H HIDROLOGIA Profesor(a): Ing. Enid Moreno

2013 DEL 01 NOVIEMBRE CIUDAD GUAYANA

ESCUELA 42. Ing. Civil

Autores:

Rafael Nuños.

Jorge Morocoima.

Jorge Cedeño.

Laura Hernández.

Pedro Olivo.

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO“SANTIAGO MARIÑO”

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo se basa en la investigación para conocer un poco más sobre medición de la evaporación desde superficies libres, por ser métodos aplicado a una parte del ciclo hidrológico, la hidrología, la cual es una ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos. Aceptando esta definición, es necesario limitar la parte de la hidrología que se estudia en la ingeniería a una rama que comúnmente se llama ingeniería hidrológica o ingeniería aplicada que, incluye aquellas partes del campo de la hidrología que atañen al diseño y operación de proyectos de ingeniería para el control y aprovechamiento del agua.

Desde el punto de vista de la ingeniería hidrológica es importante conocer, por un lado, la cantidad de agua que se pierde por evaporación en grandes depósitos, como presas, lagos o en sistemas de conducción, y, por otro, la cantidad de agua con que es necesario dotar a los distritos de riego, para determinar las fuentes y dimensiones de los sistemas de abastecimiento. En hidrología, la evaporación es una de las variables hidrológicas importantes al momento de establecer el balance hídrico de una determinada cuenca hidrográfica o parte de esta. En este caso, se debe distinguir entre la evaporación desde superficies libres y la evaporación desde el suelo. La evaporación de agua es importante e indispensable en la vida, ya que el vapor de agua, al condensarse se transforma en nubes y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío.

La evaporación es el proceso por el cual el agua pasa del estado líquido en que se encuentra en los almacenamientos, conducciones y en el suelo, en las capas cercanas a su superficie, ha estado gaseoso y se transfiere a la atmósfera. La transpiración es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas. Esta agua es tomada por las plantas, naturalmente, del suelo. La evapotranspiración es la combinación de evaporación y transpiración.

La Evaporación

La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada aquella. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición.

La evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada aquella. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturante, la cual no depende del volumen, pero varía según la naturaleza del líquido y la temperatura.

Si la cantidad de gas es inferior a la presión de vapor saturante, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: eso es la evaporación. Cuando la presión de vapor iguala a la atmosférica, se produce la ebullición.

La evaporación es un proceso esencial del ciclo hidrológico, pues se estima que aproximadamente el 75% de la precipitación total anual que ocurre sobre los continentes retorna a la atmósfera en forma de vapor, directamente por evaporación o a través de las plantas, por transpiración (Gray, McKay and Wigham, 1973). La evaporación ocurre cuando el agua es convertida en vapor. La cantidad de evaporación es controlada por la energía disponible en la superficie y la facilidad con la cual el vapor de agua puede difundirse en la atmósfera. Existen diferentes procesos físicos por los cuales se lleva a cabo la difusión, pero el principio físico para que exista evaporación desde superficies abiertas, el suelo y la vegetación es esencialmente el mismo. Se puede definir a la evaporación como la cantidad de agua que se transforma en vapor desde superficies de agua libre, nieve o hielo, el suelo o la vegetación. La medida común de la evaporación está dada en milímetros por día. En el caso de la vegetación en el suelo, la transpiración se define como la parte de evaporación total que ingresa a la atmósfera desde el suelo a través de las plantas.

Principios del proceso de Evaporación

La evaporación es una operación unitaria empleada para remover un líquido de una solución, suspensión o emulsión hirviendo alguna porción del líquido. Es así un proceso de separación térmica o de concentración térmica. Nosotros definimos el proceso de evaporación como aquel que comienza con un producto liquido y termina con uno más concentrado, pero aun líquido y aun bombeable y con el concentrado como el producto principal del proceso. E: la evaporación.

Hay realmente algunos casos donde el componente evaporado, volátiles el producto principal, pero no discutiremos eso aquí. En muchos casos es esencial que el producto sea sujeto a una mínima degradación térmica durante el proceso de evaporación, requiriendo que la temperatura y el tiempo de exposición deban ser minimizados.

Esto y otros requisitos determinados por las características físicas del producto procesado han dado lugar al desarrollo de un amplio y diverso rango de tipos de evaporadores. Adicional a ello, la solicitud de un uso eficiente de la energía y el minimizar el impacto ambiental, han conducido el desarrollo hacia una configuración de plantas y diseño de equipos verdaderamente innovadores.

GEAProcess Engineering y otras compañías de evaporación dentro de Grupo GEA han hecho grandes contribuciones al desarrollo de estos conceptos, siendo líderes mundiales en muchas áreas esenciales sobre esa tecnología especializada. Nuestra tecnología es respaldada por varios laboratorios de prueba y desarrollo, donde la tecnología se refina, se mejora, y se aplica continuamente a nuevos productos.

En hidrología, la evaporación es una de las variables hidrológicas importantes al momento de establecer el balance hídrico de una determinada cuenca hidrográfica o parte de esta. En este caso, se debe distinguir entre la evaporación desde superficies libres y la evaporación desde el suelo.

La evaporación de agua es importante e indispensable en la vida, ya que el vapor de agua, al condensarse se transforma en nubes y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío.

Criterios para la selección de concepto de la planta evaporadora

Durante el diseño de plantas de evaporación, numerosos, y algunas veces contradictorios requisitos, deben ser considerados. Ellos determinan que tipo de construcción y arreglo es elegido, y al resultar datos de proceso y económicos. Los requisitos más importantes son los siguientes:

� La capacidad y los datos de operación, incluyendo cantidades, concentraciones, temperaturas, horas de funcionamiento anuales, cambio de producto, controles deautomatización, etc.

� Las características del producto, incluyendo calor sensible, viscosidad y propiedades de flujo, tendencias a hacer espuma, al ensuciamiento y a la precipitación, el comportamiento de ebullición, etc.

� Medios de funcionamiento requeridos, tales como vapor, agua de enfriamiento, energía eléctrica, agentes de limpieza, piezas de repuesto, etc.

� Inversión y otros costos financieros � Costos de personal y mantenimiento operativo � Estándares y condiciones de fabricación, tales como entrega, parámetros de

aceptación, etc.

Métodos de Estimación de la Evaporación

Para estimar la evaporación desde superficies libres de aguas existen métodos directos (experimentales) y métodos indirectos (teóricos) basados en la aplicación de la ecuación de continuidad, como son el Balance Hídrico y el Balance de Energía. La evaporación también puede estimarse aplicando fórmulas semiempíricas, sobre todo usando la fórmula de Penman. Para determinar la evaporación en superficies de agua pueden utilizarse diversos métodos, entre ellos los siguientes: a) balance hídrico. b) balance energético. c) métodos de transferencia de masas. d) métodos combinados. e) fórmulas empíricas. Cualquiera de los métodos precedentemente descritos permite determinar la evaporación. Por lo general, los instrumentos necesarios para aplicar los métodos de balance energético y de transferencia de masas son bastante costosos, al igual que el mantenimiento de las observaciones. Por ello, son más habituales el método del balance hídrico y la utilización de tanques de evaporación. La utilización de tanques es el método menos costoso, y en muchos casos proporcionará unas estimaciones adecuadas de la evaporación anual. Sea cual sea el método que se seleccione, éste dependerá, sin embargo, del grado de exactitud requerido. A medida que mejore la capacidad para evaluar los parámetros del balance hídrico y del balance energético, mejorarán también las estimaciones de la evaporación resultantes. Método del Balance Hídrico

Este método está basado en el principio de conservación de la masa aplicado a una parte del ciclo hidrológico. Consiste en determinar el balance de agua en el suelo a lo largo de un año, conociendo los datos de las precipitaciones medias mensuales y la evaporación mensual estimada. La evaporación en un cuerpo de agua natural o artificial queda determinada por la igualdad entre las entradas y salidas de agua en una zona concreta. En un intervalo de tiempo determinado, la ecuación del balance hídrico de un embalse, lago o superficie de agua libre es:

E = A - G – ∆R

Siendo:

E: la evaporación. A: las aportaciones de agua. G: las salidas de agua (diferentes a la evaporación). ∆R: el incremento en el almacenaje de agua (puede ser negativo).

