FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
EVAPORACIÓN, EVAPORACIÓN EN EMBALSES Y MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN
INTEGRANTES:
Alejandro Palomino, Kevin Pedro Bravo LLona, Fares Yazid Diaz Miranda, Piero Stefano Manay Sojo, Ricardo Martin
Minchola Huamanchumo, Luis Angel Sebastian Tineo Villón, Christian Denner
DOCENTE:
Ing. Maguiña Salazar, Walther Teofilo
CURSO:
Hidrología
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:
Diseño de infraestructura vial
N° GRUPO:
Grupo 2
CHIMBOTE - PERÚ 2022
ÍNDICE
I. INTRODUCCIÓN 1
II. DESARROLLO 1
2.1 Evaporación - Definición 1
2.2 Factores que intervienen en la evaporación 1
2.3 Evaporación en embalses 1
2.3.1 Balance de agua 1
2.3.2 Nomograma de Penman 2
2.3.3 Balance de energía de Penman 2
2.3.4 Fórmulas empíricas 4
2.3.4.1 Fórmula de Lugeon (Francia) 4
2.3.4.2 Fórmula de Meyer (Inglaterra) 5
2.3.4.3 Fórmula de los servicios hidrológicos de la URSS 5
2.4 Medición de la evaporación 6
2.4.1 Tanques de evaporación 6
2.4.2 Tanques colocados en la superficie del suelo 6
2.4.3 Tanques enterrados 6
2.4.4 Tanques flotantes 7
2.4.5 Evaporímetro Piché 7
2.4.6 Reducción de la evaporación 7
III. CONCLUSIONES 7
IV. REFERENCIAS 7
V. ANEXOS 8
I. INTRODUCCIÓN
Se entiende por evaporación aquella operación que tiene por objeto concentrar una solución evaporando parte del líquido en recipientes calentados frecuentemente con vapor de agua.La evaporación consiste en la separación mediante ebullición, un disolvente volátil de uno o varios solutos no volátiles, con los que se encuentra mezclado formando una disolución o suspensión.Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación están la concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja.
II. DESARROLLO
2.1 Evaporación - Definición
La evaporación del agua es un proceso físico por el cual el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso o vapor de agua. Este proceso tiene lugar sobre la superficie del agua a partir de una temperatura determinada y hasta que el espacio se satura de vapor.
El proceso de evaporación del agua depende de la superficie del agua expuesta y del porcentaje de vapor en los alrededores. Cuanto más seca está la capa de aire superficial del agua o, lo que es lo mismo, cuanto menos está saturado el aire.
Al producirse la evaporación del agua los enlaces que mantienen unidas las moléculas con más energía se rompen y la temperatura del agua disminuye.
2.2 Factores que intervienen en la evaporación
Los principales son:
- Radiación solar - Temperatura del aire - La presión de vapor - El viento
- La presión atmosférica
Estos factores son los que provocan la evaporación. Debido a que la radiación solar es el factor más importante, la evaporación varía con la latitud, época del año, hora del día y condiciones de nubosidad.
Al comenzar a secarse el suelo la evaporación disminuye, y finalmente cesa porque no existe un mecanismo que transporte el agua desde una profundidad apreciable. En cuanto a los efectos de la calidad del agua, puede decirse que la presencia de sales hace disminuir ligeramente la evaporación. En el agua de mar, por ejemplo, es del orden de 2 % menor que en el agua dulce. Quiere decir que los efectos de la salinidad pueden despreciarse en la estimación de la evaporación de un embalse.
2.3 Evaporación en embalses
La evaporación en el campo no es posible, en el sentido en que se puede medir la profundidad de un río, la precipitación, etc. Debido a esto se han desarrollado una serie de técnicas para estimar la evaporación desde la superficie de un embalse.
2.3.1 Balance de agua
Este método consiste en escribir la ecuación de balance hídrico en términos de volúmenes:
SI + 1 + P - O - O - 9 E = S2 (3.1) S es el almacenamiento
I es el volumen de entrada P es la precipitación
O es el volumen de salida 0g es la infiltración
E es la evaporación.
La razón está en que los errores en la medición de los volúmenes que intervienen y de los almacenamientos repercuten directamente en el cálculo de la evaporación. De todos los términos que entran en la ecuación, el más difícil de evaluar es la
infiltración, porque debe ser estimada - indirectamente a partir de niveles de agua subterránea, permeabilidad, etc.
2.3.2 Nomograma de Penman
Penman en 1948 propuso dos formas para calcular la evaporación diaria, Eo, en mm. A partir de una superficie libre de agua. La primera de ellas mediante el uso de un nomograma y la segunda mediante un balance energético.
