4.- CENTRALES DE PRODUCCIÓN ALTERNATIVAS

ACTIVIDADES

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3.- PRODUCCIÓN DE ENERGÍA CONENCIONAL

 1.- EL CARBÓN

ACTIVIDADES

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FORMULARIO


https://youtu.be/Apg_aEwvzGM

 2.- EL PETRÓLEO

ACTIVIDADES

1.- Calcula el poder calorífico del butano en Kcal/m ³ cuando su presión es 3 atm y está a 25ºC si dicho valor en condiciones normales (1 atm y 0ºC) es 28700

SOLUCIÓN
 El poder calorífico se puede obtener como Pc=Pc (ec cn) (Kcal/m ³), se calcula como
 Pc *p(273/273+T)
Sustituyendo valores  28700 * 3* 273 / 273+25 = 78877 Kcal/m ³
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FORMULARIO

 3.- LA ENERGÍA NUCLEAR

ACTIVIDADES

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FORMULARIO

4.- CENTRALES HIDROELECTRICAS

ACTIVIDADES

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FOMULARIO

ANEXOS

1.- CENTRALES DE CICLO COMBINADO

TURBINAS

La turbinas son máquinas que motoras que debido a la compresibilidad de los fluidos transforman la energía hidraúlica  (diferencia de presiones) para generar un par motor en el eje de la máquina. Sus elementos clave son el distribuidor, rodete y difusor. El elemento principal es el rodete. Resulta complicado clasificar las turbinas pero se podrían diferenciar 2 grandes tipos de eje transversal y axial dependiendo la dirección del fluido y la del eje de la turbina. Atendiendo al tipo de fluido diferenciaríamos entre las turbinas de gas y las turbinas hidrúlicas. Y si las clasificamos según el tipo de rodete, tendriamos las Pelton, las Kaplan, las Francis las turbinas bombas y los grupos bulbo. Para centrales hidraúlicas y dependiendo del salto se utilizan las 3 primeras

1.- Turbina de gas

2.- Turbina Francis

3.- Turbina Kaplan

4.- Turbina Pelton

Las plantas de turbinas de vapor deben ser diseñadas y optimizar los parámetros de diseño y funcionamiento. Por ello, analizaremos la influencia de la presión, la temperatura del vapor vivo y la presión de condensación sobre el trabajo útil, la potencia y el rendimiento de la instalación.

1.- INFLUENCIA DE LA PRESIÓN DEL VAPOR A LA ENTRADA DE LA TURBINA

            Si partimos de presiones de vapor bajas el salto energético aumenta con la presión, debido a que la energía del vapor aumenta con la presión, en cambio la del líquido no. A presiones muy elevadas la energía del vapor empieza a disminuir, por lo que existirá un valor óptimo.

            Al aumentar la presión la temperatura media de aporte de calor es mayor, aumentando el rendimiento teorico.

            Finalmente el aumento de la presión sobre la cantidad de vapor es negativa. Al aumentar la presión el punto final del diagrama se encuentra cada vez más alejadode la línea de valor saturado aumentando la fracción húmeda.

2.- INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR VIVO.

            El aumento de la temperatura es beneficioso para el trabajo específico, para el rendimiento y reduce la fracción húmeda a la salida de la turbina. Sin embargo, la temperatura no se puede elevar todo lo que se desee por razones económicas y mecánicas, ya que se requieren materiales que resistan los esfuerzos a altas temperaturas. El límite se encuentra en unos 560ºC.

3.- INFLUENCIA DE LA PRESIÓN DE CONDENSACIÓN.

            El trabajo específico y el rendimiento aumentan conforme la presión de condensación disminuye, ya que el foco frío disminuye su temperatura. La humedad, por su parte, aumenta al disminuir la presión de condensación, lo que perjudica a la turbina.

            La tendencia deseada es reducir al máximo la presión de condensación por la mejora que experimentan la potencia y el rendimiento, ya que el aumento de la fracción húmeda se puede evitar, utilizando el ciclo con recalentamiento. El valor de la presión de condensación es tanto más bajo cuanto mejor sea el diseño del condensador, pero siempre será tal que la temperatura de saturación sea mayor que la ambiental.