Este método no es el más recomendado, debido a que los errores en las mediciones de las variables de entrada, salida y almacenamiento son a menudo grandes comparados con la evaporación calculada.

Este método, basado en la ecuación de continuidad, permite calcular la evaporación mediante la expresión siguiente:

E = I – O – DS (4.2) Donde E es la evaporación, I es el flujo entrante, O es el flujo saliente y ∆S es la variación del volumen de almacenamiento. Incorporando los sufijos s y g a los distintos componentes de la ecuación 4.2 con el fin de denotar los vectores con origen por encima y por debajo de la superficie terrestre, respectivamente, la ecuación puede expresarse en la forma:

Es = P + R1 – R2 – Rg – Ts – F – DSs (4.3) Donde Es, es la evaporación en el embalse, P es la precipitación, R1 es la escorrentía superficial entrante al embalse, R2 es la escorrentía superficial entrante al embalse, R2 es la escorrentía superficial saliente del embalse, Rg es el flujo de agua subterránea entrante, Ts es la pérdida de transpiración,

F es la infiltración (o pérdida de agua) y ∆Ss es la variación del volumen de almacenamiento. Si la transferencia neta de pérdida por infiltración (Rg – F) = Os y el término de transpiración Ts son iguales a cero, la ecuación 4.3 puede reescribirse en la forma:

Es = P + R1 – R2 + Os – DSs (4.4)

Todos los términos están expresados en unidades volumétricas para un período de tiempo que no debería ser inferior a una semana. El método del balance hídrico, pese a ser evidentemente más simple en teoría, presenta el inconveniente de que los errores de medición de los parámetros utilizados en la ecuación 4.4 se reflejan directamente en las cantidades de evaporación calculadas. Por consiguiente, no se recomienda aplicar el

método para períodos de tiempo inferiores a un mes si se espera que la estimación de la evaporación difiera de la cantidad real en un ±5 por ciento. El término más difícil de evaluar es, probablemente, el de pérdida por infiltración, F. Este componente puede estimarse cuando se conocen la conductividad hidráulica del lecho lacustre y el gradiente hidráulico. No obstante, convendrá tener presente que el método del balance hídrico determinará más eficazmente la evaporación en lagos relativamente impermeabilizados, en los que las infiltraciones son desdeñables en comparación con la cantidad de evaporación. Para evaluar ∆Ss debería disponerse de un valor exacto de la curva de área-capacidad del lago. Incluso contando con estos datos, el componente de almacenamiento en las márgenes puede introducir un error en el balance hídrico. Sin embargo, si se ignorase el componente de almacenamiento en las márgenes, el balance hídrico no sería útil para ciclos anuales. Aunque es teóricamente posible utilizar el método del balance hídrico para estimar la evaporación en una superficie libre, suele ser impráctico hacerlo, debido al efecto de los errores vinculados a la medición de diversos parámetros. Utilizando este método, la estimación de la evaporación será residual, por lo que podría adolecer de un margen de error considerable cuando sea de pequeña magnitud en comparación con otros parámetros. En resumen, este método es dificultoso e inexacto en la mayoría de las circunstancias, particularmente cuando los períodos de promediación son breves. Algunos de los parámetros más difíciles de medir son la variación del volumen de almacenamiento, las pérdidas por infiltración, el flujo de agua subterránea y los flujos de advección.

Método del Balance Energético El método del balance energético ilustra una posible aplicación de la ecuación de continuidad, formulada en términos de energía. Ha sido utilizado para calcular la evaporación en océanos y lagos, por ejemplo en el embalse de Elephant Butte, en Nuevo México (Gunaji, 1968). La ecuación describe la energía entrante y saliente, compensada por la cantidad de energía almacenada en el sistema. La exactitud de las estimaciones de evaporación basadas en el balance energético dependerá en gran medida de la fiabilidad y exactitud de los datos de la medición. En condiciones adecuadas, cabría esperar un error, en promedio, de aproximadamente 10 por ciento respecto de los períodos estivales, y de un 20 por ciento respecto de los meses invernales. Para un lago, la ecuación del balance energético puede expresarse en la forma (Viessman y otros, 1989):

Q0 = Qs – Qr + Qa – Qar – Qbs + Qv – Qe – Qh – Qw (4.5)

Donde Q0 es el aumento de energía almacenada por el agua, Qs es la radiación solar incidente en la superficie del agua, Qr es la radiación solar reflejada, Qa es la radiación de onda larga entrante desde la atmósfera, Qar es la radiación de onda larga reflejada, Qbs es la radiación de onda larga emitida por el agua, Qv es la energía neta transportada por advección (contenido neto de energía del agua entrante y saliente) hacia la masa de agua, Qe es la energía utilizada para la evaporación, Qh es la energía transportada por conducción desde la masa de agua en forma de calor sensible, y Qw es la energía transportada mediante advección por el agua evaporada. Todos los términos de la ecuación 4.5 están expresados en watios por metro cuadrado y por día (W m–2 día). Se ha despreciado el calentamiento producido por los cambios químicos y los procesos biológicos, ya que se trata de la transferencia de energía que tiene lugar en la interfaz agua-terreno. Se ha excluido también la transformación de energía cinética en energía térmica. Estos factores suelen ser muy pequeños, en términos cuantitativos, frente a otros términos del balance cuando se trata de grandes embalses. En consecuencia, su omisión no influirá mucho en la fiabilidad de los resultados. Cada uno de los términos de la ecuación del balance energético se obtiene mediante medición directa o mediante un cálculo basado en las relaciones conocidas. Se indica a continuación el procedimiento utilizado para evaluar cada uno de los términos.

Los términos de la ecuación 4.5 que pueden ser medidos son Qs, Qr y Qa, y el balance de radiación neto viene expresado por:

Rf = Qs – Qsr + Qa – Qar – Qbs (4.6) Todos los valores precedentes están expresados en W m–2. En las secciones 4.1.3, 4.1.4 y 4.1.5 y en la Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos (OMM-N° 8), se encontrarán descripciones detalladas de los instrumentos y técnicas de medición aplicables a los elementos anteriormente indicados. Para la radiación de onda larga reflejada (Qar) puede tomarse un valor igual al 3 por ciento de la radiación de onda larga recibida en la superficie del agua. La radiación de onda larga emitida por el agua (Qbs) se calcula mediante la ley de Stefan–Boltzmann de radiación de cuerpo negro, con un factor de emisividad de 0,970 en el caso del agua. La ecuación que permite calcular la radiación emitida por la superficie de agua es la siguiente:

Qbs = 0,97σq4 (4.7) Donde Qbs es la radiación emitida por la superficie del agua, expresada en W m–2, σ es la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10–8 W m–2 °K–4), y θ es la temperatura de la superficie del agua, expresada en°K. A efectos de cálculo, se determinará para cada período de estudio la temperatura promedio de la superficie del agua, tal y como haya sido registrada en las proximidades del centro del embalse. La temperatura es

