TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION

CURSO CORTO INTENSIVO SOBRE
LAGUNAS DE ESTABILIZACION
ASOCIACION ECUATORIANA DE INGENIERIA
SANITARIA Y AMBIENTAL, AEISA
UNIVERSIDAD CATOLICA DE GUAYAQUIL
CON EL AUSPICIO DE
ORGANIZACION PANAMERICANA DE LA SALUD
ECAPAG, CDG, ANEMAPA
Febrero del 2003
Guayaquil
SEMINARIO SOBRE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE
ESTABILIZACION
Fabian Yanez, Ph.D.
CONSULTOR
T
CORRELACION ENTRE TEMPERATURAS
DEL AIRE Y AGUA
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
Campina G
Chile72
15
16
17
18
19
20
Lima Tp
Chile82
21
22
Lima Ts
Amman
23
e
Temperatura del Aire, °C
24
25
26
27
28
Ha - He = (T -Tai) U.A/D
c
Temperatura del
aire = Tai
Ha
Ta
Hc
Temperatura del
agua = T
FIGURA No. 3.1 BALANCE CALORICO POR
CONDUCCION
He
T
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
Método del balance calórico por conducción
CALOR DEL
AFLUENTE
Q . Ta . Ce
CALOR DEL = INTERCAMBIO DE CALOR
EFLUENTE
AIRE AGUA
Q . T . Ce
=
U.A (T
Tai)/D
Q = Caudal, m3/día
Ta = Temperatura del afluente, °C
T = Temperatura del agua, °C
Tai = Temperatura del aire, °C
A = Area de la laguna, m2
D = Densidad del agua, kg/m3
U = Coef. de transferencia de calor aire agua = 20 kcal/(h.-m2.°C)
Ce = Calor específico del agua = 1 kcal/(kg.°C)
f = U / (Ce.D)
Para
U = 20 kcal/(h.m2.°C)
Ce = 1 kcal/(kg.°C)
D = 1000 kg/m3
Resulta en: f = 0.48 o aproximadamente f = 0.5 m/día
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
Método del balance calórico por conducción
Introduciendo:
Q = V/PR
A = V/d
V = Volumen de la laguna, m3
d = Profundidad del líquido, m
PR = Período de retención nominal, días
Tai + d.Ta /(f.PR)
Tai + 2d.Ta/PR
T = ------------------------- = -----------------------1 + d/(f.PR)
1 + 2d/PR
•
•
METODO INADECUADO PARA USO EN LAGUNAS
DEBE DISCONTINUARSE
A/Q = PR/d
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
Método del balance calórico completo
Io = Radiación solar de onda corta absorbida, cal/(cm2.día)
Is = Radiación atmosférica de onda larga, cal/(cm2.día)
Ha = Radiación atmosférica de onda larga, cal/(cm2.día)
Isr = Radiación atmosférica de onda corta reflejada, cal/(cm2.-día)
Har = Radiación atmosférica de onda larga reflejada, cal/(cm2.-día)
Hw = Radiación superficial del agua, de onda larga, cal/(cm2.-día)
He = Pérdida de calor por evaporación, cal/(cm2.día)
Hc = Pérdida o ganancia de calor, por conducción, cal/(cm2.-día)
Han = Radiación solar de onda larga absorbida, cal/(cm2.día)
Hn = Is + Ha
Io = Is
Han= Ha
(Isr + Har + Hw + He + Hc)
Isr
Har
Hn = Io + Han
(Hw + He + Hc)
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
RADIACION SOLAR DE ONDA CORTA, Is
Is = (Isc/r2) . Sen ß . At m (1.0
0.65 x C2 )
Isc = Constante solar = 2880 cal/(cm2.día)
r = Radio normalizado de la órbita de la tierra, sin dimensión
ß = Altitud solar, grados sexagesimales
At = Coeficiente de transmisión atmosférica, sin dimensión
m = Coeficiente de corrección óptica, por la masa de aire, sin dimensión
C = Nubosidad, fracción decimal (0 1.0)
r = 1 + 0.017 Cos [(186 - Dt) 360/365]
Dt = Día Juliano, o días después del 1° de enero.
