U.T.1 – Energía y potencia. ENERGÍA Y POTENCIA Inicialmente vamos a establecer las relaciones entre energía y potencia , así como conocer y trabajar con sus unidades. Energía. Energía: Energía es la capacidad que tiene un cuerpo o un sistema de realizar un trabajo. Unidades de energía. La unidad de Energía en el sistema internacional (SI) es el Julio (J). Es algo común utilizar múltiplos (1 KJ = 1000 J). Otras unidades de energía. Caloría (cal): cantidad de energía para elevar la Temperatura (Tª) de 1 gramo de agua de 14,5ºC a 15,5ºC. Recursos. http://twenergy.com/a/ener gia-y-potencia-dosconceptosdiferentes-113 http://www.motiva.fi/myllarin _tuulivoima/windpower%20w eb/es/stat/unitsene.htm También se usan múltiplos (1Kcal = 1000 cal.). https://www.energynews.es Frigoría: usada en sistemas de refrigeración. Es la energía https://tarifaluzhora.es/info/c onsumo-energia-vivienda necesaria para absorber una caloría. Transformaciones de unidades de energía. http://www.idae.es Una caloría equivale a 4,1868 Julios (1cal=4,1868J). En múltiplos, 1Kcal = 4,1868KJ. La conversión inversa será: Página de la asignatura 1J = 0,2388 cal 1KJ = 0,2388 Kcal. http://ciclos.tecnicalars.com Página 1 Potencia. La potencia mide la capacidad de producir/consumir energía. Es la energía producida/consumida por unidad de tiempo. Por tanto la potencia es 𝑃 = 𝐸 𝑡 Unidades de potencia. Ejemplos. Convertir a Julios: 2 kJ, 20 KJ, 0’2KJ, 2 Kcal, 20 Kcal, 2000kcal, 0,2 kcal, 2750 cal. Convertir a KJ: 2J, 20J, 200J, 2000J, 2020J, 2200J, 2 Kcal, 20 Kcal, 2000kcal, 0,2kcal, 2750cal Convertir a Kw: 20 W, 200 W, 2000 W, 2200W, 2002 W, 200 kcal/h, 2kcal/h, 2000 kcal/h, 2000cal/h Convertir a kcal/h: 20 W, 200 W, 2000 W, 2200W, 2002 W Calcular la potencia de una caldera que aporta 20.000 Kcal de calor , unos radiadores de calefacción durante 3horas. Exprésalo en Kw,W,kcal/h. En el sistema internacional, el tiempo se mide en segundos (seg.), y como ya hemos visto, la energía en Julios, con lo que la potencia se mide en Julios por segundo (J/seg) y se denominan Watts o Vatios (W). Por tanto 1𝑊 = 1 𝐽 . 𝑠𝑒𝑔 Es muy común utilizar múltiplos: 1Kw=1000W. Otras unidades de potencia. Una medida típica de potencia es medir la energía en Kcal, y el tiempo en horas (h). La potencia quedaría por tanto en Kcal/h. Transformaciones de unidades de potencia. Si queremos transformar la potencia medida en W a cal/h, (o más típicamente, de KW a Kcal/h), podemos usar - Método general de transformación: Partimos de las unidades de origen y vamos multiplicando y dividiendo por la conversión conocida, haciendo que desaparezcan las unidades de partida y apareciendo las deseadas: - Transformación directa: Como vemos en el ejemplo, 1Kw es aproximadamente 860 Kcal/h, por lo que ▪ Para pasar de Kw a Kcal/h multiplicamos por 860 ▪ Para pasar de Kcal/h a Kw dividimos por 860 Página 2 Energía Calorífica (Calor) de un fluido. La energía almacenada en un fluido, al aumentar su temperatura ∆T, (∆T=Tª inicial – Tª final) y por tanto la energía consumida para calentarlo, se puede calcular según la fórmula: E (Kcal) = ρ· c· V· ∆T = m· c· ∆T ρ -densidad del fluido (Kg/li) Ejemplos. c-calor específico del fluido Kcal/KgºC ¿Qué cantidad de calor se deberá aportar a un acumulador para conseguir que caliente 500 litros de agua desde 10 a 55ºC? V-volumen del fluido (li) m-masa del fluido (Kg) ∆T-salto térmico o variación de temperatura (ºC) ¿Cuánto es en Julios? Se representa con la letra E de energía pero también se ve en algunos libros de instalaciones como C (calor) Energía calorífica o Calor del agua. Para el caso del agua, ρ =1Kg/li y c=1Kcal/KgºC, con lo que la fórmula anterior se simplifica: E (Kcal) = C (Kcal) = V· ∆T = m· ∆T Notar que es una medida de energía, y por lo tanto no interviene el tiempo que se tarda en calentar esa agua. Si esa energía se tardase en consumir o almacenar en un tiempo determinado, estaríamos