seguidamente convertida en °K para, a continuación, calcular la radiación promedio emitida por la superficie del agua durante el período de estudio, expresada en W m–2. La energía térmica del volumen de agua del embalse en una fecha dada se calcula en base a un estudio de observación de la temperatura en esa misma fecha. Este tipo de mediciones de temperatura, que deberían arrojar un grado de exactitud de 0,1 °C, suelen efectuarse a intervalos quincenales o mensuales. El embalse puede dividirse en varias capas, desde la superficie hasta el fondo. El volumen de agua correspondiente a cada una de ellas se determinará a partir de la relación altura de agua volumen. Todas las observaciones de temperatura efectuadas en una capa determinada se someterán a promediación para obtener una temperatura media correspondiente a ese volumen de agua. La suma de los productos del volumen por la temperatura (para una temperatura de base de 0 °C) proporcionará la energía total en la fecha considerada. Se considerará que la densidad y el calor específico son unitarios para el intervalo de temperaturas del embalse. Con objeto de determinar la energía invertida en la evaporación, Qe, deberán evaluarse las variaciones de la energía almacenada resultante de la advección energética en los volúmenes de agua que penetran o abandonan el embalse. También en este caso, suele seleccionarse una temperatura de base de 0 °C para calcular la cantidad de energía presente en esos volúmenes. Sus temperaturas se determinan mediante observación, o se obtienen de registros (sección 4.1.3), en función de la variación de la temperatura con el caudal. Cuando la temperatura del agua varíe con el caudal, deberá ponderarse la temperatura media del volumen en función del caudal. Las temperaturas del agua almacenada en las márgenes y de las infiltraciones netas se consideran iguales al valor anual medio de la temperatura del aire. Este último supuesto podría ser incorrecto, pero esta posibilidad no se considera importante cuando el aflujo superficial es un componente cuantioso del balance hídrico. Cuando la precipitación sea un componente importante del balance hídrico, deberá tenerse en cuenta la energía del volumen de agua correspondiente. Se presupondrá que la temperatura de la lluvia es la de bulbo húmedo en el momento de la precipitación. Para calcular la energía correspondiente a cada uno de estos volúmenes se utilizarán las unidades centímetro- gramo-segundo, y se considerará que la densidad y el calor específico son unitarios para la horquilla de temperaturas existente en esos volúmenes. El producto de la temperatura por el volumen proporcionará la cantidad de energía de cada volumen, en julios (energía neta transportada por advección, Qv). La diferencia entre las energías calculadas del agua almacenada en los estudios observacionales de la temperatura efectuados al comienzo y al final del período de estudio determinará la variación de la energía almacenada (Q0). Durante los meses de invierno, en que la capa de hielo es parcial o completa, el balance energético arrojará resultados adecuados solo ocasionalmente, ya que será difícil medir

la radiación solar reflejada, la temperatura superficial del hielo y la superficie de la capa de hielo. En la mayoría de los casos no será posible estimar la evaporación diaria en base al balance energético, ya que no es práctico efectuar una determinación fiable de las variaciones de la energía almacenada en períodos tan breves. Cuando los períodos sean de una semana o más, será más probable obtener mediciones satisfactorias. Al utilizar la metodología del balance energético se ha demostrado que la exactitud deseada de la medición no es la misma para todas las variables. Así, errores de medición de la radiación de onda larga entrante tan pequeños como un 2 por ciento pueden inducir errores de entre un 3 y un 15 por ciento en las estimaciones de la evaporación mensual, mientras que errores del orden de un 10 por ciento en las mediciones de la energía solar reflejada pueden dar lugar a errores de tan solo un 1 a un 5 por ciento de la evaporación mensual calculada. Para determinar la evaporación mediante la ecuación 4.5 suele utilizarse la relación siguiente: B = Qh ⁄ Qe (4.8) Donde B suele denominarse cociente de Bowen (Bowen, 1926), y: Qw = c pQe (Te − Tb) / L (4.9) Donde cp es el calor específico del agua (cal/g °C), que es igual a 4 186,8 J/kg °C, Te es la temperatura del agua evaporada (°C); Tb es la temperatura de un dato de referencia arbitrario, generalmente0 °C, y L es el calor latente de vaporización (cal/g), que es igual a 2 260 kJ/kg. Introduciendo estas expresiones en la ecuación 4.5 y despejando Qe, obtenemos: Qe = Qs − Qr + Qa − Qar − Qbs − Qo + Qv (4.10)

1 + B + c p (Te − Tb) / L Para determinar el espesor de agua evaporada por unidad de tiempo puede utilizarse la expresión siguiente: E = Qe / L (4.11) Donde E es la evaporación (m s–1), y ρ es la densidad de masa del agua evaporada (kgm–3). Así pues, la ecuación del balance energético adoptará la forma: E = Qe / L (4.12) El cociente de Bowen puede calcularse mediante la expresión: B = 0,61 p (To − Ta) (4.13)

1000 (eo − ea) Donde p es la presión atmosférica (mbar), To es la temperatura superficial del agua (°C); Ta es la temperatura del aire (°C), eo es la presión de vapor de saturación a la temperatura superficial del agua (mbar), y ea es la presión de vapor del aire(mbar). Esta expresión permite obviar el problema de evaluar el término de calor sensible, que no puede ser medido directamente. La teledetección de varios parámetros importantes utilizados para estimar la evaporación se efectúa midiendo la radiación electromagnética en una banda de frecuencias reflejada o emitida por la superficie de la Tierra, como se ha señalado en la sección 4.1.3. Aplicabilidad del Método del Balance Energético Antes de aplicar el método del balance energético para estimar la evaporación en superficies libres deberían tenerse en cuenta las consideraciones siguientes: a) no se ha contabilizado el flujo de calor desde el fondo del lago. Este componente es, sin embargo, importante cuando los lagos son poco profundos; b) se ha supuesto que el cociente de Bowen proporciona una estimación suficientemente exacta de Qh; c) se ha ignorado el efecto producido por la difusividad radiactiva, la estabilidad del aire y las partículas en aspersión; y d) la posibilidad de aplicar este método dependerá en gran medida de la posibilidad de evaluar los componentes de la energía advectiva. Método de Transferencia de Masas Como su propio nombre indica, el método de transferencia de masas está basado en la determinación de la masa del vapor de agua transferida de la superficie del agua a la atmósfera. Antes de profundizar en este concepto, es conveniente describir la física del movimiento del aire. Cuando el aire pasa sobre superficies de tierra o agua, la altura ocupada por aquél en la atmósfera inferior puede dividirse en tres capas: a) una capa laminar próxima la superficie; b) una capa turbulenta; y c) una capa externa que influye en forma de rozamiento.

La capa laminar, en la que el flujo del aire es laminar, tiene un espesor aproximado de tan solo 1 mm. En ella la temperatura, la humedad y la velocidad del viento varían casi linealmente con la altura, y la transferencia de calor, de vapor de agua y de cantidad de movimiento son esencialmente procesos moleculares. La capa turbulenta situada sobre

ella puede tener varios metros de altura, según el grado de turbulencia. En ella la temperatura, la humedad y la velocidad del viento varían de manera aproximadamente lineal con el logaritmo de la altura, y la transferencia de calor, vapor y cantidad de movimiento a través de ella son procesos turbulentos. El método de transferencia de masas está basado en la ley aerodinámica de Dalton, que proporciona la relación entre la evaporación y la presión de vapor: E = k (es – ea) (4.14) Donde E es la evaporación directa, k es un coeficiente que depende de la velocidad del viento, de la presión atmosférica y de otros factores, es y ea son la presión de vapor de saturación correspondiente a la temperatura superficial del agua y a la presión de vapor del aire, respectivamente. Los valores de temperatura diaria media y de humedad relativa pueden servir para determinar la presión de vapor media, ea, y el déficit de saturación medio (es – ea). La ecuación 4.14 fue originalmente propuesta por Harbeck y Meyers (1970).