EL ALTENADOR

2.- LA INDUSTRIA DE LA ENERGÍA

La industria cubre las necesidades de nuestra sociedad, desde las más básicas como la alimentación y el textil hasta las más caprichosas como el diseño o los nuevos adelantos tecnológicos. La energía es un bien necesario y por ello la industria energética es tan importante que tiene que ser regulada mediante acuerdos políticos. Al igual que otras industrias, la energética parte de materias primas que transforma y distribuye a los consumidores. El consumo energético es considerados un parámetro que indica el grado de desarrollo y riqueza de un país. Sin embargo, su desarrollo está creando nuevos retos y problemas para las sociedades actuales y las venideras. El derroche de las materias primas puede provocar un futuro colapso, que de no ser reparado a tiempo, tendrá graves consecuencias en el futuro. La industria energética tiene que ser sostenible y la sostenibilidad debe ser un factor a considerar en cualquier politica que refiera a esta industria.
La sostenibilidad energética puede empezar por pequeños gestos en la educación de los ciudadanos. El correcto aislamiento de las viviendas  es una de las medidas correctoras más difundida. También se recomienda un uso adecuado de los electrodomésticos (frigorífico, lavadora, lavavajillas, aire acondicionado, calefacción, etc..). Finalmente han surgido nuevos artículos que sin un coste excesivo en nuestros presupuestos pueden ser útiles en este aspecto como las bombillas de bajo consumo, o la utilización del gas natural. Un consumo sostenible supone un ahorro energético, de agua y reducción de la basura.
Una de las principales fuente de problemas energéticos la constituye el transporte. En numerosas ocasiones se ha hablado de que los transportes privados consumen energía, contaminan y contribuyen al cambio climático debido a la emisión de dióxido de carbono. Los avances y alternativas en este sentido no pocas. El cambio de combustible o el uso de electricidad parece una posibilidad. Sin embargo, los coches eléctricos están poco desarrollados y el uso de combustibles alternativos aún menos. Aunque el transporte público se mejora cada día, aún es inevitable el uso del coche.
En la industria, una gran consumidora de energía también se han hecho algunos progresos para mejorar la sostenibilidad. Entre otros señalamos los siguientes:

1. Mejor iluminación natural. Con un mejor diseño de los edificios para un mejor aprovechamiento de la luz solar.
2. Maquinaria y equipos. Los modernos equipos suelen ser más eficientes que los anteriores.
3. Aprovechamiento de las horas de poca demanda energética.
4. Disponer de medios que eviten la contaminación en aguas y aire, colocando filtros o realizando los procesos de depurado adecuados.
5. Mejor aislamiento térmico
6. Uso de la cogeneración. Cogenerar es generar energía eléctrica y térmica al mismo tiempo. Volveremos sobre este punto más tarde.

La industria energética obtiene energía de fuentes de energía primaria. Dependiendo de que sean limitadas o ilimitadas pueden ser renovables o no renovables. El gran problema es que la mayoría de las fuentes de energía utilizadas (convencionales) son no renovables y eso puede dar lugar a una grave crisis en el futuro si no se encuentran nuevas fuentes (alternativas). Además las fuentes convencionales, y en su mayoría no renovables, suelen ser muy contaminantes. Lo que supone un problema adicional en la industria energética.

Actualmente las fuentes primarias de energía son:

1.- Combustibles fósiles. El carbón, el petroleo y el gas natural son los combustibles más frecuentemente utilizados. Pero, lógicamente, son no renovables y además altamente contaminantes. También es cierto que la energía efectiva que se obtiene de las máquinas térmicas es escasa. Sus rendimientos oscilan alrededor del 35%. Todo ello hace que en se piense en alternativas más favorables en lo referente a rendimiento y limpieza. Pero aún es pronto y las opciones no están bien desarrolladas.

2.- Uranio. La energía nuclear supone el 20% de nuestra energía actual. El uranio también es un recurso no renovable. En su favor que es una energía más limpia y en su contra la peligrosidad y el bajo rendimiento.

3.- Energías alternativas. Existen un sinfín de otras energías que aún están desarrollándose. Entre las más prometedoras está la energía eólica que aprovecha la energía cinética del viento. La energía solar en sus variantes térmica y fotovoltaica es una de las primeras alternativas para ser una energía del futuro. La geotérmica (calor del núcleo terrestre) y la maremotriz, aunque aún poco desarrolladas, podrían ser alternativas interesantes en un futuro próximo.

