante resolución por métodos de volúmenes finitos la solución al caso propuesto. Por requerir las ecuaciones diferenciales generadas una gran capacidad de cálculo, se utilizan ordenadores con elevada memoria RAM y varios procesadores trabajando simultáneamente. En la actualidad, existen softwares comerciales para el cálculo de CFD, y son muchas las empresas que se benefician del uso de dichos softwares como parte integral del diseño y de las fases de optimización de su desarrollo de producto. Algunos ejemplos previos de diseño de equipos en plantas de tratamiento de aguas gracias a las herramientas CFD abarcan desde tanques de flotación (Kostoglou et al., 2007) hasta sistemas de floculación (Bridgeman et al., 2010) pasando por equipos tan sencillos como tuberías (Zhang et al., 2010) cuya modelización sin embargo resulta tan compleja como útil. En el caso de Atotonilco, se analizaron tres zonas concretas de la planta: Arquetas de distribución a los reactores biológicos. Canal de reparto lateral del tratamiento físico-químico (TPQ). Canal de descarga tras el TPQ, el cual vierte al canal de recogida de aguas del Salto. En el primer caso, el interés residía en homogeneizar el flujo a su entrada a la arqueta para mejorar la repartición del caudal entre los diferentes canales de salida a los reactores ya existentes (tres por cada arqueta). Para ello se analizó el efecto de tres columnas deflectoras en el interior de la cámara y se iteraron varios diseños hasta encontrar una distribución de caudales apropiada. En el segundo caso, interesaba igualar al máximo los caudales de salida por cada uno de los cinco vertederos situados a lo largo del canal de reparto al TPQ. En el último caso, y tras comprobar el correcto funcionamiento del diseño por simulación, se pretendía reducir la longitud del canal de descarga necesario sin que éste llegara a sufrir una situación de rebose. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS Arquetas de distribución a los reactores biológicos El primer sistema en estudio de la PTAR Atotonilco fueron las arquetas de distribución a los reactores biológicos. 3

4 En la planta se han construido 8 unidades, y cada una de ellas procesa un caudal máximo de 3,45 m 3 /s de agua. El influente se introduce por la parte inferior de la cámara donde por rebose, sobre vertedero tipo Thompson o triangular, cae a tres canales independientes conectados, cada uno de ellos, a un reactor biológico de tratamiento. Por tanto, cada arqueta sirve a tres reactores biológicos. El conjunto de arquetas y reactores biológicos de la planta se distribuyen en localización tal y como muestra la Figura 2. Figura 2: Vista en planta de la zona de arquetas de distribución a los reactores biológicos. Por limitaciones de espacio, los distintos diseños resultantes de dicha distribución en planta, presentaban problemas de repartición equitativa del flujo a los tres reactores. De los casos existentes, se estudió y simuló la arqueta denominada tipo 1 con alimentación lateral y profundidad de 7,21 m (representada en la Figura 3): Figura 3: Sección alzado de las arquetas de distribución de 7,21m de profundidad con dos tipos de alimentación, lateral (izquierda en la imagen) y frontal (derecha en la imagen), respecto a los canales de alimentación al reactor. De ambos casos representados se consideró el más desfavorable para la correcta repartición del caudal entre los canales de alimentación, aquella arqueta con la entrada de fluido en la dirección perpendicular a la salida del agua, o dicho de otra manera, con alimentación lateral. Se creyó que el caso de alimentación frontal (tubería de entrada en la misma dirección que la circulación en los canales de distribución) presentaba una geometría simétrica y por tanto la distribución de caudales sería mucho más homogénea. Por ello el sistema de alimentación lateral fue el que se modelizó y simuló mediante CFD. 4

