FLUJO DE ENERGÍAFLUJO DE ENERGÍA

LA ENERGÍA AUNQUE NO ES TANGIBLE ES NECESARIA PARA REALIZAR LOS

MOVIMIENTOS DE LOS RECURSOS QUE INTERVIENEN EN UN PROCESO INDUSTRIAL

ENERGÍAENERGÍA• La energía realiza los movimientos y los

cambios en los procesos industriales• Toda clase de energía proviene de una fuente

que corresponde a los servicios industriales que alimentan al procesos industrial

• El suministro de energía desde la fuente hasta los procesos industriales puede ser por mecanismos: directo (no se transforma) o indirecto (emplea un medio para transformarse)

CLASES DE ENERGÍACLASES DE ENERGÍA

• En los procesos industriales se involucra con más frecuencia las siguientes formas de energía:– Térmica– Mecánica– Eléctrica– Química– Humana

BALANCE DE ENERGÍABALANCE DE ENERGÍA

• Cumple la Ley de la Conservación puesto que la energía que se ingresa a un proceso industrial, se transforma pero no se destruye ni se crea más de lo que entró

• Por lo anterior, se puede cuantificar la energía con la siguiente ecuación:

ENERGÍA QUE ENTRA = ENERGÍA QUE SALE

ENERGÍA MECÁNICAENERGÍA MECÁNICA• Esta energía se presenta por cambio s de presión,

de velocidad y de posición• El balance para la energía mecánica es:

ENERGÍA EN 1 +ENERGÍA AÑADIDA = ENERGÍA EN 2 + ENERGÍA EXTRAÍDA +ENERGÍA PERDIDA

• Las energías en 1 y en 2 son:

• Las energías extraída y añadida, es el trabajo mecánico de un equipo o maquina que retira o adiciona energía para que el sistema funcione

cc

cc

g

gz

g

vpE

g

gz

g

vpE

2

222

2

1

211

1

2

2

++=

++=

ρ

ρ

CÁLCULOSCÁLCULOS

• La energía perdida por fricción del flujo de fluido en tuberías o accesorios del sistema se calculas así:

• En tuberías:

• En accesorios:

==

cf g

vLfh

2E

2

p φ

=

=

c

EEQUIVALENTf

cf

g

vLfh

g

vkh

2

22

2

φ

EJERCICIOSEJERCICIOS

1. En el sistema de la figura, la bomba BC debe producir un caudal de 160 l/s de aceite de densidad relativa 0,762 hacia el recipiente D. Suponiendo que la pérdida de carga entre A y B es de 2,50 m y desde C a D de 6,50 m, determinar la potencia que la bomba debe suministrar a la corriente.

2. Se desea construir un depósito que suministre un caudal de agua de 30 l/s a una alberca. La tubería tiene una longitud de 350 m, un diámetro de 12 cm y un rugosidad de 0,005 cm, ¿a qué altura sobre la alberca debe situarse el depósito?

3. Una bomba hidráulica de rendimiento 75% impulsa un caudal de agua de 17,5 L/s mediante una tubería de hierro galvanizado (ε=0,015 cm) de 500 m de longitud con dos válvulas de compuerta y un codo de 90°, y 12,5 cm de diámetro a un depósito cuya descarga atmosférica está situada a una altura de 62,4 m. Determinar: a) la altura de presión que la bomba debe comunicar al agua b) la potencia útil de la bomba y c) la potencia consumida de la red eléctrica.

ENERGÍA TÉRMICAENERGÍA TÉRMICA

• Es la forma energética necesaria para aumentar o disminuir temperatura en un proceso industrial. El calor involucrado puede ser sensible o latente.

fgL

L

hmQ

mQ

⋅=⋅= λ

CALOR SENSIBLE CALOR LATENTE

HmQ

TCpmQ

∆⋅=∆⋅⋅=

EL CALOR ES POSITIVO (+Q) CUANDO INGRESA Y NEGATIVO (-Q) CUANDO SALE DE UN SISTEMA ABIERTO

EJERCICIOSEJERCICIOS

1. ¿Qué calor hay que entregar a 3 kg de hierro para aumentar su temperatura de 18°C a 60°C? Si el calor específico del hierro es 447 J/kg.°C

2. ¿Qué cantidad de calor hay que entregar a 100 gramos de hielo a –12°C para transformarlo en vapor de agua a 100°C?

