CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 Tema 4.- Balance de Energía. 4.1 Conceptos generales Las sociedades modernas dependen de la utilización de la energía. Tal uso requiere transformar entre las diversas formas de la energía y controlar los flujos de energía. Por ejemplo cuando se quema combustóleo en una central eléctrica, la energía química presente en el combustóleo se convierte en calor, que luego es convertido por los generadores de la central en energía eléctrica. Finalmente, la energía eléctrica se convierte otra vez en calor para calefacción o refrigeración o se le emplea para efectuar trabajo. Sin embargo, los flujos y la transformación de la energía también causan problemas ambientales. Por ejemplo, la energía térmica del calor proveniente de las centrales eléctricas resulta en el aumento de temperatura del agua de los ríos o del agua de mar que se utilizan para enfriamiento, la emisión de gases como el CO2, NOx y SOx que generan el “efecto invernadero” en la atmósfera y alteran el balance energético de la tierra y podrían causar incrementos importantes en la temperatura global. Al movimiento de energía y los cambios en su forma se les puede seguir la pista mediante análisis de balance de energía que son análogos a los balances de materia. Como vimos antes la primera ley de la termodinámica establece que la energía ni se crea ni se destruye. La conservación de la energía proporciona un fundamento para el balance de esta, de la misma forma que la ley de la conservación de la materia es la base de los balances de materia. Sin embargo, todos los balances de energía son conservativos, ya que todas las formas posibles de energía se consideran (sin contar las reacciones nucleares) 4.2 Formas de energía Las formas de energía se dividen en dos tipos: energía interna y energía externa. La energía que forma parte de la estructura u organización molecular de una sustancia particular es interna. La energía que resulta de la localización o el movimiento de la sustancia es externa. Los ejemplos de energía externa incluyen la energía potencial gravitacional y la energía cinética. La energía potencial gravitacional es la energía que se gana cuando una masa se mueve a un sitio mas alto. La energía cinética es la que resulta del movimiento de los objetos. Cuando una roca lanzada a un precipicio se acelera hacia el suelo, la suma de la energía cinética y potencial se conserva (sin considerar fricción): a medida que la roca cae, pierde energía potencial, pero aumenta su velocidad y gana energía cinética.Formas comunes de Energía. El calor es una forma de energía interna resultado del movimiento aleatorio de los atomos. El calor asi resulta una forma de energía cenética, aunque se considera por separado, porque el movimiento de los atomos no es posible registrarlo. Cuando se calienta un recipiente con agua, se añade energía al agua. Esa energía se almacena en forma de energía interna y el cambio de energía interna del agua esta dado por: La capacidad calorífica del agua es de 4184 J/KgoC Página 1 de 10 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 Energía de calor interno Energía química Interna Energía Potencial Cinética Electromagnética La energía química interna refleja la energía de los enlaces químicos de una sustancia. Esta forma de energía se compone de dos partes: 1. Las fuerzas de los enlaces atómicos de la sustancia. Cuando ocurren las reacciones químicas, si la suma de las energías internas de los productos es menor que la de los reactivos, ha ocurrido una reducción de la energía química interna: Como resultado de la conservación de la energía, la energía sobrante debe aparecer en una forma diferente. Por lo general, la energía se libera en forma de calor. El ejemplo mas común es la combustión de Carbohidratos con Oxígeno en el cuerpo que produce CO2 y H2O, los enlaces químicos de los pruductos (CO2 y H2O) son mucho mas bajos en energía que los de los carbohidratos y por lo tanto su combustión, libera una cantidad importante de energía, que en cuerpo se transforma en trabajo metabólico y calor: 2. La energía de interacciones entre moléculas. Los sólidos y los líquidos se forman como resultado de interacciones entre moléculas adyacentes. Estos enlaces son mucho más débiles que los enlaces químicos entre átomos y moléculas, pero