Estudio experimental de flujos de calor en interfaz sedimento-agua para un cuerpo somero de agua

Abstract

Cuerpos de agua natural someros se pueden encontrar en la zona del Altiplano de la Cordillera de los Andes en Sudamérica. En estos sistemas, la variación intradiaria y estacional de la temperatura del agua es una de las principales variables que condicionan tanto el ciclo hidrológico (tasas de evaporación) como la dinámica del ecosistema (fotosíntesis, respiración, etc). Para abordar el problema del cálculo de la temperatura del agua en sistemas someros, se adopta un modelo conceptual que resuelve la ecuación de conservación de calor en un medio acuoso, sin considerar el transporte horizontal de calor y considerando una temperatura homogénea en el mismo. De esta forma, los cambios temporales de temperatura del agua se deben al intercambio periódico de calor entre la columna de agua y la atmósfera, y entre el agua y los sedimentos. Este marco conceptual lleva a plantear la existencia de 2 números adimensionales que describen el problema, los que, si bien han sido validados en terreno, no han sido sujeto de estudio detallado en condiciones controladas de laboratorio. El objetivo de este trabajo es estudiar de manera experimental la variación periódica de la temperatura del agua de un cuerpo de agua somero, y en particular cómo es el flujo de calor intercambiado entre el agua y los sedimentos. Para lo anterior, se realizaron 12 experimentos en una caja de acrílico llenada con sedimentos y distintas alturas de agua, sometidos a una forzante de radiación de onda corta periódica a través de un set de focos led que periódicamente son encendidos y apagados. Los periodos utilizados son de 1, 2, 4 y 6 hrs, mientras que las alturas de agua están en el rango 2.5-10 cm. El sistema de medición utilizado corresponde a uno DTS, obteniendo de manera continua una serie de perfiles verticales de temperatura en los sedimentos, el agua y parte del aire. Los resultados experimentales permitieron validar de manera satisfactoria el modelo conceptual propuesto. De igual forma, se pudo medir una serie de parámetros requeridos para el cálculo de la temperatura del agua y sedimentos (coeficientes de extinción de luz, albedo, retención de calor en superficie del agua, etc). Finalmente, se realizó un estudio detallado del flujo de calor convectivo que se desarrolla en la interfaz agua-sedimentos, lo que permitió proponer una relación empírica entre números de Nusselt y de Rayleigh, para el cálculo de la velocidad de transferencia.