5 A fin de mejorar el reparto a los canales en la arqueta se idearon tres pilares deflectores, instalados en el fondo, que pretendían homogeneizar el flujo de entrada. La función de los pilares consistía en romper y dividir el chorro de agua que entraba a alta velocidad a través de la tubería de alimentación por el fondo. La simulación CFD fue capaz de determinar y comparar los efectos de cada geometría modelada con y sin pilares deflectores, y su influencia sobre la repartición del caudal a los distintos canales de alimentación a los reactores biológicos. La geometría 3D del modelo con pilares deflectores quedó de la siguiente forma: Figura 4: Modelo CFD resultante, caso de alimentación lateral, incluyendo pilares deflectores. Canal de reparto al sistema TPQ El canal de reparto al tratamiento TPQ de la PTAR Atotonilco transportará un caudal máximo de 14,40 m 3 /s de agua en condiciones normales. También interesó analizar el comportamiento del mismo para situaciones de alto caudal (17,00 m 3 /s) y de bajo caudal (12,00 m 3 /s). Este canal debe repartir la totalidad del agua transportada entre cada uno de los cinco vertederos situados a lo largo del mismo. Sin embargo, debido a la problemática que presenta los vertederos laterales se anticipó un funcionamiento hidráulico incierto y se procedió a su análisis mediante herramientas de CFD. Figura 5: Vista en planta del canal de distribución con cinco vertederos de 11,0 m cada uno. 5

6 Para reproducir el funcionamiento real del sistema, se creó un modelo en 3D de las paredes del canal de reparto y de los vertederos. No fue necesaria la simulación de la recogida del agua tras el rebose de los vertederos. Se introdujo como parámetro de contorno el caudal de entrada por un extremo del canal para asegurar un aporte continuo de agua al medio y se supuso que la dirección de flujo en ese punto estaba perfectamente homogeneizada y paralela a las paredes/fondo del canal. El ancho lineal de paso sobre cada vertedero es de 11,0 m. Para ajustar el caudal de salida por cada uno de ellos, se simuló el uso de placas metálicas para ajustar su altura. Figura 6: Sección alzado del canal de distribución al TPQ. Cuando se aislaron las superficies en contacto con el fluido (agua y capa de aire por encima de ésta) para su modelización, la geometría del modelo CFD quedó de la siguiente forma: Figura 7: Imagen del Modelo CFD en Ansys Fluent

7 La selección de alturas para los vertederos fue proporcionada inicialmente por el Departamento de Construcción de Acciona Agua, y de ahí, basándose en los resultados obtenidos por las simulaciones CFD para distintos caudales de agua, se fueron ajustando a fin de optimizar la distribución del fluido a lo largo del canal. La siguiente tabla presenta el resumen de alturas simuladas: Tabla 1: Altura de rebose de vertederos respecto el fondo del canal. Altura (m) CASO 1 (base) CASO test CASO 2 CASO 3 Vertedero 1 3,59 3,59 3,59 3,59 Vertedero 2 3,60 3,60 3,60 3,60 Vertedero 3 3,62 3,62 3,62 3,62 Vertedero 4 3,64 3,64 3,64 3,63 Vertedero 5 3,69 3,59 3,66 3,64 Canal de descarga al Salto Tras el sistema del tratamiento del TPQ, el agua tratada se puede impulsar al canal de descarga del Salto, representado en la siguiente figura (Figura 8). El caudal impulsado máximo será de 14,4 m 3 /s, sin embargo, interesa analizar el comportamiento en la situación más desfavorable para el sistema, cuando el caudal sea el máximo posible: 17,0 m 3 /s. Figura 8: Vista en planta del canal de descarga lateral con vertedero de 55,0 m. Un correcto funcionamiento del canal implica evitar desbordamientos del mismo, por lo que el objetivo reside en minimizar la longitud del canal manteniendo dicha premisa. 7

