BALANCE DE ENERGÍA. Diseño de Plantas Industriales Programa de Ingeniería Ambiental Facultad de Ciencias Ambientales

Transcripción

1 BALANCE DE ENERGÍA Diseño de Plantas Industriales Programa de Ingeniería Ambiental Facultad de Ciencias Ambientales

2 Los objetivos del balance de Energía son: Determinar la cantidad energía necesaria para un proceso. Determinar las temperaturas a las cuales el proceso es mas eficiente. Disminuir el desperdicio de energía.

3 Los objetivos del balance de Energía son: Determinar el tipo de materiales y equipos que mejor sean mas eficientes. Sin embargo el objetivo principal es la estimación de costos de operación del proceso, ya que el gasto energético es uno de los mas importantes rubros durante la operación.

4 El balance de energía Al igual que el balance de materia es una derivación matemática de la "Ley de la conservación de la energía" (Primera Ley de La Termodinámica), es decir "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma".

5 El balance de energía La velocidad a la que el calor se transmiten depende directamente de dos variables: la diferencia de temperatura entre los cuerpos calientes y fríos y superficie disponible para el intercambio de calor.

6 El balance de energía influyen otros factores como la geometría y propiedades físicas del sistema y, si existe un fluido, las condiciones de flujo. Ejemplos típicos de ellos son la eliminación de calor durante las operaciones de fermentación utilización utilizando agua de refrigeración y el calentamiento del medio original a la temperatura de esterilización mediante vapor

7 La temperatura Es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío o caliente al tocar alguna sustancia. En cambio el calor es una transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, producida por una diferencia de temperatura. Temperatura. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se eleva,o viceversa.

8 El calor Es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona mas fría y reduce la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. Calor. El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia

9 Transferencia de Calor CONDUCCION DE CALOR. La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas.

10 Conducción de Calor Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes. Calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H = ΔQ/Δt, está dada por la ley de la conducción de calor de Fourier.

11 Conducción de Calor.

12 Convección de Calor. La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.

13 Convección de Calor. Un modelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de enfriamiento de Newton, es el siguiente: H = h A (TA T) El flujo de calor por convección es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de área A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA < T).

14 Convección de Calor

15 Radiación. La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiación electromagnética.

16 La Energía (en la Física) es la capacidad que tiene un sistema de realizar un trabajo o una transformación. Y en muchos casos depende del estado de un sistema. En la termodinámica y por ende en el balance de energía se considera los siguientes tipos de energía: TIPOS DE ENERGÍA Los dos primeros tipos de energía son energías de transferencia, es decir solo se presentan cuando el entorno y el sistema se encuentran en estados diferentes, por lo cual esta energía se transfiere para alcanzar un equilibrio

17 Trabajo(W): Es una forma de energía que representa una transferencia entre el sistema y el entorno. Y en general se manifiesta por presentar una fuerza mecánica. El trabajo no es posible almacenar trabajo debido a que es una energía en transito. Y su signo depende si se lo realiza el sistema (-) o el entorno hacia el sistema (+). Para que una fuerza mecánica realice un trabajo la frontera de sistema debe

18 Calor(Q): Se define como la parte del flujo total de energía a través de la frontera de un sistema que se debe a una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno, es decir un tipo de energía en tránsito. El calor no se almacena ni se crea. El calor es positivo cuando se transfiere al sistema. El calor puede transferirse por convección, conducción o radiación. El calor, al igual que el trabajo, es una función de la trayectoria

19 Energía Potencial: Depende de la masa y la altura del sistema de referencia (Ep=m x g x h). Se define como la energía debida a la posición del sistema en un campo potencial o debido a la configuración del sistema con respecto a alguna configuración de equilibrio.

20 Energía Cinética: Es la energía que un sistema posee en virtud de su velocidad relativa respecto al entorno que se encuentra en reposo. Surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde su posición de equilibrio hasta una velocidad dada.

21 Energía interna: la energía interna(u), es la medida macroscópica de la energías molecular, atómica, y subatómica, lo cual sigue reglas microscópicas definidas para los sistemas dinámicos. La energía interna se mide indirectamente a través de la medición de otras variables, tales como presión, volumen, temperatura y composición. La energía interna se calcula como en relativa a un estado de referencia, pero no en forma absoluta.

22 Entalpía: La entalpía se expresa como H = U + PV donde E es la energía interna, P es la presión y V el volumen. Al igual que en el caso de la energía interna, la entalpía no tiene un valor absoluto, sólo se miden los cambios de entalpía. Para determinar la entalpía se considera un estado de referencia : Estado inicial Estado final Entalpía = H 1 - H ref Entalpía= H 2 - H ref

23 Entalpía: Cambio neto de entalpía del sistema al pasar del estado inicial al estado final: (H 2 - H ref ) (H 1 - H ref ) H 2 H 1 = H Se tiene que del primer principio de la termodinámica : U = Q W Siendo Q el calor absorbido y W el trabajo realizado, W = P V.

24 Entalpía: Si consideramos un proceso a presión constante tenemos H = U + P V, en este caso H corresponde al calor absorbido por el sistema, luego H = Q p Si el proceso se verifica a volumen constante V = 0, luego Q v = U = H La entalpía es una función de estado y sólo depende de los estados inicial y final y no del camino recorrido