Métodos Combinados

Combinación de los métodos aerodinámicos y de balance energético Posiblemente el método más utilizado para calcular la evaporación en un lago por efecto de factores meteorológicos se basa en una combinación de las ecuaciones aerodinámica y de balance energético: Ei = Rn + Ea γ (4.15) Donde Ei es la evaporación estimada en una superficie de agua libre, es – esz / Ts – Tz es la pendiente de la curva de presión de vapor de saturación a cualquier temperatura θa, que aparece tabulada como γ/D en función de Tz en Brutsaert (1982, figura 10.2), Rn es la radiación neta, γ es la constante de la ecuación de psicrómetro de bulbo húmedo y seco, y Ea es la misma variable que aparece en la ecuación 4.14. La constante psicrométrica γ en °C es la misma constante del cociente de Bowen, y su valor a una presión de 1 000 mbar es 0,61. La radiación neta Rn (en MJ m–2 día) puede estimarse mediante la ecuación siguiente: Rn = [0,25 + 0,5 n] S0 – [0,9 n/ N+ 0,1] [0,34 – 0,14 ed] σ T 4 Donde n/N es el cociente entre las horas de insolaciones reales y posibles, S0 es la radiación extraterrestre (en MJ m–2 día), ed es la presión de vapor real del aire expresada en milímetros de mercurio, σ es la constante de Stefan–Boltzmann, expresada también como evaporación equivalente en mm día–1, y T es la temperatura media del aire (absoluta), expresada en °K. Aunque podría ser necesario utilizar esta ecuación, sería preferible utilizar valores medidos de la radiación solar y de onda larga. En el documento técnico de Kohler y

otros (1959) se utiliza un método parecido, mediante el cual se obtiene la representación gráfica. Las observaciones meteorológicas de la radiación solar, de la temperatura del aire, del punto de rocío y del movimiento del viento a la altura del anemómetro de un tanque de clase A son necesarias para poder aplicar esta técnica. En ausencia de observaciones de la radiación solar, es posible estimar ésta a partir de los porcentajes de insolación o de nubosidad posibles. La evaporación en lagos calculada por este método para períodos breves sería aplicable solo a lagos de muy poca profundidad, con una advección de energía escasa o nula en dirección al lago. Cuando el lago es profundo y hay una advección considerable por efecto de los flujos entrante y saliente, es necesario corregir el valor calculado de la evaporación en el lago para reflejar la energía neta transportada por advección y la variación de la energía almacenada. Estos términos han sido descritos en la sección 4.2.3 referente al método del balance energético. Sin embargo, no toda la energía transportada por advección ni toda la variación de la energía almacenada se invierten en evaporación. La parte de esa energía utilizada en la evaporación puede obtenerse de una relación como la indicada en la figura I.4.5. Para poder aplicar esta relación se necesitan observaciones de la temperatura superficial del agua y del movimiento del viento a 4 m por encima de la superficie del agua. Este método únicamente permitirá obtener unas estimaciones fiables de la evaporación semanal o mensual en un lago si se evalúan los factores de advección y almacenamiento de energía. Fórmulas Empíricas Los métodos del balance energético y de transferencia de masas, siendo teóricamente correctos, hacen necesario utilizar datos que, en muchos casos, no son fáciles de obtener. Además, en muchos casos es incluso cuestionable el costo de adquisición de tales datos por medio de instrumentos. Por ello, en tales casos habrá que hacer uso de fórmulas empíricas para obtener estimaciones de la evaporación. Se han desarrollado numerosas fórmulas empíricas para obtener estimaciones de la evaporación (Mutreja, 1986), basadas o bien en el método del balance energético o en el de transferencia de masas. Sin embargo, la mayoría de las ecuaciones están basadas en la ecuación aerodinámica simple (ecuación 4.14). Se indican a continuación algunas de las fórmulas empíricas más habitualmente utilizadas para estimar la evaporación en superficies lacustres. Fórmula de Penman, Reino Unido (tanque pequeño) (Penman, 1948):

E (cm día–1) = 0,89 (1 + 0,15U2) (es – ea) (4.19)

Donde U2 es la velocidad del viento a 2 m por encima de la superficie del agua, es es la presión de vapor de saturacióna la temperatura superficial del agua, y ea es la presión de vapor del aire a la altura especificada.

Fórmulas de Marciano y Harbeck, Estados Unidos (Marciano y Harbeck, 1954):

E (cm día–1) = 0,0918U8(es – e8) (4.20)

E (cm día)–1 = 0,1156U4(es – e2) (4.21)

Fórmula de Kuzmin, ex Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (Kuzmin, 1957) (embalses con una superficie >20 a 100 m):

E (cm mes–1) = 15,24 (1 + 0,13Us) (es – ea) (4.22) Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) y de la Oficina de Restauración (USGS, 1977):

E (cm/año–1) = 4,57T + 43,3 (4.23) Donde T es la temperatura anual media, en °C.

Fórmula de Shahtin Mamboub, Egipto (Mutreja, 1986):

E (cm día–1) = 0,35(es – ea) (1 – 0,15U2) (4.24)

Donde es es la presión de vapor saturada a la temperatura superficial del agua (cm Hg–1), y ea es la presión de vapor real (cm Hg–1). A menos que así se especifique en las ecuaciones precedentes, la velocidad del viento (U) estará expresada en km x h–1, mientras que la presión de vapor estará expresada en cm de mercurio. Además, los subíndices que aparecen en los distintos términos hacen referencia a la altura en metros a la que se efectúan las mediciones. Asimismo, el término de presión de vapor e utilizado suele ser la presión de vapor saturado a la temperatura media del aire durante el período de medición. En estas ecuaciones es necesario conocer la temperatura superficial de la masa de agua, que es muy difícil de medir. Si se utiliza en su lugar la temperatura media del aire, no se tendrán en cuenta los efectos de la energía transportada al lago por advección durante el proceso de evaporación. Ello podría introducir un margen de error considerable en las cantidades de evaporación calculadas, ya que pequeños errores de la temperatura darán lugar a grandes errores en los cálculos. Además, la velocidad del viento y la presión de vapor deberían medirse a la altura especificada en la ecuación que se utilice. Por lo general, será difícil ajustar los datos obtenidos a diferentes alturas, ya que no se dispone actualmente de ninguna ley que describa exactamente los procesos eólicos ni que defina la variación de la humedad con la altura.

Tanques de Evaporación El tanque de evaporación es un recipiente circular de chapa galvanizada o de acero inoxidable, colocado sobre una tarima de madera que tenga aberturas para una buena ventilación. Le acompañan, como accesorios principales: el sistema medidor compuesto de un pozo tranquilizante y un tornillo con gancho (tornillo limnimétrico), enroscado en su armadura y apoyado sobre el pozo tranquilizante. Su diámetro es de 1.20 m. y su altura de 25 cms. Una vez elegida la ubicación del tanque, se coloca en su interior el pozo tranquilizador y se le llena de agua limpia hasta el nivel que lleva marcada el tanque (a 5 cm y 7,5 cm de su borde superior. En la superficie del agua se coloca un termómetro de extremas provisto de un flotador para que no se hunda, pero de tal modo que haya al menos 1 centímetro de agua entre el termómetro y el nivel del agua. El pluviómetro se instalará al lado del tanque, a 1,50 m del suelo, pero siempre que este a menos de unos dos metros de distancia del tanque. El anemómetro de recorrido se coloca en una esquina de la tarima, con sus cazoletas a 60 cm. del suelo. La evaporación en tanques encastrados o instalados sobre el terreno está influida por las características del tanque. Los tanques encastrados están expuestos a fugas no detectadas, a la acumulación de residuos contornos diferentes de las de un gran lago. Los tanques situados sobre el terreno están expuestos al intercambio de calor lateral y a otros efectos que no están presentes en los lagos. Los tanques flotantes están presentes en los lagos. Los tanques flotantes están expuestos a salpicaduras, tanto hacia el exterior como hacia el interior, y su instalación y utilización es costosa. Los tanques almacenan mucho menos calor que los lagos, y experimentan por lo general un ciclo anual de evaporación diferente, en el cual los valores extremos se alcanzan en fechas más tempranas. Es posible obtener unas estimaciones fiables de la evaporación anual en un lago multiplicando la evaporación anual en un tanque por un coeficiente apropiado que relacione el tanque con el lago. Tales estimaciones serán fiables solo cuando sea posible suponer que, al término de un año, toda la energía transportada por advección hacia el lago quedará compensada por una variación de la energía almacenada. Para un tanque determinado, el coeficiente tanque-lago se determina comparando ambos valores de evaporación, si ello fuera posible, o, más generalmente, comparando esos valores con los de un tanque lo suficientemente grande como para simular un lago (tanques encastrados de 4 m o más de diámetro). El coeficiente para un tanque dado dependerá también, hasta cierto punto, del régimen climático, y será, por consiguiente, diferente en condiciones áridas que en presencia de humedad. Para que un tanque de evaporación proporcione un índice válido de la evaporación en lagos, la exposición del tanque no debería acusar los efectos medioambientales. Para que un tanque de evaporación proporcione un índice válido de la evaporación en lagos, la exposición del tanque no debería acusar los efectos medioambientales del lago. La exposición se efectuaría en las proximidades del lago, pero en la orilla a la que