El siguiente esquema ofrece una perspectiva general de las diferentes centrales actuales de producción energética.

Una vez producida la energía debe ser transportada y distribuida a nuestros hogares.

Al comienzo de este post hemos hablado de la cogeneración como una forma de ahorro energético. Las plantas de cogeneración podrían entenderse como centrales térmicas, que producen calor y energía eléctrica al mismo tiempo. En este tipo de plantas se utiliza principalmente gas natural, biogas y el gas de vertederos, todos ellos variantes del metano. Para la producción de energía eléctrica se puede emplear turbinas  o motores con ciclos diesel. La cogeneración ahorra energía y reduce la contaminación.

ACTIVIDADES

1.- Una familia quiere iluminar una sala de estar en la que utiliza luz artificial unas 5 horas al dia, como media anual. Tiene para elegir en el mercado entre 3 opciones:

a) Bombilla convencional de 100 w. Su valor en el mercado es de 2€ y su duración 1000 horas.

b) Lámpara halógena de doble envoltura de idéntica iluminación que la anterior y su valor es 9€ y de duración el doble que la anterior. Ahorra un 10% con respecto a la anterior.

c) Lámpara de bajo consumo. Para la misma luz consume 20w y su valor es 18€, su duración se estima en 8 veces más que la primera.

Sabiendo que el Kwh cuesta 1€, ¿cuál es más barata?

Para resolver el problema hemos utilizado una hoja de cálculo que no ha permitido hacer un estudio comparativo de las 3 opciones. Se puede consultar en el siguiente enlace.

HOJA DE CALCULO

La mayor duración de la bombilla de bajo consumo la hace más barata que el resto. Más si se considera que en periodos superiores a 1 año el ahorro será mayor. Pero además del ahorro energético está la ser solidario con la sostenibilidad

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FORMULARIO

2.- SOLUCIÓN AL FORMULARIO

1.- Nuclear

2.- Uranio

3.- Agua

4.- Turbinas

5.- Aumentando el voltaje

6.- Variar el voltaje

7.- Usar bombillas incandescentes

8.- Fluorescencia

9.- Parar el motor

10.- Obtener energía térmica y eléctrica.

1.- PRODUCCIÓN DE ENRGÍA: INTRODUCCIÓN

No podemos concebir nuestra sociedad actual sin la palabra ENERGÍA. Pero que es en realidad la energía y por qué se considera de tanta importancia en nuestra sociedad. Desde el punto de vista científico la energía es la capacidad de generar trabajo. La ciencia la considera un concepto de tal importancia que su estudio ha dado lugar a la TERMODINÁNICA. Pero además de las implicaciones científicas, la energía es importante en el mundo tecnológico porque sin ella no se pueden construir máquinas que es la función fundamental de la INGENIERIA. La necesidad de la energía para poner en funcionamiento nuestro mundo hace que sea importante dentro de la política y la economía de cualquier país desarrollado. Desarrollaremos el concepto de ENERGÍA desde el punto de vista tecnológico.
La característica más importante de la energía parece ser su facilidad en transformarse. Esta característica ha dado lugar a la famosa frase:

"La energía no se crea ni se destruye tan sólo se transforma"

A lo que la Termodinámica convirtió en su primer principio:

"Es imposible producir trabajo sin hacer variar la energía"

La expresión matemática de dicho principio da lugar a una función de estado (magnitud cuyo valor sólo depende del estado inicial y final y no del camino recorrido) denominada energía interna (E),  y que de alguna manera refleja las diferentes configuraciones de las moléculas.

ΔE = Q - W

El calor Q, en termodinámica representa todos los tipos de energía y el trabajo W se asocia con el desplazamiento de una fuerza. 

Hemos comentado que existen diferentes tipos de energía y que el calor es sólo una de ellas. En la siguiente tabla recogemos los diferentes tipos de energía, su forma de cálculo y algunas de sus peculiaridades más interesantes.