8 La pared vertedero propuesta tenía una longitud de 55,0 m y se le dio una altura de 3,47 m, más 0,50 m de margen en el extremo más alejado, ya que el fondo al final del canal de descarga se encuentra 0,50 m por debajo del inicio. La pared que circunda todo el sistema tiene una altura de 4,62 m. Así, no solo interesa conocer la altura de la lámina de agua a lo largo de la pared vertedero, sino también asegurar que el agua no supere la pared de contención diseñada a tal efecto. La sección de paso a lo largo del canal es variable, siendo al inicio de éste de aproximadamente 4,0 m x 4,0 m, sufriendo una expansión tras la curvatura de 90º hasta llegar a los 8,0 m de paso y finalmente, viéndose reducida paulatinamente hasta los 2,34 m al término del canal (fin de los 55,0 m de vertedero). Dado que la velocidad de circulación en dicho canal para las condiciones de máximo caudal será de aproximadamente 1 m/s y la longitud total del mismo (desde el punto anterior al giro) alcanza prácticamente los 100 m, se realizará una simulación 3D por un mínimo de 100 s de duración para asegurar que el flujo ha alcanzado su estado estacionario. Cuando se aislaron las superficies en contacto con el fluido (agua y capa de aire por encima de ésta), la geometría del modelo de CFD quedó de la siguiente forma: Figura 9: Modelo CFD en 3D para el diseño base del canal de descarga. A fin de minimizar la longitud del canal se crearon dos modelos más que se simularon mediante CFD. Partiendo del diseño base, se recortó la longitud de la pared vertedero a los 40,0 m y 30,0 m desde su inicio, respectivamente para cada caso. No se modificaron las dimensiones de profundidad o anchura de paso en ningún punto respecto al modelo inicial, así en el fondo se mantenía la pendiente que presentaba el caso base. 8

9 Por ello, el punto más hondo de la malla con vertedero de 40,0 m fue en este caso de 36 cm bajo el nivel inicial, mientras que para la malla de 30,0 m de longitud de vertedero, fue de 27 cm por debajo. La cota de la pared vertedero siguió siendo de 3,47 m de altura en todas las situaciones, y la altura de la pared de guarda del sistema se mantuvo a 4,62 m. La anchura resultante al fondo del canal de descarga al limitar su longitud a 40,0 m y 30,0 m fue respectivamente de 3,89 m en el primer caso y de 4,92 m en el segundo. Las geometrías resultantes se muestran en la siguiente figura: MATERIALES Y MÉTODOS Figura 10: Malla CFD vertedero 40,0 m y 30,0 m El software comercial empleado para la resolución de los modelos CFD en todos los casos fue Ansys Fluent El departamento de Acciona Agua tiene licencia para utilizar dicho software en una Workstation HP Z800 con dos CPUs Intel Xeon, que permiten el trabajo simultáneo y en paralelo de 8 procesadores a 2.8 GHz. El sistema operativo del ordenador es Windows XP 64-bit. RESULTADOS Y MEJORAS PROPUESTAS Arquetas de distribución a los reactores biológicos ARQUETA BASE TIPO 1 LATERAL (SIN DEFLECTORES) En primer lugar se analizó el sistema de arqueta de distribución tipo 1, con alimentación lateral, sin pilares deflectores en su seno. La Figura 11 representa la evolución a lo largo del tiempo de simulación del caudal de salida por cada uno de los tres canales dispuestos hacia los reactores biológicos. El caudal por cada canal debería ser de 1150 kg/s de agua (un tercio del caudal total que se procesa) y sin embargo se puede observar que, aunque todavía no se ha alcanzado el estado estacionario del sistema, la repartición de flujos está muy alejada del valor ideal. Por ello, a continuación se analizaron los resultados CFD de manera que proporcionen información hidráulica del comportamiento del fluido en el seno de la arqueta. 9