todavia son importantes para muchos balances de energía. La energía que se requiere para vencer estos enlaces se conoce como calor latente. Los valores de calor latente de varias sustancias está tabulado para los cambios de fase de sólido a líquido y de líquido a gas. El calor latente de Página 2 de 10 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 condensación de una sustancia es igual al calor liberado cuando se condensa para formar un líquido. El calor latente de fusión es cuando se solidifica, se requiere la misma cantidad de calor para pasar de sólido a líquido. Por ejemplo bajo condiciones estándar el sentido de la reacción de difusión entre el CO2 atmosférico y el CO2 acuoso es: Como vemos bajo estas condiciones estándar el de la reacción es positivo por lo que se espera que el proceso de transporte de CO2 atmosférico al mar o un sistema acuoso no es espontaneo. La mayoría de los procesos no ocurren bajo condiciones estándar como vimos anteriormente el cambio de temperatura puede cambiar el sentido de una reacción, de la misma manera bajo condiciones no estándar el sentido de una reacción se puede ver modificado la fórmula que nos relaciona la bajo condiciones no estándar de concentración de reactivos es: R constante de los gases (0.082 l.atm/molK) T temperatura en grados Kelvin Bajo que condiciones de concentración la entrada de CO2 atmosférico al mar puede ser un proceso espontaneo?? Página 3 de 10 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 Lo que indica que para que el proceso sea espontaneo en el sentido propuesto (De la atmosfera al mar) la concentración de CO2 en la atmósfera debe ser 27.34 veces mas alto que en el mar. Joules, Calorías y Btus En el sistema SI, la energía se expresa en joules (J) o kilojoules (kJ). La energía también se expresa en btu, abreviatura de “British thermal units” (unidades térmicas inglesas) o en cal (calorías). La caloría gramo (abreviada cal) se define como la cantidad de calor necesaria para calentar 1.0 g de agua 1.0 °C (de 14.5 °C a 15.5 °C). Otra unidad es la kilocaloría, 1 kcal = 1000 cal. El btu se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar 1 °F la temperatura de 1 Ib de agua., 1 K(btu)=252.16 Kcal= 1.05506 Mj= 0.2931KWh La capacidad calorífica de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura un grado. Puede expresarse para 1 g, 1 Ib, 1 g mol , 1 kg mol o 1 Ib mol de sustancia. Página 4 de 10 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 Por ejemplo, una capacidad calorífica expresada en unidades SI es J/kg mol K: en otras unidades es cal/g °C, cal/g mol °C, kcal/kg mol - °C, btu/lb, * °F o btu/lb mol * “F. Las capacidades caloríficas de los gases (también conocidas como calores específicos a presión constante, cp, están en función de la temperatura y, para cálculos de ingeniería puede suponerse que son ‘independientes de la presión cuando se trata de pocas atmósferas. En la gran mayoría de los problemas de ingeniería el interés radica en determinar la cantidad de calor que se requiere para calentar un gas de una temperatura t1 a otra t2. Puesto que el valor de cp varía con la temperatura, es necesario integrar o bien usar un valor promedio adecuado de cpm. Existen datos experimentales de estos valores medios para una T1 de 298 K o 25 °C (77 oF) y diversos valores de T2 (como los que se muestran en la tabla a 101.325 kPa de presión o menos, con el valor de cp” expresado en KJ/Kg mol K, a diferentes valores de T2 en K o °C 4.3 Balance de energía; rendimientos y componentes En analogía con la ecuación para el balance de materia es posible utilizar la siguiente ecuación para el balance de energía: = Eent - Esal Calcular el tiempo necesario para elevar en 30 grados centígrados la temperatura del agua en un calentador solar compuesto de 10 tubos de 1.5 metros de longitud y 1 pulgada de diámetro. Primero el volumen de agua a calentar es igual a: Donde: A: área de la sección transversal del tubo D: Diámetro del tubo Longitud del tubo = número de tubos Página 5 de 10 = 5.067 cm2 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 El calor necesario para elevar la temperatura del agua en 30 oC, se pude calcular con la fórmula: Donde: = Masa del agua, si su densidad es de 1g/ml o 1kg/L, 7.6 L=7.6 Kg = Calor específico del agua de 1 Kcal/KgoC = Cambio de