hablando de potencia. ¿Qué energía será necesaria para calentar el agua de un depósito de acumulación de 100 li, desde una Tª de 10ºC a 60ºC, en Kcal y en KJ? ¿Qué energía será necesaria para calentar el agua de un depósito de acumulación de 60 li, a una temperatura segura en lo referido a la legionela? Página 3 Potencia Calorífica. Como sabemos ya, la potencia es la energía por unidad de tiempo. Entonces, para un fluído determinado, la potencia necesaria para aumentar ∆T un fluído en un tiempo determinado será Ejemplos. ¿Qué potencia deberá tener una caldera para calentar el agua de un depósito de 100 li, desde de 10ºC a 60ºC en 1hora? ¿Y si lo queremos hacer en ½ hora? ¿Qué potencia será necesaria para calentar el agua de un depósito de 60 li, a una temperatura segura en lo referido a la legionela, en media hora? ¿Y si lo hacemos en 15 minutos? ¿Qué potencia deberá tener una caldera para calentar un caudal de 4000 l/h, con una variación de temperatura de entre 70 y 80 ºC? P (Kcal/h) = E / t = (ρ · c· V· ∆T)/t = (m· c· ∆T)/t El tiempo (t) estará expresado en horas (h) Para el caso del agua: P(Kcal/h) = E / t = (V· ∆T)/t = (m·∆T)/t Energía transportada o Potencia Calorífica de un caudal. Para un fluido que se está moviendo con un caudal determinado (Q en li/h), podemos deducir de las fórmulas anteriores la potencia para calentar y mover un fluido, será: P(Kcal/h) = ρ· c· Q· ∆T y para el agua P(Kcal/h) = Q· ∆T El caudal Q deberá estar expresado en litros por hora (li/h) También representa la energía que transporta el fluido (o el agua) por hora. ¿Qué caudal instantáneo máximo podrá suministrar una caldera de 29Kw para que caliente el agua de 10ºC a 40ºC? Página 4 Energía y Potencia eléctrica. En una instalación eléctrica de un edificio o vivienda, los receptores eléctricos se clasifican según la potencia en W o KW (es decir por la energía por segundo). Por ejemplo, una bombilla de incandescencia de 60W o una de bajo consumo de 12W. Si analizamos una factura eléctrica, vemos que la compañía eléctrica nos cobra: Por la potencia contratada (potencia máxima que podemos conectar a la vez). (término fijo) Por la energía consumida. (término variable) La primera es una especie de tasa, la segunda es lo que hemos consumido. En caso de mejorar la eficiencia energética, debemos pensar en consumir menos energía. Unidades de energía eléctrica. En electricidad, se suele usar la medida de KWh, que se deduce de lo siguiente: Como 𝑃 = 𝐸 𝑡 → E = P· t si la Potencia se mide en KW y el tiempo en horas (h), la energía tendría como magnitudes KW· h Esta unidad de energía es la usada en facturación eléctrica. Ejemplo. Una empresa tiene instaladas 100 luminarias de 50W cada una, y 5 máquinas eléctricas de 500W cada una. La actividad de la empresa exige tener continuamente las máquinas funcionando simultáneamente durante 8 horas al día. Las luminarias generalmente no se encuentran todas encendidas a la vez, sino que tienen un coeficiente de simultaneidad de 0,8. Si se trabajan 5 días a la semana, estimar el gasto energético mensual de la empresa. Un receptor es cualquier aparato o dispositivo que consume energía. (p.e. emisor de calor o radiador) Tanto los generadores como los receptores se miden según la energía que pueden generar/consumir por unidad de tiempo, es decir por su potencia. La ley fundamental de la energía dice: “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Por tanto, todo receptor de energía, en realidad no “gasta” esa energía, sino que la transforma en otro tipo de energía. Página 5 Fuentes de Energía. FUENTES DE ENERGÍA NO RENOVABLES. Son fuentes de energía que se encuentran en forma limitada en nuestro planeta, y se agotan a medida que se las consume. Para saber más. www.energias-renovables.com/ es.wikipedia.org/wiki/Energía_renovable elpais.com/tag/energias_renovables/a/ http://www.idae.es/ Combustibles: fuente de energía en la que es