Datos: Cp del hielo= 2100 J/kg.°C ; Cp del agua= 4180 J/kg.°C ; calor latente de fusión = 335105 J/kg; calor latente de vaporización= 22106 J/kg

3. Cada uno de los 20 alumnos de una clase emiten al ambiente una media de 37,5 J de energía por hora. Las dimensiones del aula son 10 m de largo, 5 m de ancho y 3 m de altura, y su temperatura inicial es de 20°C. Si todo el calor emitido por los alumnos es absorbido por el aire del aula, ¿cuál es su temperatura después de una hora de clase?

Datos: calor específico del aire = 1000 J/kg.°C; densidad del aire=1,25 kg/m3.

4. Mil quinientas latas de sopa de verduras se calientan hasta 116°C en un autoclave. Luego se enfrían a 38°C en el autoclave antes de sacarse, utilizando para ello agua, que entra a 24°C y sale a 30°C. Calcule los kg de agua de enfriamiento necesarios.

Cada lata contiene 500g de sopa y la lata vacía pesa 70g. El Cp de la sopa es 0,94kcal/kg.°C y el del metal de la lata es 0,12kcal/kg.°C. Para sostener las latas dentro del autoclave se emplea una canasta de metal que pesa 160kg y tiene un Cp de 0,12kcal/kg.°C. Suponga que esta canasta se enfría también hasta 38°C.

La cantidad de calor retirado de las paredes del autoclave al enfriarse de 116°C a 38°C es de 2500kcal. Las pérdidas de calor a la atmósfera son de 1250kcal.

5. Calcule el vapor necesario para el calentamiento del autoclave con la canasta y las latas, si el vapor proviene de una caldera a 80psig de presión de vapor y el condensado retorna al tanque de condensados a 86°F.

ENERGÍA ELÉCTRICAENERGÍA ELÉCTRICA

• Se emplea en los motores y se evalúa desde consumo, así:

• Otros balances de energía eléctrica transformada: ENERGÍA ELÉCTRICA CONSUMIDA = ENERGÍA MECÁNICA EMPLEADA + ENERGÍA PERDIDA

ENERGÍA ELÉCTRICA CONSUMIDA = ENERGÍA TÉRMICA EMPLEADA + ENERGÍA PERDIDA

ENERGÍA ELÉCTRICA CONSUMIDA = ENERGÍA QUÍMICA GENERADA + ENERGÍA PERDIDA

3cos

2cos

1cos

ϕϕϕ

××=

××=

××=

×=

VAP

VAP

VAP

tPC

EJERCICIOSEJERCICIOS

1. Realizar el ejercicio 5 (p.63) del Manual de Procesos Industriales, volumen II.

2. En una empresa, se tiene aceite a 20°C en un tanque y se calienta el aceite con 4 resistencias eléctricas de 0,5kW cada una, durante 20 minutos. Cuál es la temperatura final del aceite? Y cuáles son los costos de energía eléctrica en un mes, si esta operación se repite en los tres turnos de trabajo de lunes a viernes?

Datos: Cp del aceite es 0,48kcal/kg.°C; $269/1kW-h; el aceite ocupa 60cm de altura del tanque que tiene un diámetro de 40cm; densidad relativa del aceite 0,98

3. En una mezcladora de sólidos pastosos de diámetro de 60cm, emplea eje de cintas para la operación (pesan 5kg) de mezcla de 50kg de material. Este eje emplea 40rpm de velocidad. Además el eje está unido a un motor trifásico.

¿Cuál es el costo de energía eléctrica de la mezcladora si trabaja 6h diarias de lunes a sábado durante 11 meses del año?

ENERGÍA HUMANAENERGÍA HUMANA

• Se evalúa el desgaste energético en operaciones manuales, así:

• Otro balance de energía humana transformada:

ENERGÍA HUMANA EMPLEADA = ENERGÍA MECÁNICA DESARROLLADA

operacióntabulado

tabulada tt

EC ×=

EJERCICIOSEJERCICIOS

1. Realizar el ejercicio 6 (p.64) del Manual de Procesos Industriales, volumen II.

2. Cuál es el desgaste de energía humana de un operario que mueve una palanca de la maquina durante tres horas para lo cual emplea una fuerza de 300N a una velocidad de 30cm/s, además el operario pierde el 5% de energía debido al esfuerzo físico.