NOMBRE	DEFINICIÓN	FORMA DE CÁLCULO
MECÁNICA	Es el tipo de energía que se asocia a las fuerzas	E. mecánica= E. cinñetica + E. potencial
CINÉTICA	Es la energía de un cuerpo debido a su movimiento	E. cinética = 1/2 m v 2 ;
POTENCIAL	Energía asociada a la posición de un cuerpo en el espacio. Generalmente por encontrarse en un campo conservativo	E potencial = m g h
ELECTRICA	Energía producida por las cargas electricas, tanto estáticas como en moviento	E = V I t
TÉRMICA	El calor es una forma de energía en tránsito asociada al movimiento de las partículas que forman un cuerpo. Se manifiesta mediante cambios en la temperatura (calor sensible) o cambios de estado (calor latente). Puede intercambiarse mediante conducción (partícula a particula), convección (en fluídos debido a cambios de densidad) o por radiación (como rayos infrarrojos).	E= m cp Δ t E = m L
QUÍMICA	Toda reacción química lleva asociada un intercambio de energía que se conoce como calor de reacción y por ser procesos a presión constante se puede asociar a cambios entalpicos (función de estado temodinámica).	Depende del tipo de reacción química
RADIANTE	Energía asociada con las ondas electromagneticas	Depende del fenómeno electromagnetico
NUCLEAR	La energía propia de la materia  y procesos de fusión o fisión nuclear.	E = m c 2
BIOQUÍMICA	Asociada a procesos biológicos	Depende del proceso

Como cualquier magnitud física la energía precisa de una unidad para su medición. En el caso de la energía dicha unidad es el julio en el Sistema Internacional, pero existen otras unidad de energía que son muy interesantes y frecuentemente utilizadas. La más conocida es la caloría. Una caloría es el calor puesto en juego para elevar un grado centígrado (de 14,5 a 15,5) la temperatura de un gramo de agua. Equivale a 4,18 julios. El kilovatiohora (Kwh) es otra unidad muy conocida. Es la energía correspondiente a una potencia de un Kw durante una hora. Si el Kw=1000 w y la hora a 3600 s, se puede hallar fácilmente la equivalencia en julios, 3,6 millones de julios. Existen otras, como la tonelada equivalente de petroleo, que quizá utilicemos en esta unidad didáctica.

Aunque la energía se pueda transformar existen algunas transformaciones que no son posibles y han dado lugar al segundo principio de la Termodinámica definiendo otra función de estado denominada entropía. La degradación de la energía hace que el rendimiento de las máquinas nunca sea del 100%, aunque algunos motores se acerquen mucho.

Nuestra sociedad y la naturaleza existe gracias a las transformaciones energéticas, por eso la energía es tan importante para nosotros.

FORMULARIO

ACTIVIDADES

1.- Desde un helicóptero a una altura de 100m, se suelta un objeto de 2Kg. Calcula la energía mecánica, cinética y potencial en los siguientes puntos:

a) Antes de soltar el objeto

b) Cuando está a 50 m del suelo

c) Cuando está a 10 m del suelo

d) Justo antes de impactar.

a)Recordemos que la energía mecánica es la suma de las energías potencial y cinética, por lo que su valor deberá ser constante a lo largo de todo el proceso. La energía potencial depende de la posición y se calcula mediante Ep = m g h. La cinética depende de la velocidad y se calcula como Ec= 1/2 m v ^2.
Comencemos por calcular la energía potencial antes de soltar el objeto.
 Ep = 2 Kg. 9,8 m/s2 100m =1960 J y es igual a la energía mecánica siendo la energía cinética 0J

b) A mitad de recorrido la energía potencial se habrá reducido a la mitad es decir a 980 J, pero la mecánica deberá seguir siendo 1960 J, por lo que la cinética será el resto, es decir los otros 980J.

c) Cuando está a 10 m del suelo, la energía potencial será Ep= 2Kg 9.81 m/s2 10m = 196 J, pero la energía mecánica seguirá siendo 1960 J, por lo que la energía cinética ahora será 1960J-196 J = 1764J

d) Si la altura es cero la energía potencial también y toda la energía mecánica será energía cinética y por lo tanto ambas son 1960 J

2.- Una placa de vitrocerámica de 220V por la que circulan 5 A está conectada 2 h ¿Qué energía ha consumido?