10 Evolución del caudal de agua en cadal canal Caudal de agua en el canal (kg/s) canal 1 canal 2 canal Tiempo de simulación (s) Figura 11: Caudal de agua a la salida de cada canal de la arqueta tipo 1 lateral, siendo el canal 1 el más cercano a la tubería de entrada y el canal 3 el más alejado. Si nos fijamos en el comportamiento del flujo al entrar en la arqueta de distribución, la elevada velocidad del chorro de agua provoca que prácticamente la totalidad del caudal alcance la pared opuesta a la tubería de entrada. Figura 12: Perfil y vectores de velocidad (m/s), a altura 1,3 m respecto el fondo. Una vez choca contra dicha pared, parte del caudal asciende directamente hacia el canal 3, siendo éste el que recibe mayor cantidad de agua. El resto del flujo se divide entonces en dos partes y rebota hacia las resto de la cámara, alcanzando el canal 1 principalmente, tal y como muestra la Figura

11 Figura 13: Perfil de velocidad (m/s), en cortes verticales a 1,0 m de las paredes laterales. Aquí se distingue un flujo diagonal desde el fondo de la arqueta hacia el canal de la entrada, muy cercano a las paredes del recipiente. Como resumen de la simulación para la arqueta tipo 1 con alimentación lateral, se concluye que el canal 3, más alejado de la entrada por tubería a la cámara, recoge un 8,2% más que el caudal esperado o ideal de 1,15 m 3 /s, mientras que el canal 1, el más cercano a la entrada, recibe un 1,3% menos del ideal y el canal 2 o canal central, recibe un 6,9% menos. ARQUETA MODIFICADA TIPO 1 LATERAL (CON DEFLECTORES) Se propuso la modificación a la arqueta base mediante la introducción de tres pilares deflectores triangulares estratégicamente distribuidos. El flujo y su recorrido por el seno de la cámara se vio modificado, tal y como muestran las siguientes figuras: Figura 14: Perfil y vectores de velocidad (m/s), a altura 0,5 m respecto el fondo. 11

12 Figura 15: Perfil y vectores de velocidad (m/s), a altura 1,3 m respecto el fondo. Figura 16: Perfil y vectores de velocidad (m/s), a altura 2,3 m respecto el fondo. Las Figuras 14, 15 y 16 (las tres a alturas coincidentes con el chorro de agua de alimentación) muestran como el pilar central situado a poca distancia de la boca de entrada divide el flujo en dos corrientes que se dirigen hacia las paredes laterales de la arqueta. La Figura 16, también permite darse cuenta que existe una corriente rebotada en la pared del fondo, sin embargo, esta vez y comparando con el caso base sin columnas, la cantidad de agua que alcanza el canal 3 y la manera en que lo hace es claramente distinta cuando los pilares están presentes en la arqueta. Si se representan los caudales de salida de agua por cada canal a lo largo del tiempo de simulación se obtiene el siguiente gráfico (Figura 17). Se debe destacar que a partir del segundo 60, el comportamiento del flujo en la arqueta es prácticamente constante y se considera alcanzado el estado estacionario. Por ello los resultados de caudal a la salida de cada canal se calculan como un promedio de los datos recogidos entre el segundo 80 y el segundo 120 de la simulación. 12