Para poder calcular se requiere de:
● t es la temperatura media del aire en oC.
● h es humedad relativa media
● u2 es la velocidad media del viento a 2 m. de altura, en m/sg.
● n/D es la duración relativa de insolación.
● N es la duración de insolación efectiva (medida por un heliógrafo)
● D es la duración del día astronómico (desde la salida hasta la puerta del sol).
● n/D= 0…. cielo completamente cubierto
● n/D= 1 …..cielo completamente despejado
2.3.3 Balance de energía de Penman
También denominado balance energético, es un método que reescribe la ecuación de balance en términos de energía
Para determinar esta ecuación de Penman en el balance energético primero necesitamos la cantidad de energía que es emitida por la superficie radiante, la cual está dada por la ley de Stefan - Boltzmann que establece lo siguiente:
𝑅 = σ 𝑇4 𝑅: 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛 𝑐𝑚²−𝑑í𝑎𝑐𝑎𝑙
σ: 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 𝑎 117. 4 𝑥 10−9 𝑐𝑚²−𝑑í𝑎𝑐𝑎𝑙 𝑇: 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 𝑎 273° + 𝑡 °𝐶
Esta cantidad de energía al alcanzar los límites de la atmósfera se indica por RA, mientras que Rc se adentra a la atmósfera y alcanza la superficie terrestre siendo menor a RA, determinado por:
𝑅𝑐 = 𝑅𝐴 (0. 20 + 0. 48 𝐷𝑛)
Asimismo, una parte de esta energía se refleja obteniendo una cantidad neta de RI retenida en la superficie terrestre como:
𝑅𝐼 = 𝑅𝑐 (1 − 𝑟)
Siendo “r” el coeficiente de reflexión, teniendo como valor 0.06 para superficies de agua.
Ahora obtenida la radiación RI, esta es irradiada como RB, lo cual provoca que el flujo neto de la radiación saliente se encuentre con la fórmula:
𝑅𝐵 = σ 𝑇4 (0. 47 − 0. 077 𝑒𝑎)(0. 20 + 0. 80 𝑛𝐷) 𝑒𝑎: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒, 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑚𝑚 𝑑𝑒 𝐻𝑔 Luego se produce una cantidad neta de energía remanente en la superficie para pérdidas, denominado H como:
𝐻 = 𝑅𝐼 − 𝑅𝐵
Obteniendo así la ecuación del balance de energía de Penman como:
𝐻 = 𝐸'𝑜 + 𝐾 + ∆𝑆 + 𝐴 𝐸'𝑜: 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐾: 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛
∆𝑆: 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐴: 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
Separando cada variable se pueden obtener como:
1°) Conocido como la ley de Dalton de 1802 que dice:
𝐸𝑜 = 𝑐(𝑒𝑠 − 𝑒𝑎) 𝑥 𝑓(𝑢) 𝑐: 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑒𝑠: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑡 𝑒𝑎: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑡 𝑓(𝑢): 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
Pero dado el caso se cambia es por e’s.
Siendo e’s la presión de vapor saturado a la temperatura t’ de la superficie que separa el agua del aire, en pocos términos:
𝐸'𝑜 = 𝑐'(𝑒'𝑠 − 𝑒𝑎) 𝑥 𝑓(𝑢) Donde c’ = 60 °C
2°) En la meteorología dinámica K es:
𝐾 = γ 𝑐'(𝑡' − 𝑡) 𝑥 𝑓(𝑢)
γ: 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑠𝑖𝑐𝑟𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 (𝑠𝑖 𝑡 𝑒𝑠𝑡á 𝑒𝑛 °𝐶 𝑠𝑒𝑟á 0. 49) 𝑡': 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒
3°) Si la temperatura de la masa de agua al estar constante o en un lago poco profundo, o si se consideran periodos cortos de 10 a 20 días,∆𝑆puede despreciarse.
4°) El concepto de A es que será negativo cuando un tanque aislado lleno con agua, un desierto caliente o seco, sumando el calor directo recibe calor en todas las direcciones, denominado calor de advección. Y si se toma como valor 0 cuando el embalse es grande, entonces se desprecia dando:
𝐻 = 𝐸'𝑜 + 𝐾 Igualmente Penman dedujo que:
∆ = 𝑒'𝑠−𝑒𝑠𝑡'−𝑡
En este caso𝑒'𝑠y𝑒𝑠 vienen a ser la presión de vapor saturado a la temperatura t’ y t respectivamente, además, el valor ∆
presentado como la tangente, debido a que:
Seguido de ello formuló una fórmula semiempírica:
𝐸𝑎 = 0. 35(𝑒𝑠 − 𝑒𝑎)(0. 5 + 0. 54 𝑢2)
Esta expresión indica la evaporación desde la superficie del agua siendo t’ y t iguales, Ea en mm/día, es y ea en mm. de Hg.