temperatura (30 grados) =228 Kcal La energía solar recibida por la tierra se mide por medio de la constante solar, K, y su valor promedio se estima en unos La radiación solar total interceptada por la tierra es la constante solar multiplicada por la sección transversal de la tierra. Si se divide este valor, Kπr2, entre la superficie de la tierra, 4 πr2, se obtiene la cantidad de radiación promedio por metro cuadrado en la superficie soleada. Así pues es: De esta energía se refleja un 30% al espacio así que es de unos: El flujo de calor para este caso es: Donde: K= A es el área de los tubos que recibe la radiación solar es igual a la mitad del perímetro de la sección transversal de tubo por su longitud por el número de tubos: Página 6 de 10 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 Ejemplo. Una Termoeléctrica de 1000 MW produce energía mediante la combustión de carbón con un contenido de energía de 2800 MW, de esta cantidad 340 MW se pierden en forma de calor en las chimeneas lo que deja 2460 MW para las turbinas que mueven el generador y producen eléctricidad. Sin embargo la eficiencia térmica de las turbinas es de solo un 42% o sea que solo 1033MW se convierten en eléctricidad y el 58% restante 1427 MW es el calor residual que hay que disipar mediante agua de enfriamiento. Si para eliminar el calor se emplea el agua de un Rio con un caudal de 100m3/s. Cual es el cambio de temperatura del agua del Rio??. Cual es el cambio si en lugar de Carbón se emplea Combustoleo con un contenido de Energía de 4173 MW. Cual es el cambio si el caudal del Rio es de 10 m3/seg* Nota TODA el agua que se consume en Ensenada tiene un caudal de 0.850 m3/seg Página 7 de 10 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 Combustible y Emisiones. El consumo de combustible depende del balande de la Energía liberada en la reacción de combustión de cada reactivo. Combustible Mj/Kg KgCO2/Kwh Madera 15.00 1.25 Carbón 28.00 1.053 Combustoleo 41.73 0.60 Gas Natural 54.00 0.37 Hidrógeno 141.80 0.00 Madera Consumo de Combustible Ton/dia 4.64 x106 1730.03 kgCO2/Ton Madera 1 Tonelada de Carbón= 746 Kg de Carbono 1 Tonelada de Carbono= 3.667 Ton de CO2 El carbón que se quema en las centrales eléctricas tiene un contenido de energía de aproximadamente 28 Mj/Kg o 28 Kj/g. La ley para calidad del aire de Estados Unidos (Clean Air Act) Limita las emisiones de azufre a 260 g de Dioxido de Azufre (SO2) por millon de Kj de energía térmica de la planta (130 g de Azufre elemental por 106 Kj, GigaJoul Restringe también las emisiones de párticulas sólidas a 13g por Gj. Para una planta termoelectrica de carbón con una eficiencia de 3 a 1 (3 unidades de energía térmica para producir 1 unidad de energía eléctrica) calcular. a) Las emisiones de CO2, SO2 partículas y carbono. Suponiendo que todo el carbono que emite el carbón se libera en la atmósfera. b) Que rendimiento debe tener el sistema de control de emisiones de azufre para cumplir la CAA c) Que rendimiento debe tener el sistema de emisión de partículas?? a) Por cada Kwh eléctrico se consumen 3Kwh termicos que corresponden a: 3Kwh x(1Kj/s/Kw)x(3600 s/h) = 10800 Kj En una central de Carbón se consumen 10800 Kj/Kwh. o 0.0108 Gj/kWh Página 8 de 10 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 Para encontrar las emisiones de CO2 y de Partículas hay que conocer la cantidad de Carbón que se consume. Si consideramos un contenido de un 74.6 % de carbono en el carbón. b) Rendimiento de filtros de control de Azufre. Las emisiones de azufre estan limitadas a: Si se considera un 2% de contenido de Azufre en el carbón empleado la cantidad de S que se emite a la atmósfera por kWh producido es de: La eficiencia de eliminación debe ser: c) Rendimiento de filtros de elimunación de partículas. Los límites de las emisiones de partículas: Puesto que el 10% del Carbón son cenizas y el 70% de ellas se convierten en humo, el humo generado será de: Página 9 de 10 CA-FCM-UABC. CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL, TEMA 4 La eficiencia de eliminación debe ser: Balance Global de Energía. Consultar página 24 de http://www.iuses.eu/materiali/e/MANUALES_PARA_ESTUDIANTES/Manual_industria.pdf 4.1 4.2 Ahorro de energía y medio ambiente. Cuando dos objetos están a diferente temperatura, el calor Estados de un sistema Página 10 de 10