13 Figura 17: Caudal de agua a la salida de cada canal de la arqueta tipo 1 lateral con pilares deflectores, siendo el canal 1 el más cercano a la tubería de entrada y el canal 3 el más alejado. En resumen, el canal 1, más cercano a la entrada, recoge 1130 kg/s de agua a tratar; el canal 2, o canal central, recibe 1120 kg/s; finalmente por el canal 3, el más alejado de la entrada, circulan 1200 kg/s de agua. En tantos por ciento, el canal 3 se desvía un 4.3% por encima del caudal ideal, el canal 2, un 2.6% por debajo y el canal 1, un 1.7% por debajo. Comparando las dos geometrías hasta ahora simuladas, se percibió una mejora en el diseño modificado respecto el diseño inicial. Los pilares deflectores tienen un efecto en la repartición del flujo positiva, reduciendo la variación de caudal entre canales. Aun así, viendo las Figuras 14, 15 y 16, se creyó que los dos pilares posteriores tenían poca influencia sobre el chorro de agua ya dividido por el pilar central. Por tanto, una posibilidad para mejorar la distribución de caudal, sería alejar dichos pilares entre sí, simulación que se ejecutó a continuación. ARQUETA MEJORADA TIPO 1 LATERAL (CON DEFLECTORES) En esta nueva iteración, ajustando la posición de los pilares deflectores, se consiguió una mejor distribución de caudales entre los tres canales de salida de la arqueta. La Figura 18 muestra como efectivamente las dos columnas posteriores sí tienen ahora un efecto divisorio sobre el flujo incidente, lo que permite la repartición del caudal de agua en toda la cámara de distribución. Tras 100 segundos simulados el diseño mejorado de los pilares deflectores en la arqueta de distribución consigue que el caudal se desplace preferentemente hacia el canal 3, el más opuesto a la entrada de agua, con únicamente un 2,2% más de caudal que los 1,15 m3/s esperados, mientras el canal 1 prácticamente recibe el caudal ideal (-0,5% de diferencia) y el canal 2 pierde un 1,7% del caudal ideal. 13

14 Figura 18: Perfil y vectores de velocidad (m/s), a altura 1,3 m respecto el fondo. Evaluando los resultados numéricos de las dos simulaciones de arquetas con pilares deflectores se puede observar la mejora del nuevo diseño respecto a la situación inicial (Figura 19). Es por ello que se consideró este último caso el de funcionamiento óptimo para la arqueta tipo 1 de la planta PTAR de Atotonilco. Figura 19: Comparación del caudal de agua a la salida de cada canal de la arqueta tipo 1 lateral con pilares deflectores, en ambas versiones simuladas. Canal de reparto al sistema TPQ En el caso del canal de reparto al TPQ, se tomó el caso base descrito por el Departamento de Construcción de Acciona Agua y basándose en los resultados iniciales, se modificaron las alturas de los vertederos metálicos para los reboses 4 y 14

15 5, por ser estos últimos los que presentaron mayor desviación de caudal respecto al valor ideal, realizando hasta 4 iteraciones. Además, en cada uno de los modelos correspondientes generados, se simularon una o más condiciones de caudal de agua de entrada de las tres previstas 14,4 m 3 /s como caudal máximo, 17,0 m 3 /s como caudal pico y 12,0 m 3 /s como caudal mínimo. Para el caso base se observa en primer lugar cómo evoluciona el cálculo numérico del caudal a lo largo del tiempo de simulación: Figura 20: Evolución de los caudales de salida de agua por cada rebose a lo largo del tiempo de simulación, para el CASO 1 (base) y caudal de agua máximo (14,4 m 3 /s). A partir de los 60 segundos de simulación, el reparto de caudal se estabiliza, es decir, el modelo representa el estado estacionario del sistema. Para esta situación, se observa claramente como los vertederos 1 y 2 conducen prácticamente la misma cantidad de agua, por encima del valor ideal que se correspondería con 1/5 parte del flujo de agua total (2,88 m 3 /s), mientras los vertederos 3 y 4 desalojan caudales muy parecidos al ideal y en cambio el vertedero 5 se sitúa muy por debajo del resto de las salidas. A partir de esta observación se decidió modificar la altura del vertedero metálico para el último de ellos, ya que presentaba el mayor desvío del caudal ideal. Se realizó una simulación de prueba o CASO test, para el cual se eliminó completamente el vertedero metálico de ajuste de alturas, para dejar el vertedero 5 a 3,59 m sobre el fondo del canal (ver Tabla 1). La evolución del sistema para esta nueva condición de diseño se muestra en la Figura 21 que se muestra a continuación: 15