apunte la dirección del viento predominante. La exposición en una isla no sería satisfactoria. Un método utilizado para determinar la variación climática del coeficiente de tanque consiste en efectuar comparaciones sobre el terreno con tanques de gran tamaño en distintas condiciones. Este método es utilizado en la Comunidad de Estados Independientes mediante los tanques GGI-3000 y de 20 m2. Los coeficientes tanque-lago así obtenidos, en el caso del modelo GGI-3000, arrojan valores comprendidos entre 0,75 y 1,00. Para estimar la evaporación promedia mensual, se estimará el coeficiente correspondiente a un tanque de evaporación GGI-3000 mediante la ecuación siguiente: α = 0,8 e0 − e200β e0 ' − e200β (4.17) Donde eo es la presión de vapor mensual promedia, en hPa, estimada a partir de la temperatura superficial de la masa de agua, e’o es la presión de vapor mensual promedio, en hPa, estimada a partir de la temperatura de la superficie del agua en el tanque GGI-3000 flotante, e200 es la presión de vapor mensual promedia a 200 cm por encima de la superficie del agua, en hPa, β es un factor de corrección vinculado a la superficie de una masa de agua, y γ es un factor que depende de la distancia l a lo largo de la dirección promedio del viento desde la orilla hacia el tanque.

Unidades e Instrumentos para Medir la Evaporación

UNIDADES

La unidad que generalmente se emplea para evaluar la precipitación es el milímetro (mm) de altura de lámina de agua evaporada. Esta unidad se emplea con el objeto de homogeneizar las medidas de las magnitudes que intervienen en el ciclo hidrológico. Las equivalencias en el sistema métrico decimal no son las mismas que las del mm como unidad de medida de precipitación.

INSTRUMENTOS

Evaporación de superficies de agua libre. Se mide con los evaporímetros, también conocidos como atmómetros o atmidómetros. Son de 4 tipos:

Tanques de evaporación

Tienen como principio común la medida del agua perdida por evaporación de un depósito de regulares dimensiones. Los distintos modelos se diferencian entre sí en tamaño, forma y ubicación en el terreno. Están concebidos para medir la evaporación en embalses o grandes lagos y en general se sitúan próximos a ellos. Generalmente con ellos se obtienen medidas superiores a la evaporación real por lo que precisan de correctores que dependen del modelo.

Tanque de evaporación

Hay varios tipos de Tanque de Evaporación:

Tanque clase A: Usado por el U.S. Weather Bureau. Depósito cilíndrico de chapa galvanizada con un diámetro de 120 cm y 25,4 cm de altura, instalado sobre un enrejado de madera, a unos 15 cm del suelo. El agua, previamente medida, debe mantenerse en días sucesivos entre dos señales a 20 y 17,5 cm del fondo del recipiente. La medición se realiza apoyando en un tubo de nivelación un tornillo micrométrico que tiene un extremo en forma de gancho cuya punta se enrasa con el nivel del agua.

Evaporímetro: Tanque clase A

Tanque enterrado: Hay varios tipos. El más extendido en EEUU es el tipo "Colorado". Tiene forma paralelepipédica con sección recta cuadrada de lado 0,91 m. La altura es de 0,46 m. Para instalarlo se hunde en el terreno, hasta que la boca queda 10 cm sobre él. Se procura que el agua de llenado enrase el terreno.

Los coeficientes de paso a evaporación real, en EEUU varían entre 0,75 y 0,85 con un valor medio anual ligeramente inferior a 0,8. Es decir reproduce algo mejor el fenómeno, pero tiene el inconveniente de recoger rebotes de gotas de lluvia que falsean las medidas.

Tanque flotante: Este tipo de evaporímetro pretende acercarse más a las condiciones de la superficie evaporante real. El de uso más corriente en EEUU es el de tipo "Colorado". Se sitúa flotando sobre el embalse o río en observación, con los consiguientes problemas de amarraje y estabilidad.

Como coeficiente medio anual de paso a evaporación real, se emplea 0,8 (en EEUU). También en este tipo, puede haber falseo en las medidas debido al salpicado de gotas al interior por el oleaje de la superficie líquida real, especialmente en río y grandes lagos.

Evaporímetros de balanza

Es un pequeño depósito de 250 cm2 de sección y 35 mm de profundidad, lleno de agua e instalado sobre una balanza de tipo pesa-cartas, en la que se hacen lecturas sucesivas para medir la pérdida de peso. La pequeña dimensión del depósito hace que sus paredes influyan demasiado en la evaporación. Como ventaja principal tiene el hecho de que se puede usar como evaporígrafo, que permite llevar un registro continuo de la variación de la evaporación, si se le adaptan los adecuados elementos registradores.

Porcelanas porosas

Presentan al aire una esfera (Livingston) o un disco (Bellani) de porcelana porosa, en contacto con un depósito de agua que las alimenta ayudado por la presión atmosférica. Se utilizan fundamentalmente como aparatos de investigación, empleándose frecuentemente en estudios de transpiración.

Superficies de papel húmedo

Juegan un papel similar a las porcelanas porosas. El modelo más usado es el evaporímetro de Piché que se basa en la idea de humedecer permanentemente un papel expuesto al aire. El depósito humedecedor es un tubo graduado, que se coloca invertido con la boca libre hacia abajo. Esta se tapa con un papel secante sujeto por medio de una arandela metálica. La evaporación produce el secado del papel y una succión de agua del depósito. Se medie el descenso de agua en el tubo.

Normalmente, el evaporímetro Piché se coloca en el interior de la garita meteorológica. Algunas correlaciones entre medidas en un evaporímetro Piché y en un estanque flotante, obligan a multiplicar las medidas Piché por 0,8 para igualar las del estanque. Otros autores dan valores entre 0,45 y 0,60 para el mismo coeficiente. Realmente, este tipo de evaporímetro da grandes errores.

Evaporímetro de Piché

Definición de la Operación Unitaria

El objetivo de la evaporación es concentrar una solución que contenga un soluto no volátil y un solvente volátil. En la mayoría de procesos de evaporación, el solvente es el agua. La evaporación consiste en vaporizar una parte del solvente para producir una

solución concentrada de licor espeso. La diferencia entre la evaporación y el secado es que el residuo es un líquido en vez de ser un sólido. El cambio de materia y de energía que se produce en esta operación unitaria es el paso, de estado liquido a estado gaseoso, pero no tiene por qué ser siempre este cambio de estado el que ocurra en la evaporación.

Descripción de la operación unitaria

La mayoría de evaporadores se calienta con vapor de agua que se condensa sobre tubos metálicos. Excepto en algunos casos de evaporadores de tubos horizontales, el material a evaporarse fluye dentro de los tubos. Generalmente vapor de baja presión, Inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacio moderado, exactamente a 0.05 atm absolutas.

Al reducir la temperatura de ebullición del líquido, aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor y el líquido en ebullición y, por lo tanto, aumenta la velocidad de transferencia de calor en el evaporador. Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y se desecha. Este método recibe el nombre de evaporación de simple efecto, y aunque es sencillo utiliza con poca efectividad el vapor.

Para evaporar 1 kg de agua de la solución se requieren 1.3 kg de vapor. Si el vapor procede de uno de los evaporadores se introduce como alimentación en el elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de este se envía al condensador, la operación recibe el nombre de evaporación de doble efecto.

El calor de vapor de agua original se reutiliza en el segundo efecto, y la evaporación obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentación al primer efecto es aproximadamente el doble.

Es posible añadir efectos de la misma forma. El método general para aumentar la evaporación por kilogramo de vapor de agua es utilizar una serie de evaporador entre el suministro de vapor y el condensador, este método recibe el nombre de evaporación de efecto múltiple.

Las Principales Características de los Líquidos que se Evaporan

a) Concentración: Aunque la solución de alimentación que entra como licor a un evaporador puede estar suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, a medida que aumenta la concentración la solución adquiere cada vez individualista. La densidad y la viscosidad aumentan con el contenido de sólidos hasta que la solución se transforma en saturado o el licor se vuelve demasiado viscoso para una transferencia de calor adecuada.