Ahora cuando se habla en términos de calor será: 𝐸'𝑎 = 60 𝐸𝑎 𝐸'𝑎 = 21(𝑒𝑠 − 𝑒𝑎)(0. 5 + 0. 54 𝑢
2) Simplificando podemos deducir que:
𝐸'𝑜 = ∆ 𝐻 + γ 𝐸'𝑎
∆ + γ
Expresados 𝐸'𝑜, 𝐻, 𝐸'𝑎 𝑒𝑛 𝑐𝑚²−𝑑í𝑎𝑐𝑎𝑙 2.3.4 Fórmulas empíricas
Estas son deducidas por series de fórmulas de distintos países, basados algunos en la ley de Dalton y en función a los datos meteorológicos.
2.3.4.1 Fórmula de Lugeon (Francia) Se determina como:
𝐸 = 0. 398 𝑛(𝐹𝑒 − 𝐹𝑎) 273+𝑡273 𝑥 𝐵−𝐹𝑒760 donde:
𝐸: 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑎, 𝑒𝑛 𝑚𝑚 𝑦 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑛 𝑑í𝑎𝑠 𝐹𝑒: 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎, 𝑒𝑛 𝑚𝑚 𝑑𝑒 𝐻𝑔, 𝑑𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 𝑡
𝐹𝑎: 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑙, 𝑒𝑛 𝑚𝑚 𝑑𝑒 𝐻𝑔, 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑡, 𝑑𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟:
𝐹𝑎 = ℎ 𝑥 𝐹𝑒 ℎ: ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎
𝐵: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑏𝑎𝑟𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙, 𝑒𝑛 𝑚𝑚 𝑑𝑒 𝐻𝑔 𝑡: 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎𝑠 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎, 𝑒𝑛 °𝐶
2.3.4.2 Fórmula de Meyer (Inglaterra) Em=c(Fe-Fa)(1+v/10)
donde :
Em =evaporación media mensual, en pulgadas
Fe =tensión de vapor saturante correspondiente a la temperatura media mensual del aire, en pulgadas de mercurio.
Fa= valor medio mensual de la tensión efectiva del vapor de agua en el aire, en pulgadas de mercurio.
V = velocidad media mensual del viento, en millas por horas, medida a 25 pies sobre la superficie del agua.
C= coeficiente empírico, igual a 15 para los tanques de evaporación o las charcas poco profundas, e igual a 11 para los depósitos y lagos profundos. En el segundo caso es necesario reemplazar en la fórmula Fe por Fn , tensión de vapor saturante correspondiente a la temperatura media mensual del agua.
2.3.4.3 Fórmula de los servicios hidrológicos de la URSS E=0.15 n(Fe-Fa)(1+0.072 v2)
Donde:
E= evaporación mensual,en mm.
n=número de días del mes considerado
Fe= el valor medio de la tensión efectiva, en milibares, del vapor de agua en el aire a 2 m. sobre la superficie del agua.
v2= velocidad del viento, en m/sg., a 2 m. sobre la superficie del agua.
2.4 Medición de la evaporación
En preparación para proyectos de riego, a menudo se instalan estaciones en el área de interés con dispositivos que permiten la medición directa a largo plazo de la evaporación desde pequeñas superficies de agua (tanques de evaporación) o superficies de papel húmedas pequeñas. (evaporador Pichet) o porcelana porosa (atmómetro Bellani).
2.4.1 Tanques de evaporación
Se pueden clasificar en tres grupos, según estén dispuestos en la superficie del suelo, enterrados en éste o flotando.
2.4.2 Tanques colocados en la superficie del suelo
Tienen la ventaja de una instalación sencilla y sus resultados no corren el riesgo de ser falseados por salpicaduras de gotas de lluvia. Son, en cambio, muy sensibles a las variaciones de la temperatura del aire y a los efectos de la insolación. A este grupo pertenece el tanque llamado Clase A, del U.S. Weather Bureau.
Tiene un diámetro de 121.9 cm. y una profundidad de 25.4 cm.
Está construido de hierro galvanizado no pintado y colocado sobre un bastidor de madera a unos 15 cm. del suelo. Es el usado entre nosotros. Para hallar la evaporación en el embalse puede emplearse un coeficiente anual de 0.7. Para períodos menores los coeficientes son variables.
2.4.3 Tanques enterrados
Son menos sensibles a las variaciones de la temperatura del aire y a los efectos de la insolación, pero en cambio las gotas de lluvia que caen en su rededor pueden salpicar, y falsear las medidas.