Sabiendo que la energía eléctrica tiene como forma de cálculo E = I V t, sólo hay que sustituir los valores y operar

E = 5 A 220V 2h 3600 s/h = 7, 92 10 ⁶ J

3.- Una bombilla conectada a 220 V, con una potencia de 100 W está encendida 3 horas como media al día. Calcula la energía en Kwh y en J, que consume en un mes.

Un mes son 30 días y al día consume E= 100 w / 1000 Kw/w *3 h  = 0,3 Kwh/ día. Por lo que en un mes (30 días) es 0,3 Kwh /dia *30 dias = 9 Kwh 
Dicha cifra hay que pasarla a julios lo que significa multiplicar 9Kwh por  3,6 10 ⁶ J/Kwh, resultando finalmente 3,24 10 ⁷ J.

4.- Se dispone de un motor para bombear agua a un depósito que se encuentra a 20 m de altura. Calcula el rendimiento si con 2Kg de combustible suministramos al deposito 50.000 litros. DATOS Poder calorífico del combustible 3500 Kcal/Kg y 1l de agua es 1Kg.

La energía suministrada por el combustible es 2Kg * 3500 Kcal/Kg = 7000 Kcal.
El trabajo realizado será 
Ep = m g h = 50.000 Kg * 9.8 * 20m  / 4,18 Cal/J *1000 Kcal/cal = 2344,5 Kcal

Por lo que el rendimiento será 2344,5 Kcal/7000 Kcal *100 = 33, 5 %.

5.- Calcula la variación de energía de un sistema en los siguientes casos:

a) El sistema absorbe 1000 cal y realiza un trabajo de 1500 J

b) El sistema absorbe 700 cal y recibe un trabajo de 40 Kpm

c) Del sistema se extraen 1200 cal.

Según el primer principio de la Termodinámica no se puede producir trabajo sin variar la energía. Su enunciado matemático precisa de una función de estado denominada energía interna y que según la Termodinámica estadística estaría asociada físicamente al estado de vibración y/o movimiento de las partículas (átomos/iones/moléculas) de la materia. Según dicho principio los intercambios energéticos pueden ser positivos o negativos dependiendo entren o salgan del sistema. El criterio de signos resulta a veces complejo. El siguiente gráfico intenta explicar dicho criterio

 Y la expresión matemática del primer principio resulta  Δ U= Q-W . Ahora podremos resolver el problema:

a) Δ U= Q-W = 1000 cal *4,18 J/cal - 1500 J = 4180 J-1500 J = 2680 J
b) Δ U= Q-W = 700 cal *4,18 J/cal - (-40 Kpm * 9,8 J/Kpm) = 2926 J + 392 J = 3318 J
c) Δ U= Q-W = -1200 cal *4,18 J/cal -0 J = -5016 J

6.- Un motor de gas de 1,2 CV hace funcionar una grúa. Se desea elevar un peso de 1000 Kg a una altura de 27 m. Calcula el volumen de gas que debe quemar el motor. Datos Poder calorífico del gas 7500 Kcal/m3; rendimiento del motro 15%.

El trabajo que debemos realizar corresponde a un aumento de energía potencial, cuyo valor es

Ep = m g h = 1000 Kg 9,81 m/s2 27 m = 2, 65 10 ⁵ J.

Como el rendimiento del motro es del 15%, significa que hay que suministrar al motor 

0,15 = W/ E   E = W/ 0,15= 2,65 10⁵ J /0,15 = 1,76 10 ⁶ J = 1, 76 10⁶ J / 4,18 Cal/J = 4,2 10⁵ cal

Y dicha energía proviene del combustible, suponiendo que el rendimiento de la combustión sea del 100%

                                                           420 Kcal = Pc * V = 7500 Kcal/ m3 = 0,056 m3= 56 l

Es decir se precisan 56 l de combustible.

7.- FOMULARIO

1.- Inducción
2.- 100 W *2 h*7= 1400 wh=1,4 Kwh
3.- Si no hay movimiento no hay energía cinética
4.- W = F *d ==== F= W/d = 80 J/ 10 m = 8 N
5.- 80J / 4,18 J/cal = 19 cal
6.- Enegía térmica
7.- Electrolisis
8.- W= mgh = 10000 Kg 9,8 20m = 1960000 J y ha consumido E= 220 V 10A 3600 s=7920000 J
El rendimiento es  1960000 J / 7920000 J = 0,25 
9.- ΔE = Q-W