BALANCE DE ENERGÍA FRANKLIN VILLAFUERTE
Contenido
Introducción
Apli Ap licac cac io nes
Energí nergía. a. Ley Ley de Conserva onservación ción
Hentalpia
Forma Formass que puede puede tomar tomar de energí nergía a. Transforma ransformacione cioness Ener Energé gética ticas. s.
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Bala Balance ncess de Ener Energí gía a en Sistema istemass Cerra errados dos Bala Balance ncess de Ener Energí gía a en Siste Sistema mass Abiert Abiertos os Balance Balance Entálpico. Entálpico.
INTRODUCCIÓN •
¿Cuánto vapor de agua, qué temperatura y presión se necesita para calentar un proceso?,
•
¿Qué puede hacerse para reducir la pérdida de energía de un sistema que se rechaza como calor
hacia el entorno? •
¿Qué pasa si una planta utiliza más energía que sus competidores?
•
y otras cuestiones af
•
ines, sólo puede darse si se comprende el proceso de transferencia de energía en los procesos
naturales o en las máquinas.
APLICACIONES. • Diseño
de procesos.
• Diseño
de equipos.
• Reducción
de costos.
Optimización energética del proceso. Cálculo de Perdidas y Aislamientos. •
Reducción de pérdidas de energía.
•
Calculo de rendimientos y propuestas de estrategias.
• Justificar
la energía que entra y sale de cada unidad de proceso y determinar los
requerimientos totales de este. •
Cálculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor
• Cálculo
de la energía mecánica necesaria que hay que comunicar a un fluido para
mantenerlo en movimiento
Balances de energía
Cualquier proceso de transformación en la naturaleza conlleva un intercambio de energía. Algunas aplicaciones de los balances de energía en la Industria
Recuperación máxima del Calor: optimización energética del proceso. Calentamiento o enfriamiento de un fluido.
Producción Efectiva de Calor en Hornos y Calderas. Cálculo d e Perdidas y Aislamientos. Optimación d e los Procesos de Obtención de Energía Eléctrica (Cogeneración).
Cálculo d el consumo de combu stible para producir trabajo y calor
Cálculo de la energía mecánica necesaria que hay que com unic ar a un fluido para mantenerlo en movimi ento
ENERGÍA
Definiciones:
Capacidad para producir trabajo.
Puede
adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en otras: Radiación electromagnética, Energía Potencial, Energía Eléctrica, Energía Química (de enlace), Energía Cinética, Calor .
- Cantidad absoluta: Energía, J, cal, kcal, kJ Magnitudes y Unidades
- Caudal: Energía/tiempo, J/s (W) - Flujo: Energía/(tiempo.superficies), W/m2 - Específica: Energía/masa, J/kg
ENERGÍA Capacidad
para producir trabajo.
La energía potencial de un sistema se debe a su posición respecto al campo gravitacional. = ℎ
La energía cinética de un objeto se debe a la velocidad con la que se mueve. =
1 2
La energía interna, U es la energía total del sistema (cinética y potencial), incluyendo la energía cinética traslacional de las moléculas, la energía asociada a las rotaciones y vibraciones de las moléculas, la energía almacenada en los enlaces químicos y las atracciones intermoleculares y la energía asociada a los electrones de los átomos. ∆U= q + w
H
U
PV
Calor. Es la energía que se intercambia entre un sistema y sus alrededores como resultado de una diferencia de temperaturas. La energía, en forma de calor, pasa desde el cuerpo más caliente (con una temperatura más alta) hasta el cuerpo más frío (con una temperatura más baja).
El trabajo realizado sobre el sistema puede calcularse como el producto de una fuerza por una distancia W=F*ds
J = Nm Unidades
cal = 4,184 J Btu.
CÁLCULO DE ENTALPÍAS Q = H2 – H1
-No se pueden calcular valores absolutos de entalpía - Para aplicar la ecuación hay que establecer un
estado de referencia El correspondiente a a los elementos libres de todas las sustancias a una presión y temperatura (generalmente 1 atmósfera y 25ºC)
La entalpía de una sustancia (con respecto a un estado de referencia) es la suma de tres contribuciones: s
Entalpía o calor de formación
Calor sensible
Calor latente
Tref mi H fi i
mi C p ,i (T Tref ) i
m
i i
i
T’
•
Energía Nuclear (Ec ): Transformación de masa en energía de acuerdo a E=mc 2. Desintegraciones nucleares .
FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
Sin transf erencia de materia
Interpretación macroscópica del intercambio de energía entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras): Intercambio de energía:
SISTEMA Energía interna
ALREDEDORES
calor y trabajo
T y P : Parámetros de estado del sistema
Con transferencia de materia
Sistemas abiertos: Además de las formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere.
•
Si queremos utilizar el balance de energía debemos expresarlo en forma de ecuación. Cada término del balance de energía se debe representar con símbolos matemáticos para poder simplificar debidamente la ecuación y luego realizar los cálculos necesarios.
LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma
(1a Ley de la Termodinámica)
Ecuación general de balance
mentra
msale
Energía que entra
Energía que sale
Energía acumulada
del exterior
al exterior
en el sistema
en régimen estacionario
Energía que entra
Energía que sale
del exterior
al exterior
Balance de energía en sistemas cerrados
Balance de energía para un sistema abierto • De
acuerdo a la ecuación, la energía total del elemento de fluido mostrado en la Figura incluye las energías cinética, potencial e interna. Además debe contarse la energía asociada con el flujo del fluido o flujo de trabajo. E = Ec + Ep + U + PV
Un balance de energía total
•
¿Qué cantidad de calor se necesita para elevar la temperatura de 5 kg de pulpa de tomate de 20 a 70 C? Suponga que la capacidad calorífica media de la pulpa de tomate es de 3,97 kJ kg-1 K-1.
•
Jugo de naranja (Cp= 3,8 kJ kg-1 K-1) entra en un intercambiador de calor a 12 ° C con un caudal de 500 kg h -1. Es calentado por el flujo de agua a 0.11 kg s -1 y la temperatura del agua cae de 80 a 30 ◦C. ¿Cuál es la temperatura final del zumo de naranja?
Ejercicios. 1. Se utiliza un depósito tubular de agua para escaldar judías de lima con un flujo másico de 860 kg/h. El consumo de energía para el proceso de escaldado es de 1,19 GJ/h y las pérdidas debidas al deficiente aislamiento se estiman en 0,24 GJ/h. Si el consumo total de energía en el proceso es de 2,71 GJ/h. (a) Calcular la energía necesaria para recalentar el agua. (b) Determinar el porcentaje que supone la energía asociada con cada corriente.
• Solución: • Energía
que entra al escaldador = energía que sale con el producto + pérdidas
de energía por mal aislamiento + energía que sale con el agua Sustituyendo por sus valores en el balance, se obtiene 2,71 = 1,19 +0,24+ E w Ew = 1,28 GJ/h •
De manera que son necesarios 2,71 — 1,28 = 1,43 GJ/h para recalentar el agua y mantenerla en condiciones para el proceso de escaldado.
• En
un proceso semicontinuo se pelan patatas mediante vapor de agua. El vapor se suministra a razón de 4 kg por cada 100 kg de patatas sin pelar. Estas entran al sistema a 17°C y las patatas peladas salen a 35°C; además, del sistema sale una corriente residual a 60°C. Los calores específicos de las patatas sin pelar, de la corriente residual y de las patatas peladas son, respectivamente, 3,7; 4,2 y 3,5 kJ/(kg K). Si el calor específico del vapor es 2.750 kJ/kg, calcular las cantidades de corriente residual y de patatas peladas que salen del proceso.
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Doran P. 1998.Principios de Ingeniería de los bioprocesos. Editorial Acribia SA. Zaragoza-España.
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Felder R., Rousseau R. 2004. Principios elementales de los procesos químicos.LIMUSA WILEY, México.
•
Singh RP., Heldman DR. 2009.Introducción a la ingeniería de los alimentos. Editorial Acribia SA. Zaragoza-España.
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Toledo R. 2007. Fundamentals of Food Process Engineering. Springer. Athens, Georgia