Otra dificultad es que no se podría descubrir a tiempo una pequeña fuga.
A este grupo pertenece el tanque llamado Colorado, ampliamente extendido en el oeste de los Estados Unidos. Tiene la forma de un prisma cuya base es un cuadrado de 0.914 m. y cuya altura es de 0.462 m. Es enterrado en el suelo de manera que sus aristas superiores quedan 0.10 m. sobre la superficie del suelo.
2.4.4 Tanques flotantes
Su instalación y operación pueden resultar algo complicadas además de costosas. La tendencia es preferir el tanque Colorado instalado en la orilla del embalse.
2.4.5 Evaporímetro Piché
De amplio uso en estaciones evaporimétricas, está constituido por un tubo cilíndrico de vidrio de 25 cm. de largo y 1.5 cm. de diámetro. El tubo está graduado y encerrado en su parte superior, mientras que su cobertura inferior está obturada por una hoja circular de papel filtro normalizado de 30 mm. de diámetro y 0.5 mm. de espesor. fijada por capilaridad y mantenida por un resorte.
Llenado el aparato de agua destilada, ésta se evapora progresivamente a través de la hoja de papel filtro, la disminución del nivel del agua en el tubo permite calcular la tasa de evaporación (en mm. por 24 horas, por ejemplo). El aparato se instala bajo cubierta para mantenerlo alejado de la lluvia.
2.4.6 Reducción de la evaporación
Es La evaporación es una etapa permanente del ciclo hidrológico.
Hay evaporación en todo momento y desde toda superficie húmeda. Considerada como un fenómeno puramente físico, la evaporación es el pasaje del agua al es tado de vapor; sin embargo hay otra evaporación, la provocada por la ac tividad de las plantas y que recibe el nombre de transpiración. De modo general, la evaporación se puede estudiar por separado, a partir ae las superficies libres del agua (lagos, embalses, ríos, charcas), a partir de la nieve, a partir del suelo y a partir de las plantas (transpiración). O bien se puede estudiar la evaporación total en una cuenca, sin tomar en cuenta las formas particulares que adopta; a esta evaporación total se llama evapotranspiración.
Nosotros estudiaremos preferentemente la evaporación en embalses y la evapotranspiración. La primera, porque el ingeniero tiene interés en evaluar la cantidad de agua almacenada que se va a perder por evaporación. La segunda, por sus aplicaciones en los proyectos de irrigación. El fenómeno de la evaporación a partir de los espejos de agua es complejo, pero podemos esquematizarlo del modo que sigue. Las moléculas de la superficie libre adquieren energía cinética por acción de la
energía solar y vencen la retención de la masa de agua, salen al aire y se acumulan formando una capa encima del agua; para que continúe el proceso es necesario remover esta capa de vapor de agua y esto lo hace el viento. El papel de la temperatura es doble:
aumenta la energía cinética de las moléculas y disminuye la tensión superficial que trata de retenerlas.
III. CONCLUSIONES
- A la hora de tomar una decisión sobre qué metodología optar para reducir la evaporación debemos tener en cuenta la efectividad del método, su practicidad y la relación costo-beneficio. Otra opción es asumir estas pérdidas y contemplarlas dando un mayor volumen en el diseño de los reservorios de agua.
IV. REFERENCIAS
- Chereque, W. (2003). Hidrología para estudiantes de ingeniería civil.
https://repositorio.pucp.edu.pe/index/bitstream/handle/123456789/28 689/hidrologia_cap03.pdf?sequence=9&isAllowed=y
- Varas, E. (2001). Evaporación y evapotranspiración.
http://www7.uc.cl/sw_educ/hidrologia/Capitulo_5/modulo5/hidro5.pdf
- Gil, F., Infante, D., Mujica, D., Rodríguez, R. Y Totesaut, F. (2015).
Medición de la evaporación desde superficies de agua como ríos, arroyos, canales, lagunas, lagos y embalses. Instituto Universitario
Politécnico “Santiago Mariño”.
https://issuu.com/equipo1hidro/docs/medici__n_de_la_evaporaci__n _desde_
- Moreno, A. (2013). Tema 3 Evaporación, transpiración y evapotranspiración. Universidad de los Andes Venezuela.
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/adamoreno/HIDRO/SEMEST RE%20A2013/Tema%203%20Evaporacion.pdf
- Cedeño, J., Amarista, R. y Caraballo, Y. (2014). Métodos para estimar la evaporación desde superficies libres de agua. Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”.
https://issuu.com/ysor84/docs/revista_de_metodos_para_medir_la_e v
V. ANEXOS
Anexo N°01
Anexo N°02
Anexo N°03
Anexo N°04
Anexo N°05