La ebullición continuada de una solución saturada da lugar a la formación de cristales, que es preciso separar, pues de lo contrario los tubos de obstruyen. La temperatura de ebullición de la solución puede también aumentar en forma considerable al aumentar el contenido de sólidos, de modo que la temperatura de ebullición de una solución concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presión.

b) Formación de Espuma: Algunos materiales, en especial las sustancias orgánicas, forman espuma durante la vaporación. Una espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador, causando un fuerte arrastre.

c) Sensibilidad a la Temperatura: Muchos productos químicos, se deterioran cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de estos materiales se necesitan técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del líquido como el tiempo de calentamiento.

d) Incrustaciones: Algunas soluciones depositan costras sobre superficie de calentamiento. En estos casos, el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llega a un momento en que es preciso interrumpir la operación de evaporación y limpiar los tubos. Para construir un evaporador tenemos que tener encuentra los materiales empleados, la mayoría de evaporadores se construye de acero. Sin embargo, hay muchas soluciones que atacan a los metales ferrosos y se produce contaminación. En estos casos se utilizan materiales especiales como, cobre, níquel, acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo. Debido a que los materiales son caros, resulta especialmente deseable obtener elevadas velocidades de transferencia de calor con el fin de minimizar los costos del equipo.

Evaporador de flujo descendente

Evaporadores más Utilizados en la Industria

� Evaporadores de flujo de tubos largos verticales � Evaporador de flujo ascendente � Evaporador de flujo descendente � Evaporador de circulación forzada � Evaporador de película agitada � Evaporador de tubo vertical � Evaporador de tubo horizontal

Evaporador de Flujo Ascendente: En un evaporador de flujo ascendente hay entradas para el líquido de alimentación y el vapor de calentamiento, y salidas para el vapor, la solución concentrada, el vapor condensado y los gases no condensados proceden del vapor de calentamiento. La alimentación diluida entra en el sistema y se mezcla con el líquido que remonta del separador. La solución concentrada es retirada por el fondo del calentador, el resto de la solución es parcialmente vaporizada conforme sube a través de los tubos.

La mezcla de liquido y vapor fluye desde arriba de los tubos dentro del separador, donde la velocidad se reduce de forma considerable. Para eliminar las gotas de líquido, el vapor golpea sobre ellas y entonces pasa alrededor de placas reflectoras colocadas antes de la salida del separador. Estos evaporadores son especialmente efectivos para concentrar líquidos que tienden a formar espuma. La espuma se rompe cuando la mezcla de líquido y vapor de alta velocidad choca contra las paredes deflectoras de la carga de vapor.

Evaporador de Flujo Descendente: En estos evaporadores el líquido entra por la parte superior, desciende por el interior de los tubos calentados mediante vapor de agua. El vapor procedente del liquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el liquido y sale por el fondo de la unidad. Estos evaporadores parecen largos intercambiadores tubulares verticales con separador de líquido y vapor en el fondo y un distribuidor de líquido en la parte superior. Cuando la recirculación es permitida pero sin dañar el líquido, la distribución del líquido en los tubos se facilita mediante una recirculación moderada del líquido hacia la parte superior de los tubos. Esto da lugar a un mayor flujo de líquidos a través de los tubos. El principal problema de este tipo de evaporadores es la distribución uniforme del líquido como en forma de película dentro de los tubos, la solución a este problema consiste en colocar una serie de placas metálicas perforadas que se sitúan sobre una placa tubular. Evaporador de Circulación Forzada: En este tipo de evaporador los tubos están sometidos a una carga estática que es suficiente para asegurar que no se produzca ebullición, el líquido cuando entra empieza a sobrecalentarse a medida que se reduce la carga estática con el flujo desde el calentador hasta el espacio de vapor, y se genera una mezcla de vapor y líquido pulverizado a la salida del intercambiador justo antes de entrar en el cuerpo del evaporador. La mezcla de vapor y líquido choca contra una placa deflectora en el espacio del vapor. El líquido retorna a la entrada de la bomba, donde se

mezcla con la alimentación fresca, el vapor sale por la parte superior del cuerpo del evaporador hacia el condensador, o al siguiente efecto. La parte del líquido que abandona el separador se retira de forma continua como concentrado.

Evaporador de circulación

Evaporador de película agitada: Estos evaporadores se utilizan debido a que consiguen una elevada velocidad de transferencia de calor con líquidos viscosos. Los productos que se introducen suelen tener una viscosidad de 1000 P a la temperatura de evaporación. En estos evaporadores el coeficiente global disminuye a medida que aumenta la viscosidad. El evaporador de película agitada es eficaz con materiales viscosos sensibles al calor tales como la gelatina, antibióticos, etc. Las desventajas de este tipo de evaporadores es el elevado coste, las partes internas móviles que necesitan un mantenimiento considerable y la baja capacidad de cada unidad que es muy inferior a la de los evaporadores multitubulares.

Evaporador de película agitada

Evaporador de tubo horizontal: En este tipo de evaporadores, el vapor de agua se encuentra dentro y la solución fuera de los tubos. El propósito básico es la baja pérdida por arrastre: la coraza cilíndrica horizontal produce una gran área libre por unidad de volumen del depósito. Cuando se aplica líquido sobre los tubos las pérdidas de carga hidrostática se eliminan y se mejora la transferencia de calor. Espacio superior muy bajo. Área libre grande para el vapor-líquido (en el tipo de tubo sumergido). Costo relativamente bajo (en el tipo de tubo recto) y poca capacidad. Buenos coeficientes de transferencia de calor. Desescamado automático (tipo de tubo acodado). No son adecuados para los líquidos que dejan deposiciones de sales.

Inapropiados para los líquidos que forman escamas. Costo elevado (tipo de tubo acodado). Mantenimiento de la distribución de líquido (tipo de película). La distribución del líquido en los tubos se lleva a cabo por boquillas o placas perforadas sobre los tubos en la parte superior. Para mantener esta distribución, a través del haz, hay que evitar un exceso de concentración del licor que es un problema característico en este tipo de evaporador.

Evaporador de tubo horizontal

Evaporador de tubo vertical: Una unidad de proceso de evaporación de líquidos con un haz vertical de los tubos de 2-3 pulgadas (5-8 centímetros) de diámetro y 4-6 pies (1.2-1.8 metros) de largo, el fluido calefactor está dentro de los tubos, y el líquido que se evapora en la zona de cáscara exterior de los tubos, que se utiliza principalmente para evaporar el jugo de la caña de azúcar. También conocido como evaporador calandria; evaporador Roberts; evaporador estándar.

Si hablamos de evaporadores de tubo vertical debemos definir el concepto de calandria, que son unos tubos por los que circula el fluido calefactor en un evaporador.

Evaporador de tubo vertical

Principales Ecuaciones de la Evaporación Capacidad de un evaporador: Es la velocidad de transferencia de calor q atreves de la superficie de un evaporado, es el producto de tres factores: el área A de la superficie de transferencia de calor, el coeficiente global de transferencia de calor U y la caída global de temperatura, incremento de T.

Ecuación para el calor transferido a temperatura constante. Q = UA DTML = UA (ti – to) / ln (ti – tr) / (to – t r)

Q = m Cp (ti – to)

Q = mCp (1 - e (-UA/mCp)) (ti – tr)

El coeficiente DTML equivale al incremento de t, es decir, la diferencia entra la temperatura con la que entro el líquido y a la que salió.

Aplicaciones Industriales de los Evaporadores

Una de sus numerosos usos es del transformar agua de mar en agua potable, se usa también en la industria alimenticia, un uso que se le puede dar es de refrigerador industrial, también se usa en el secado espray que consiste en pulveriza una sustancia (usualmente líquida o semilíquida) en un recinto metálico que atraviesa durante un instante muy corto y por el que circula gas caliente a alta temperatura. Esto evita la degradación (porque el secado es casi instantáneo) y permite la evaporación de agua o líquidos. Se utiliza para producir leche en polvo, sangre en polvo, etc.

Preguntas sobre la Evaporación

¿Cuál es la diferencia entre evaporación y sacado?