Sen ß = Sen φ . Sen δ + Cos δ . Cos φ . Cos ha
φ = Latitud del sitio, en grados norte o sur.
δ = Declinación del sol, en grados
ha = Hora ángulo, en grados
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
RADIACION SOLAR DE ONDA CORTA, Is
Para el hemisferio norte:
δ = 23.45 Cos [(172 - Dt)360/365]
Para el Hemisferio Sur:
δ = 23.45 Cos [(352 Dt)360/365]
δ = 23.45 Sen [(284 + Dt)360/365]
δ = 23.45 Sen [(104 + Dt)360/365]
ha = Hora ángulo, grados:
ha = 15 (t1
12 )
t1 = Tiempo solar verdadero, horas después de medianoche.
t1 = Tiempo estándar + ET
(Lst
Le)4/60
Lst = Longitud del meridiano estándar, para el huso horario local, grados (Oeste)
Le = Longitud del sitio, en grados (Oeste)
ET = Ecuación del tiempo, horas
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
RADIACION SOLAR DE ONDA CORTA, Is
At = Coeficiente de transmisión atmosférica
At = 0.0685 Cos [(Dt + 10) 360/365] + 0.8
m = Coeficiente de corrección óptica, por la masa de aire
1
m = -------------------------- [(288 – 0.0065 Z)/288]-5.265
Sen ß + a(ß + b)-c
ß = Altitud solar, grados
Z = Elevación del sitio, m
Las constantes a = 0.15 ; b = 3.885 ; c = 1.253
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
RADIACION SOLAR DE ONDA CORTA ABSORVIDA, Io
Io = Is
Isr = Is (1
A . ßB )
CONSTANTES PARA EL CALCULO DE LA RADIACION SOLAR ABSORBIDA
CONDICION DEL TIEMPO
---------------------------------------Cielo despejado
Cielo con nubes aisladas
Cielo nublado con claros
Cielo nublado
NUBOSIDAD
C
-----------------0.0
0.1 0.5
0.6 0.9
1.0
CONSTANTES
------------------------------------A
B
------------------------1.18
0.77
2.20
0.97
0.95
0.75
0.35
1.45
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
RADIACION SOLAR DE ONDA LARGA
RADIACION SOLAR DE ONDA LARGA ABSORBIDA, Han.
Han = Ha
Har = 1.07 * 10-12 (273+Tai)6 * (1+0.17 * C2)
Tai = Temperatura del aire, °C
C = Nubosidad, fracción decimal
RADIACION DE ONDA LARGA DE LA SUPERFICIE DEL AGUA, Hw.
Hw = 1.0 x 10-7 * (Ts + 273)4
Ts = Temperatura superficial del agua, °C
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
PERDIDAS DE CALOR POR EVAPORACION
He = 2.9 x W (es
ea)
es = 25.374 exp [17.62 5271/(Ts+273)]
ea = Rh x 25.374 exp [17.62 5271/(Tai+273)]
He = Pérdida de calor por evaporación, cal/(cm2.día)
W = Velocidad del viento, km/h
es = Presión de vapor saturada a Ts, mm.Hg.
ea = Presión de vapor a la altura del viento, mm.Hg.
Rh = Humedad relativa, decimales
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
OTROS VECTORES DE CALOR
CALOR CONDUCTIVO:
CALOR DEL AFLUENTE:
Hc = 0.9 W (Ts
H1 = σ. Cp (T1
CALOR DEL EFLUENTE:
PRECIPITACION:
H2 = δ. Cp (T T2) Q2/V
Hp = δ. Cp . P (T Tp) 0.1/d
H1 = Flujo de calor del afluente, Cal/(cm3.día)
H2 = Flujo de calor del efluente, Cal/(cm3.día)
Hp = Flujo de calor por precipitación, Cal/(cm3.día)
δ = Densidad del agua, g/cm3
Q1 = Flujo del afluente, m3/día
Q2 = Flujo del efluente, m3/día
Cp = Calor específico del agua, Cal/(g.°C)
T1 = Temperatura del afluente, °C
T2 = Temperatura del efluente, °C
T = Temperatura del agua, °C
Tp = Temperatura de la lluvia, °C
P = Precipitación, mm/día
Tai)
T)/V
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
ECUACIONES DEL BALANCE CALORICO
ECUACION GENERAL DE BALANCE CALORICO.
