Tema 1: Aspectos fundamentales

La variación de ENERGÍA de un sistema puede producirse por

• Trabajo intercambiado (flujo)

• Calor intercambiado (flujo diferencia de temperatura)

• Entrada y salida de masa que transporte energía (flujo entalpía)

• Transformación a otro tipo de energía (energía del sistema, no flujo)

Clasificación de las energías según su aparición en la naturaleza y consumo

• Energías primarias: Recurso energético (naturaleza)

• Energías intermedias: Transformaciones (primaria a final)

• Energías finales: Consumo final (prácticamente son las que se venden para su consumo final: electricidad, combustibles)

Situación actual del sistema español

• Petróleo tiene supremacía

• Carbón (desapareciendo) desplazado por el gas

• Nuclear mantenido (baja por cierre de reactores)

• Gas y petróleo empiezan a sustituirse por renovables

• Sector transporte dominado por el petróleo es muy importante proporcionalmente en España

• Gas y electricidad dominan de forma casi completa sectores industrial, terciario y doméstico

• La energía final es considerablemente más baja que la primaria (pérdidas de transformación y transporte)

Consumo de energía por sectores, características

• Muy Altos % consumo en sector industrial habitualmente muestra baja eficiencia energética debido al uso de tecnologías obsoletas

• Alto % consumo en transporte suele estar unido a bajas densidades de población y alta extensión territorial (elevado transporte por carretera)

• Altos % consumos en sectores residencial y servicios muestran alto grados de desarrollo económico y climas fríos o cálidos.

• Altos % consumos en sectores primarios habitualmente suponen bajos desarrollos económicos.

Intensidad energética de un país

Relación entre el consumo de energía y el producto nacional bruto (o el Interior bruto).

Criterio energético

Todas las energías son intercambiables y cuantitativamente equivalentes.

Criterio exergético

Dado que no todas las energías son transformables íntegramente en trabajo, la calidad de una energía depende de la parte de la misma que sí es transformable en trabajo, es decir, de la exergía.

Energías de alta calidad

- Mecánica

- Eléctrica

- Química

Energías de baja calidad

- Térmica (calidad depende de la temperatura)

Rendimiento de las transformaciones

La definición más general de rendimiento de una transformación, una máquina o un sistema puede expresarse como la relación entre el efecto útil y el coste puesto en juego (energía a la entrada): rendimiento = efecto útil/coste puesto a disposición.

En cada caso hay que particularizar esa definición general para evaluar adecuadamente el efecto útil y sobre todo el coste puesto a disposición.

Este último depende de si hay aprovechamientos posteriores o no de la energía a la salida que no se utiliza en el uso principal (pe humos caldera).

Efecto de la potencia sobre el rendimiento

Hay en efecto claro del tamaño (potencia) del sistema sobre el rendimiento, con una tendencia a aumentar el rendimiento a medida que es tamaño el mayor.

Hay varias razones para ello:

▪ Los sistemas son más adiabáticos cuanto mayores son, reduciendo las pérdidas de calor.

▪ La fricción es cuantitativamente menor a medida que crece el tamaño.

▪ Los sistemas de mayor tamaño y potencia se diseñan con criterios que minimizan las pérdidas para reducir los costes de funcionamiento a lo largo de la vida.

Válvula de laminación

Proceso isoentálpico (h=cte): he=hs

No se intercambia ni calor ni trabajo. El gasto másico a la entrada es igual que a la salida, por lo que se puede trabajar con propiedades específicas. entalpía por unidad de masa (J/kg). Proceso irreversible

Intercambiador de calor

Intercambio de energía térmica entre dos sistemas abiertos mediante la transmisión de calor a través de la pared del intercambiador Qcf=UAΔTcf .En cada lado del intercambiador, el gasto másico a la entrada es igual que a la salida.

Expansión de gas en una turbina

El proceso de referencia es isoentrópico (adiabático y reversible), si bien en la práctica hay ciertas irreversibilidades y pérdidas de calor, por ser estas últimas relativamente pequeñas, en el análisis siguiente se supone que no existen pérdidas de calor.

El gasto másico a la entrada es igual que a la salida (no hay fugas) por lo que se puede trabajar con propiedades específicas.

Si la turbina no es perfectamente adiabática y hay pérdidas de calor.

Proceso de combustión (reacción química exotérmica)

La energía del combustible equivale al calor de la reacción de combustión en procesos a P y T constante. La energía de los reactivos (química (alta) y sensible se convierte en la energía de los productos (química (baja) y sensible) más el calor que se desprende. La máxima energía aprovechable en equipos térmicos o motores térmicos se obtiene del producto del poder calorífico Hc del combustible por el gasto de combustible que reacciona.

Caldera de agua/vapor/fluido térmico

El balance de energía en una caldera consiste en evaluar la transformación de la energía del combustible aportado, primero en energía térmica de los gases de combustión y luego en energía térmica del fluido que se calienta (agua, vapor, aceite térmico), restando una cierta energía en los gases en el escape más un término de pérdidas a través de las paredes de la caldera más combustible inquemado

Motor de combustión interna alternativo (MCIA)

El balance de energía en el motor consiste en evaluar la transformación de la energía del combustible aportado, primero en energía térmica de los gases en la cámara de combustión y luego en energía mecánica, con una parte como calor cedido a las paredes y otra como energía térmica de los gases de escape