¿Cómo se llama el tipo de evaporación que usa más de dos evaporadores?

¿Cuántos tipos de evaporadores existen?

¿Qué es el concepto de calandria?

Respuestas de las Preguntas sobre la Evaporación

1. La diferencia entre la evaporación y el secado es que el residuo es un líquido en vez de ser un sólido.

2. Se llama, evaporación de efecto múltiple. Sirve para aumentar la evaporación por kilogramo de vapor de agua

3. Existen 4 tipos de evaporadores: Evaporadores de flujo de tubos largos verticales (dentro de este tipo debemos hacer unas subdivisiones; Evaporador de flujo ascendente, de flujo descendente y de circulación forzada). Evaporador de película agitada, evaporador de tubo vertical y evaporador de tubo horizontal

4. Son los tubos por los que circula el fluido calefactor en un evaporador de tubo vertical.

Métodos de Estimación de la Evaporación Para estimar la evaporación desde superficies libres de agua existen métodos directos (experimentales) y métodos indirectos (teóricos) basados en la aplicación de la ecuación de continuidad, como son el Balance Hídrico y el Balance de Energía. La evaporación también puede estimarse aplicando fórmulas semiempíricas, sobre todo usando la fórmula de Penman.

Método Balance Hídrico para estimar la Evaporación desde una Superficie libre de Agua

Método del balance hídrico

Este método está basado en el principio de conservación de la masa aplicado a una parte del ciclo hidrológico. Consiste en determinar el balance de agua en el suelo a lo largo de un año, conociendo los datos de las precipitaciones medias mensuales y la evaporación mensual estimada. La evaporación en un cuerpo de agua natural o artificial queda determinada por la igualdad entre las entradas y salidas de agua en una zona concreta. En un intervalo de tiempo determinado, la ecuación del balance hídrico de un embalse, lago o superficie de agua libre es:

E = A - G – ∆R

Siendo:

E: la evaporación. A: las aportaciones de agua. G: las salidas de agua (diferentes a la evaporación). ∆R: el incremento en el almacenaje de agua (puede ser negativo).

Este método no es el más recomendado, debido a que los errores en las mediciones de las variables de entrada, salida y almacenamiento son a menudo grandes comparados con la evaporación calculada. El balance hídrico tiene por objeto cuantificar los recursos y volúmenes de agua del ciclo hidrológico de acuerdo con el axioma de Lavoisier: " nada se crea ni se destruye, sólo se transforma" . Este axioma en dinámica de fluidos se conoce como la Ecuación Continuidad. También permite establecer relaciones entre las distintas variables hidrológicas. El establecimiento del balance hídrico en una cuenca o en una región determinada permite obtener información sobre: � El volumen anual de escurrimiento o excedentes. � El período en el que se produce el excedente y por tanto la infiltración o recarga del

acuífero. � Período en el que se produce un déficit de agua o sequía y el cálculo de demanda de

agua para riego en ese período.

El establecimiento de un balance supone la medición de flujos de agua (caudales) y almacenamientos de la misma (niveles). Se pueden establecer balances de forma general, incluyendo aguas superficiales y subterráneas y parciales de sólo aguas superficiales, de un acuífero, del agua del suelo, etc. En cualquier caso, a la hora de establecer el balance se examinarán las entradas y las salidas al sistema analizado.

Ecuación de continuidad: En una tubería, en dos secciones de áreas diferentes, como el flujo es estacionario, la masa de agua que pasa por ambas secciones es la misma. La expresión matemática de la ecuación de continuidad es: V1 A1 = V2 A2; siendo Vi la velocidad del fluido en la sección de área Ai.

Método Balance de Energía para estimar la evaporación desde una superficie libre de agua

Balance de energía: La energía total de un sistema corresponde a la sumatoria de tres tipos de energía: 1) Energía cinética: Debida al movimiento traslacional del sistema considerado como un todo, respecto a una referencia; o la rotación del sistema alrededor de un eje. 2) Energía potencial: Debida a la posición del sistema en un campo gravitatorio o magnético. 3) Energía interna: Tal como la energía debida al movimiento relativo de las moléculas respecto al centro de masas del sistema; o la energía debida a la vibración de las moléculas; o la energía producto de las interacciones electromagnéticas de las moléculas e interacciones entre los átomos y/o partículas subatómicas que constituyen las moléculas. Fórmulas semiempíricas para estimar la evaporación desde una superficie libre de agua Son fórmulas desarrolladas por científicos en base al estudio del comportamiento de los factores que inciden en la evaporación. Para su utilización se requieren datos obtenidos en una estación meteorológica. Con estos datos, utilizando Cuadros empíricos, se van determinando los diferentes términos que integran las fórmulas.

Entre ellas están la fórmula de Thornthwaite, la fórmula de Hargreaves, la fórmula de Makkink y la fórmula de Penman. Se utilizan dependiendo de los datos disponibles y el ajuste de los resultados a las condiciones locales. La fórmula de Penman ha resultado ser el método más preciso, requiriendo datos de temperatura, humedad, viento y radiación solar (insolación) obtenidos en una estación meteorológica completa.

La ecuación de Penman: describe evaporación (E) de una superficie de agua abierta, y fue desarrollado por Howard Penman en 1948. La ecuación de Penman requiere media diaria de temperatura , velocidad del viento , humedad relativa y radiación solar para predecir E. Simplificación de ecuaciones Hidrometeorológicos siguen siendo utilizados en la obtención de estos datos no es práctico, para dar resultados comparables en contextos específicos, por ejemplo, húmedos vs climas áridos.

Numerosas variaciones de la ecuación Penman se utilizan para estimar la evaporación del agua y la tierra. En concreto, el de Penman-Monteith ecuación refina tiempo basado evapotranspiración potencial estimaciones (PET) de las áreas de tierra con vegetación. Es ampliamente considerado como uno de los modelos más precisos, en términos de estimaciones. La ecuación original fue desarrollada por Howard Penman en la Estación Experimental de Rothamsted , Harpenden, Reino Unido. La ecuación para la evaporación dada por Penman es:

Donde: m = pendiente de la saturación de la presión de vapor de la curva (Pa K -1) Rn = Net irradiancia (W m-2) ρa = densidad del aire (kg m -3) cp = calor específico del aire (J kg -1 K -1) g una superficie de impulso = conductancia aerodinámica (ms -1) δ e = presión de vapor déficit (Pa) λ v = calor latente de vaporización (J kg -1) γ = constante psicrométrica (Pa K -1) Que (si se utilizan las unidades del SI entre paréntesis) dará la masa evaporación E en unidades de kg / (m² · s), kilogramos de agua se evaporan cada segundo por cada metro cuadrado de superficie. Retire λ para obviar que este es fundamentalmente un balance de energía. Reemplace λ v con L para obtener unidades familiares precipitación ET vol, donde L v = λ v agua ρ. Esto tiene unidades de m / s, o más comúnmente mm / día, ya que es el flujo 3 m / s por m = 2 m / s.

Esta ecuación supone un paso de tiempo diario modo que el intercambio neto de calor con el suelo es insignificante, y una unidad de área rodeada por el agua abierta similar o vegetación para que el calor neto y de intercambio de vapor con la zona de los alrededores anula. Algunas veces las personas reemplazan R n con A y para el total de la energía neta disponible cuando una warrants cuenta la situación de los flujos de calor adicionales.

Fórmulas para estimar la evaporación Se utilizan si no existen mediciones y se basan en: � Ecuaciones físicas: relacionan las variables físicas intervinientes. Tienen en

inconveniente de que requieren información que en general no se dispone. Ejemplo: radiación neta, gradiente de humedad, viento en altura, etc.

� Semiempíricas: Toma algunos planteos hechos por las fórmulas físicas y ajustan esas expresiones a valores reales medidos.