necesaria una combustión para la producción de la energía. - Combustibles sólidos Carbón Energía nuclear - Combustibles líquidos Petróleo Gasóleo, parafinas, … - Combustibles gaseosos Gas Natural Gases licuados del petróleo (GLP) Butano Propano - Energía nuclear FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES. Son aquellas que se producen o llegan en forma continua a la tierra y que a escalas de tiempo humano, parecen inagotables. Página 6 Equivalencia energética de las fuentes de energía. A nivel energético, todas las fuentes de energía son equivalentes. Así, una fuente de energía que generase la energía equivalente a una tonelada de carbón, se dice que generaría 1 tonelada equivalente de carbón (TEC) 1 TEC = 29,3·10 9 J También se utiliza la tonelada equivalente de petróleo (TEP) 1 TEP = 41,84·109J Poder calorífico de los combustibles. Los combustibles son compuestos formados por cadenas de Carbono (C) e hidrógeno (H). Al quemar el combustible, se necesita oxígeno, con lo que se generan reacciones químicas en las que se desprende calor Ejemplos. Suponiendo que tenemos generadores de calor que aprovechan el 100% del combustible… ¿Qué cantidad de calor se deberá aportar a un acumulador para conseguir que caliente 500 litros de agua desde 10 a 55ºC? C + O2 CO2 + calor 2H2 + O2 2(H2O) + calor Rendimiento de la combustión. Si para calentarlo usamos gas natural, ¿Cuántos m3 necesitamos? Las reacciones anteriores serían las ideales, donde se aprovecha ¿Cuántos litros al máximo el poder calorífico de un combustible puro (solo necesitaríamos si usamos cadenas de C e H). En la realidad, cada combustible tiene gasoil? diferentes proporciones de C y H, con lo que da diferentes ¿Y carbón? proporciones de calor (las reacciones anteriores no dan ambas el mismo calor), y cada combustible tiene diferente poder calorífico Además en los combustibles se encuentran otros elementos como el azufre (S) lo que da compuestos del tipo SOx (parte del oxígeno se usa en oxidar el azufre). Si por otro lado, usamos el aire como comburente, (en lugar del oxígeno), que está compuesto por O, H, y N, aparecen compuestos del tipo NOx, y se cambian las proporciones de Agua. ¿Qué potencia deberá tener una caldera para calentar un caudal de 4000 l/h, con una variación de temperatura de entre 70 y 80 ºC? ¿Qué caudales serían necesarios de butano, propano, gas-natural y gasoil? Página 7 La proporción de la mezcla aire/oxígeno – combustible, también es determinante, pudiendo ser: Estequiométrica: la proporción de aire-combustible es la exacta Con falta de aire: parte del combustible no se quema, desprendiéndose en forma de inquemados y hollines Con exceso de aire: se produce una combustión completa (todo el combustible) Para reflexionar. Dados los ejemplos de los ejercicios anteriores, determinar cuál es más rentable económicamente de los combustibles anteriores. ¿Y medioambientalmente? Cada punto anterior hace que perdamos eficacia en la combustión, es decir, que el rendimiento de la combustión baje. Por último indicar, que parte del calor de la combustión, no se aprovecha debido a que el agua que aparece en la combustión aparece en forma de vapor de agua, es decir, se gasta en el cambio de estado del agua de líquido a gas (calor latente). PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS o Hs) Cantidad de calor total producido por la combustión completa de una unidad de volumen o masa de un combustible, incluyendo el calor recuperado al condensar el vapor de agua. Unidades: ¿Y si usáramos biomasa? Kcal/m3 ó KJ/m3 ó KWh/m3 Kcal/li ó KJ/ li ó KWh/ li Kcal/Kg ó KJ/ Kg ó KWh/ Kg Justificar la respuesta. Podemos pasar de unas unidades a otras, conociendo el peso en volumen del combustible, o la densidad. PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI o Hi). Calor total de la combustión de un combustible, pero excluyendo el calor de condensación de agua. Tiene