16 Figura 21: Evolución de los caudales de salida de agua por cada rebose a lo largo del tiempo de simulación, para el CASO test y caudal de agua máximo (14,4 m 3 /s). El caso sirvió para comprobar la influencia de unos pocos centímetros de variación en la altura de los vertederos sobre la repartición del caudal de agua a lo largo del canal de distribución. En efecto, si se elimina por completo el vertedero metálico del último rebose del canal, la mayoría del flujo abandona el sistema por dicha salida. Así pues, se consideró necesario un ajuste más fino de las alturas de los vertederos para conseguir optimizar el reparto de agua entre los 5 vertederos. La Figura 22 se corresponde con el CASO 2 simulado, para el cual, se reduce la altura del vertedero 5 en 3 cm respecto el valor base o inicial de 3,69 m. Figura 22: Evolución de los caudales de salida de agua por cada rebose a lo largo del tiempo de simulación, para el CASO 2 y caudal de agua máximo (14,4 m 3 /s). 16

17 Aunque la repartición del CASO 2 mejoraba respecto el CASO 1 o base, todavía existía una desviación mayor al 10% sobre el caudal ideal para el rebosadero extremo. Por tanto se creó un nuevo modelo que se corresponde con el CASO 3 y que, no sólo modificaba la altura del vertedero 5, sino también la del vertedero 4, para intentar mejorar la distribución del caudal global. Se resumen los resultados de la repartición del flujo agua en el canal para un caudal de agua de entrada de 14,4 m 3 /s en la Tabla 2. Tabla 2: Distribución de caudales (kg/s) por cada vertedero según el caso simulado. Caudal (kg/s) CASO 1 (%sobre ideal) CASO test (%sobre ideal) CASO 2 (%sobre ideal) CASO 3 (%sobre ideal) Vertedero (+9,2%) (-0,5%) (+6,4%) (+4,6%) Vertedero (+9,2%) (-1,5%) (+6,0%) (+4,1%) Vertedero (+4,3%) (-7,6%) (+1,2%) (-1,4%) Vertedero (+0,3%) (-12,5%) (-2,6%) (+0,3%) Vertedero (-23,0%) (+22,1%) (-11,0%) (-7,6%) Es el CASO 3 el considerado la mejor solución de los casos simulados para la correcta repartición del caudal de agua a lo largo del canal. Sin embargo, se requirió la simulación de otros caudales de entrada para comprobar el adecuado funcionamiento del sistema en situaciones de abastecimiento pico (17,0 m 3 /s) y también para una alimentación menor, como serían 12,0 m 3 /s a repartir entre los 5 vertederos abiertos. Los resultados para el CASO 3 se resumen en la Tabla 3 a continuación: Tabla 3: Distribución de caudales (kg/s) por cada vertedero para el CASO 3. Caudal (kg/s) Caudal máx (%sobre ideal) Caudal pico (%sobre ideal) Caudal mín (%sobre ideal) Vertedero (+4,6%) (+0,9%) (+8,9%) Vertedero (+4,1%) (+1,8%) (+7,0%) Vertedero (-1,4%) (-1,6%) (-0,6%) Vertedero (+0,3%) (+2,4%) (-2,1%) Vertedero (-7,6%) (-3,6%) (-13,2%) Se concluyó el estudio del canal de reparto al TPQ recomendando las alturas de vertedero metálicas simuladas en el CASO 3, que proporcionaban un reparto del caudal entre los 5 vertederos con una variabilidad inferior 8% en el caso de caudal de entrada máximo (14,4 m 3 /s). 17