� Empíricas: Busca solo una relación matemática por regresión con datos

experimentales. Muchas expresiones empíricas o semiempíricas se han desarrollado para estimar la evaporación desde superficies de agua libre, relacionándola con algunos factores que influyen en el fenómeno, englobando los demás en coeficientes empíricos (constantes para cada lugar), que deben ajustarse según las medidas experimentales obtenidas. Por lo general estas fórmulas derivan de la ley de Dalton, introduciendo coeficientes, en partes empíricos y en parte dependientes de otros factores meteorológicos. Algunas de las expresiones más usuales desarrolladas al efecto son:

1. Fórmula de Fitzgerald

Donde:

Ev: Evaporación diaria, en mm. V0: Velocidad del viento, en m/s² (sobre superficie de agua). es: Tensión de vapor saturante para la temperatura superficial del agua, en mmHg. e: Tensión de vapor en el aire, en mmHg. 2. Fórmula de Meyer Nos da la evaporación media mensual de un tanque de

evaporación o de una superficie de agua libre, en función de la humedad relativa media y de la velocidad del viento.

Donde:

Evm: Evaporación media mensual, en mm. C: Meyer aconsejo el coeficiente C=15 para tanques de evaporación y C=11 para

lagos grandes y profundos. V2.5: Velocidad del viento, en m/s² (a 2.50 m de altura) . es: Tensión de vapor saturante para la temperatura superficial del agua, en mmHg. e: Tensión de vapor en el aire, en mmHg. 3. Fórmula de Lugeon

Donde:

Ev: Evaporación diaria, en mm. d: Número de días del mes.

t: Media mensual de las temperaturas máximas diarias, en ºC. P: Presión atmosférica, en mmHg. es: Tensión de vapor saturante para la temperatura superficial del agua, en mmHg. e: Tensión de vapor en el aire, en mmHg. 4. Fórmula de Rohwer

Donde:

Ev: Evaporación diaria, en mm. P: Presión atmosférica, en mmHg. V0: Velocidad del viento, en m/s² (sobre superficie de agua). es: Tensión de vapor saturante para la temperatura superficial del agua, en mmHg. e: Tensión de vapor en el aire, en mmHg.

5. Fórmula de los Servicios Hidrológicos de la antigua URSS

Resulta de la observación efectuada en tanques de evaporación en un área de 20 a 100 m².

Donde:

Ev: Evaporación diaria, en mm. d: Número de días del mes. V2: Velocidad del viento, en m/s² (a 2.00 m de altura). es: Tensión de vapor saturante para la temperatura superficial del agua, en mmHg. e: Tensión de vapor en el aire, en mmHg.

6. Fórmula de Chistianssen y Guillén

Donde:

Ev: Evaporación a la sombra, en mm/día.

K: Constante 2.957.

CT: -0.490 + 0.0621 T. T= temperatura media mensual, en ºC.

CH: 2.12 -1.75 H². H= humedad relativa promedio mensual.

CW: 0.728 + 0.0494 V2.

V2= velocidad del viento, en km/hora (a 2.00 m de altura)

CS: 0.53 + 0.784 S. S= insolación media mensual.

CDP: 1.15 -0.015 Dp. Dp= número de días de precipitación durante un mes considerado, con precipitaciones de 1 mm o mayores.

CM: Coeficiente que es función del mes y viene dado por la siguiente tabla

Lisímetro Aparato que se utiliza para medir el contenido en agua de los suelos. Controlando el peso de un trozo de tierra y su vegetación, simultáneamente a la medición de la precipitación caída o la cantidad de agua de escorrentía. Un lisímetro, es una representación a escala de un vertedero controlado, que simula el comportamiento de una celda de un relleno sanitario. Se diseñaron y construyeron dos lisímetros, cada uno de 1 m3 de capacidad con el fin de evaluar el asentamiento de los residuos sólidos urbanos bajo las siguientes modalidades de operación. El lisímetro está construido con un extremo de cerámica porosa y tubo transparente para la extracción de solución de suelo. El lisímetro es una herramienta necesaria para recoger muestras de solución de suelo y realizar a continuación análisis químicos de NKP y otros nutrientes. De este modo el técnico agrícola puede controlar fácilmente el nivel de nutrientes, tales como amoníaco, nitrato, fósforo y potasio, sulfato, calcio, magnesio, etc. La punta cerámica del lisímetro permite que pueda ser en todos los tipos de suelo.

Tipos de Lisímetros

Lisímetro G2 de succión de flujo saturado � Tubo de Control de Divergencia (Divergence Control Tube, DCT). � Elemento colector y de medición (Wick) . � El lisímetro se debe enterrar en el suelo, por debajo de la zona radicular.

Una vez completada la instalación en campo, tanto el lisímetro como el suelo “movido” necesitan un periodo de tiempo para que:

� El suelo se reacomode. � El agua percolada alcance el elemento colector y de medición. Si se aplica un riego para acortar este tiempo, hay que evitar riegos excesivos ya que podrían provocar áreas de flujo preferente por encima del lisímetro. El lisímetro, a través de su abertura superior, recogerá muestras representativas del agua de drenaje.

En el elemento colector hay un sensor dieléctrico que mide el volumen de agua recogida y envía la información al datalogger. Este elemento también incorpora un depósito de muestreo de agua de drenaje del que se pueden extraer muestras para ser analizadas.

El lisímetro G2 de succión de flujo saturado es ideal para:

� Calidad de agua y contaminación de suelos. � Monitorización del agua de drenaje y de lixiviados en aplicaciones de aguas

residuales y residuos orgánicos en suelos. � Flujos de recarga de acuíferos. � Control del exceso de agua y la pérdida de nutrientes en condiciones de riego. � Seguimiento de pérdidas de agua y lixiviados en vertederos.

Lisímetro G3 de succión de flujo insaturado

La función principal del lisímetro G3 es monitorear la lixiviación de aguas subterráneas, determinando el volumen de agua y químicos que se están drenando desde las zonas no saturadas a las aguas subterráneas. Uno de los desafíos es que el agua tiende a fluir alrededor de los recipientes enterrados en el suelo. El medidor utiliza un conducto de drenaje y el diseño permite aplicar una tensión constante y mantener la tasa de flujo en el medidor equivalente a la tasa de flujo en el suelo circundante. El lisímetro de succión G3 cuenta con dos materiales disponibles para el tubo de control de divergencia: � Acero inoxidable para recoger el monolito sin perturbaciones. � PVC para recoger el monolito de reacondicionamiento.

Y es ideal para:

� Se utiliza para identificar el drenaje y supervisar la eficacia de los sistemas de cubierta.

� Aplicaciones reduce al mínimo las tasas de control de drenaje de agua y la calidad del agua por debajo de la zona de la raíz.

� Medidas de infiltración y las tasas de recarga. � Actividades agrícolas. � Mediciones e información del riego durante el periodo de cultivo. � Se utiliza para medir y controlar las aplicaciones de exceso de agua y las pérdidas de

fertilizante.

Los lagos son los reservorios de agua más asequibles y más utilizados en todo el mundo. Estos reservorios junto con otras superficies de agua (humedales, embalses superficiales artificiales) cubren millones de km2 del área continental y constituyen un componente esencial de los ciclos de agua regionales o globales. En la actualidad se considera que los lagos son unos contribuyentes importantes a los ciclos del carbono, del nitrógeno y del fósforo en los continentes a través de varios procesos tales como la producción de materia orgánica autóctona, la sedimentación de materia orgánica detrítica y la precipitación de carbonatos y evaporitas. Los sedimentos lacustres también pertenecen a los archivos continentales más importantes de los cambios climáticos y medioambientales. El material almacenado se puede utilizar para descifrar la evolución climática actual en varias partes del globo. Los que proporcionan una resolución más aceptable son los testigos de hielo. El rápido incremento del impacto antrópico en los sistemas de agua superficial de muchas partes del mundo produce una pesada carga de diferentes tipos de contaminantes, tales como los compuestos de fósforo y nitrógeno, los metales pesados y los agroquímicos, lo que provoca un deterioro rápido de la calidad del agua. Esto a su vez contribuye a aumentar la preocupación pública, de manera que existe una tendencia a preservar y proteger recursos disponibles en la naturaleza contra las actividades humanas. A este respecto, algunos países han realizado acciones extensas para mejorar considerablemente las condiciones de agua superficial.

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