dT
Hn
σ . Cp . ------ = ------ + . Cp [H1 + H2 + Hp]/V
dt
d
Efectuando sustituciones y para mezcla completa: T = T2 y Q1 = Q2
dT
Hn
T1 T
0.1
----- = ---------- + -------- + ----- P (Tp
dt
σ.Cp.d
PR
d
T)
SOLUCIONES DE LA ECUACION DEL BALANCE CALORICO
dT
∆T
T To
----- = ------- = -------dt
∆t
∆t
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
ECUACIONES DEL BALANCE CALORICO
Efectuando sustituciones y despejando T:
Hn
T1
To
0.1*P.Tp
----------- + ------ + ----- + ------------σ.Cp.d
PR
∆t
d
T = -----------------------------------------------∆t + PR
0.1*P
------------ + ------∆t.PR
d
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
ECUACIONES DEL BALANCE CALORICO
DIMENSIONES DE PARAMETROS EN LA FORMULA
PARAMETRO
----------------------------------------Temperaturas T, To, T1, Tp
Período de retención, PR y t
Balance calórico, Hn
Densidad del agua,
Calor específico, Cp
Profundidad, d
Precipitación, P
INTERVALO DE TIEMPO t
-------------------------------------------------1 hora
1 día
--------------------------------------°C
°C
Horas
Días
Cal/(cm2.hr)
Cal/(cm2.día)
g/cm3
g/cm3
Cal/(g.°C)
Cal/(g.°C)
cm
cm
mm/hr
mm/hr
TEMPERATURA EN LAGUNAS DE ESTABILIZACION
NECESIDADES DE DATOS
PARAMETRO
------------------------------------------Día Juliano, DT
Constante solar, Isc
Ecuación del tiempo, hr
Meridiano estándar, °Oeste
Longitud del sitio, °N o °S
Profundidad de la laguna, cm
Elevación del sitio, msnm
Período de retención, hr
Temperatura superficial
Tempetarura del afluente
Temperatura del aire, Tai
Humedad relativa, Rh
Velocidad del viento
Nubosidad (1 – 8)
Precipitación, P
Calibración
------------------X
X
X
X
X
X
X
24 horas
24 horas
24 horas
24 horas
24 horas
24 horas
24 horas
24 horas
Simulación
--------------------Cálculo
X
Cálculo
X
X
X
X
Diseño
Cálculo
Diseño
horario/anual
horario/anual
horario/anual
horario/anual
horario/anual
T e m p e r a t u r a ,
Figura No. 3.4
DATOS DE TEMPERATURA PARA LAGUNAS
CONDICIONES DE LA CIUDAD DE QUITO
24
22
∀
∀
∀
20
∀
∀
∀
∀
18
∀
∀
∀
∀
16
14
∀
!
!
!
!
!
!
!
!
!
SEP
OCT
!
!
! Aire
∀ Agua
12
10
ENE
!
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
Meses del Año
NOV
DIC
T e m p e r a t u r a ,
Figura No. 3.5
DATOS DE TEMPERATURA PARA LAGUNAS
CONDICIONES DE LA CIUDAD DE GUAYAQUIL
34
! Aire ∀ Agua
32
30
28
∀
26
!
∀
!
∀
!
∀
!
∀
!
24
∀
!
∀
!
∀
!
JUN
JUL
AGO
∀
!
∀
!
SEP
OCT
∀
!
∀
!
NOV
DIC
22
20
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
Meses del Año
T e m p e r a t u r a ,
Figura No. 3.7
DATOS DE TEMPERATURA PARA LAGUNAS
CONDICIONES DE LA CIUDAD DE PORTOVIEJO
34
! Aire ∀ Agua
32
30
28
26
∀
!
∀
!
∀
!
∀
!
∀
!
∀
!
24
∀
!
∀
!
JUL
AGO
∀
∀
!
!
SEP
OCT
∀
!
∀
!
22
20
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
Meses del Año
NOV
DIC
FIN DE LA PRESENTACION
Gracias por su atención
Preguntas por Favor