Datos: 1kgf=9,81N; 1hp=746W

3. Un hombre de 75 kg desayuna: 250 g de leche entera, 50 g de jamón cocido, una rebanada de pan integral de 40 g con 5 g de margarina y 5 g de mermelada. Para “quemar” los alimentos ingeridos decide hacer montañismo. Si sólo el 25% de la energía adquirida con el desayuno se transforma en energía mecánica, ¿cuánto tiempo dura en la actividad?

Datos: 100g de los alimentos presentan el siguiente contenido energético: 59kcal (leche entera), 171kcal (jamón cocido), 289 kcal (pan), 733kcal (margarina), 270kcal(mermelada); información de desgaste de energía en el URL: http://www.kelloggs.es/nutricion/abcnutricion/pdf/capitulo4.pdf

ENERGÍA QUÍMICAENERGÍA QUÍMICA

• Se evalúa en los procesos donde ocurre una reacción química, así:

kgmol

kcalH

kgmol

kcal

kgmol

kcal

kgmol

kcalH

HHHH

COCaOCaCO

Ejemplo

reaccióndeCalorH

HHH

Q

Q

CaCOFCOFCaOFQ

Q

RPQ

748,43

5,289052,947,151

:

32

23

+=∆

−−

−+−=∆

∆−∆+∆=∆+→

=∆

∆−∆=∆ ∑∑

• En el empleo de combustibles para desarrollar energía química en las maquinas, el cálculo energético se realiza con el poder calorífico (PC) del combustible, así:

ENERGÍA QUÍMICA = MASA DEL COMBUSTIBLE X PC DEL COMBUSTIBLE

• Por lo tanto, el balance de energía es:

ENERGÍA QUÍMICA DESARROLLADA= ENERGÍA TÉRMICA EMPLEADA +ENERGÍA PERDIDA

• En cuanto al balance de materia de una reacción química, se cumple que la masa que entra igual a la masa que sale, y que las moles que entran son diferentes a las moles que salen

EJERCICIOSEJERCICIOS

1. Realizar el ejercicio 2 (p.59) del Manual de Procesos Industriales, volumen II.

Datos: Poder calorífico del gas natural 42,336 MJ/m3; del petróleo41,840x109 J/t; del carbón 29,300 x109 J/t; de la madera 19 MJ/kg. Otros poderes caloríficos en el URL:

http://onsager.unex.es/Apuntes/Termo/Tablas-Tema-3.pdf

2. En un quemador se introduce butano con 25% más del aire teórico necesario. Si se queman 85m3/h medidos a 20°C y 760mm de Hg, ¿qué cantidad de aire se requerirá a las mismas condiciones?¿Cuál será la composición y el volumen de los gases salientes si estos están a 800°C y 1 atmósfera?¿Cuánto calor se genera durante la combustión?

Datos: Poder calorífico del butano 45790kJ/kg

Reacción: C4H10+02 CO2+H20

Ecuación de gases ideales: pV=nRT

EVALUACIÓN DEL FLUJO DE ENERGÍAEVALUACIÓN DEL FLUJO DE ENERGÍA

• En un diagrama de flujo de bloques analizar las formas de energía empleadas y las fuentes de las mismas (p 56)

• Después, realizar los balances de energía • Finalmente, revisar los recursos empleados en

el proceso desde el flujo de energía y consignarlos en el formato de esta estructura (p 55)

FORMATOFORMATO

FASEOPERA-

CIÓNTIPO DE ENERGÍA

APLICA-CIÓN

FUENTE

MEDIO DE

TRANS-FEREN-

CIA

MECA-NISMO

DE TRANS-FEREN-

CIA

SERVI-CIO

INDUS-TRIAL

CONSU-MO

ACTIVI-DADES ANTE-

RIORES QUE

CONSU-MEN

ENERGÍA

OBSER-VACIO-

NES

I

II

III

REVISAR PÁGINA 43

RÓTULO