18 Canal de descarga al Salto En el modelo CFD generado correspondiente al diseño del canal de descarga descrito por el Departamento de Construcción de Acciona Agua, se simuló la condición de caudal de agua de entrada pico de 17,0 m 3 /s. La evolución del sistema transitorio alcanzó un estado estacionario transcurridos los 100 segundos mínimos que necesita el agua para abandonar el sistema por el extremo opuesto del canal. Figura 23: Cálculo del caudal de salida para la geometría base a lo largo del tiempo de simulación. En el instante final de la simulación, se representó gráficamente la altura de la lámina de agua en el canal, y se obtuvo la Figura 24. Figura 24: Altura absoluta de la lámina de agua (m) a lo largo del canal de descarga. En esta imagen ya se puede observar el efecto que tiene la curvatura de 90º sobre el comportamiento del flujo de agua en el canal. Por ejemplo, en el lado interno del giro, la lámina de agua está por debajo del lado externo del mismo. 18

19 Si se representa el perfil de velocidades del flujo a cierta altura respecto del fondo del canal se observa como el agua se acelera en el punto de mayor curvatura del sistema. Figura 25: Perfil de velocidad (m/s) del agua a 2,0 m de altura respecto del fondo del canal. También se detecta este efecto al mostrar el perfil de velocidades a distintos cortes horizontales y verticales previos a la pared del vertedero del canal. Figura 26: Perfil de velocidad (m/s) del agua en cortes verticales en el giro del canal. Es por este efecto producido en la curvatura que se consideró importante iniciar el modelo antes del giro de 90º del canal, pues afecta al comportamiento global del canal de descarga. 19

20 De los resultados de la simulación CFD se pudieron extraer los valores de altura de lámina de agua a lo largo de la pared de vertedero: Tabla 4: Grosor de lámina de agua respecto la cota de pared del vertedero (3,47 m) para distintas distancias respecto del inicio del vertedero de 55,0 m. Grosor (cm) A 7 m A 17 m A 27 m A 37 m A 47 m A 53 m Interior (lado pared) Por encima vertedero 39,1 38,5 38,6 37,9 37,6 37,4 36,1 36,5 36,7 36,8 36,9 37,0 Dado que la lámina de agua en todo momento supera los 36 cm por encima de la cota del vertedero (alcanzando hasta 39 cm en algunos puntos del lado interno del canal), y que la pared de guarda proporciona 1,15 m más, se concluyó que al menos habría 75 cm de margen de seguridad en todo momento para el caso base diseñado. Además, se detectó un margen amplio para la reducción de la longitud del canal, con lo que se procedió a la simulación de dos nuevos casos con canales de vertido de 40,0 m y 30,0 m de extensión respectivamente. En el caso de la pared vertedero reducida a 40,0 m de longitud, se produjo un incremento global de la lámina de agua respecto el caso base (vertedero de 55,0 m) de entre 3 y 5 cm. Por ser la altura del nivel del agua inferior a 3,91 m en todo caso, y alcanzando la pared contingente los 4,62 m, se disponía todavía de 70 cm de margen y por lo tanto se procedió a la resolución del caso con pared de vertedero de 30,0 m de longitud de descarga. Tabla 5: Máximo grosor de lámina de agua respecto la cota de pared del vertedero (3,47 m) para distintas distancias respecto del inicio de dicha pared lineal. Grosor (cm) A 7 m A 17 m A 27 m A 37 m Vertedero 40,0m Vertedero 30,0m 42,4 42,6 42,8 42,2 49,5 49,2 48,8 - En el caso de la pared vertedero reducida a 30,0 m de longitud, se alcanzaron láminas de agua de hasta 3,97m de altura, con lo que el grosor de la superficie acuosa por encima de la pared podría llegar a los 50 cm. En tal caso, se consideró que para disponer de un factor de seguridad suficiente con respecto al funcionamiento del canal de descarga al canal del Salto, la longitud mínima del vertedero debería ser de 30,0 m de longitud, con una altura de pared de 3,47 m. CONCLUSIONES El análisis mediante herramientas CFD de los tres casos expuestos anteriormente: arquetas de distribución a los reactores biológicos, canal de reparto lateral del TPQ y canal de descarga tras el TPQ, todos ellos de la planta de tratamiento de aguas residuales de Atotonilco (México), ha permitido la determinación del comportamiento 20

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