las mismas unidades que el superior. Página 8 Familias de combustibles. El índice Wobe relaciona el poder calorífico con la densidad de un combustible gaseoso, definiendo 3 familias según su poder. En la primera familia está el gas-ciudad, gas de hulla,… En la segunda gas-natural, aires propanados… En la tercera el butano y el propano. Los gases de una misma familia son intercambiables con pocos cambios en los equipos e instalaciones. Página 9 Rendimiento y generadores de calor. El generador de calor. Un generador es cualquier máquina o aparato que puede producir energía. (p.e. una caldera). Ejemplos. Repite los ejercicios de la página 7 suponiendo que el rendimiento del generador es del 95%. Un receptor es cualquier aparato o dispositivo que consume energía. (p.e. emisor de calor o radiador) Tanto los generadores como los receptores se miden según la energía que pueden generar/consumir por unidad de tiempo, es decir por su potencia. La ley fundamental de la energía dice: “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Por tanto, todo receptor de energía, en realidad no “gasta” esa energía, sino que la transforma en otro tipo de energía. Para investigar. Busca un tipo de calderas cuyos fabricantes dicen que tienen un rendimiento superior al 100% Por ejemplo, los emisores de calor (radiadores) son receptores de energía, que transforman la energía transportada por el fluído del circuito en calor radiante. En todo sistema de transformación y transporte de energía, se producen pérdidas: ¿Es esto posible? El generador (p.e. una caldera) convierte la energía calorífica de un combustible en calor que calienta un fluído (agua), sin embargo, se producen pérdidas de energía en la combustión (parte del calor no se usa para calentar el fluído, sino que se emite a la atmósfera) ¿Por qué lo dirán? Durante el proceso de transporte de energía, (caudal de agua moviéndose por las tuberías), parte del calor (energía) transportado se pierde a través de las tuberías. Los emisores de calor pueden tener pérdidas de calor por su diseño y morfología, posición, … que hace que parte del calor no se aproveche. Página 10 Rendimiento. La forma de medir estas pérdidas, es bien cuantificando cuanta energía se pierde en cada proceso (para cada temperatura, caudal, …), o bien estableciendo un parámetro: el RENDIMIENTO. En general, se define rendimiento como Se cumple que Ƞ es un índice adimensional (no tiene dimensiones y está entre 0 y 1). Si se multiplica por 100, se mide en % En un generador, llamamos Potencia nominal a la potencia que generaría el generador, si no existiesen pérdidas internas del propio generador y es la potencia máxima que puede desarrollar la tecnología de la que está hecha. Llamamos potencia útil a la potencia que realmente transmite al fluido a calentar Si tenemos en cuenta pérdidas, Ejemplos. ¿Cuál es el rendimiento de una caldera de potencia nominal 30.000Kcal/h y cuya potencia útil es de 26.000Kcal/h? Si una caldera tiene un rendimiento del 80%, y la potencia nominal es de 28.000Kcal/h ¿cuál es la potencia útil? Calcular la potencia nominal de una caldera cuya potencia útil es 18,6Kw si su rendimiento es del 85% podemos relacionar las pérdidas con la energía (o potencia) útil y con la total En un sistema con múltiples pérdidas, las pérdidas se suman, sin embargo, los rendimientos se multiplican. Si alguna vez nos dan las pérdidas en %, en realidad nos están diciendo que el rendimiento es Ƞ(%) = ( 100 - pérdidas(%) ). En un sistema de caldera con intercambiador, para agua caliente sanitaria, la caldera es de 29Kw de potencia nominal, y su rendimiento es del 90%. El rendimiento del intercambiador es del 80%, y en la red de distribución, se pierde 1KJ de energía por cada 100KJ. Calcular el rendimiento total del circuito. Calcular el caudal máximo que llegará al punto de distribución si usamos una temperatura de servicio de 40º Página 11
