Mario Robles

Anahí Reynoso

Enrique Murillo

BALANCE DE ENERGÍA

Balance de energíaSupóngase que se somete a un sistema en un estado energético Supóngase que se somete a un sistema en un estado energético específico, a algún proceso que provoca que cambie dicho estado. específico, a algún proceso que provoca que cambie dicho estado.

Como la energía no puede crearse ni destruirse, para todos los Como la energía no puede crearse ni destruirse, para todos los casos debe cumplirse que:casos debe cumplirse que:

Todos los cambios de energía del sistema, entre los estados inicial y Todos los cambios de energía del sistema, entre los estados inicial y final, se pueden explicar mediante intercambios de energía entre el final, se pueden explicar mediante intercambios de energía entre el sistema y sus alrededores. sistema y sus alrededores.

Para convertir esta expresión cualitativa a una ecuación de balance Para convertir esta expresión cualitativa a una ecuación de balance útil, necesitamos especificar las formas en que estos intercambios útil, necesitamos especificar las formas en que estos intercambios de energía pueden ocurrir.de energía pueden ocurrir.

Balance por intercambios de energía

En lo que respecta a la energía asociada con la masa, se divide en tres tipos:

Energía interna (U)Energía cinética (K)Energía potencial (P)

También la energía puede transferirse por:

Calor (Q).Trabajo (W).

La generación o consumo de energía dentro del sistema estará dada por reacción química o causada por algún campo eléctrico o magnético externo.

Formas de energía en transición: TRABAJO

Cuando el sistema efectúa trabajo sobre sus alrededores, les transfiere cierta cantidad de energía.

De igual forma, cuando los alrededores efectúan trabajos sobre un sistema, el contenido de energía del sistema aumenta.

Formas de energía en transición: CALOR

Cuando se coloca a un sistema que está a una temperatura determinada dentro de un medio que se encuentra a una temperatura mayor, la temperatura del sistema aumenta en tanto que la temperatura de sus alrededores podría bajar.

La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Cuando dos objetos de diferente energía térmica se ponen en contacto, se transfiere energía de uno a otro.

Por ejemplo:

Supongamos que se vacía una cubeta de carbón caliente en un recipiente con agua, el carbón transferirá energía térmica al agua hasta que los materiales tengan la misma temperatura; a esto se llama equilibrio térmico.

Ecuación general de balance de energía:

No todos los términos están en juego en algunos casos el valor de los términos es muy pequeño que puede ser despreciable.

Ṹ

Transferencia de calor  La cantidad de calor transferido durante un proceso de denota por Q y su unidad en el

S.I. es el Julio ( J ) .

 La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es la velocidad de transferencia de calor se denota por  . Su unidad en el S.I. es el J / Q = W .

Q

Conocida la velocidad de transferencia de calor se puede determinar la cantidad de calor transferida en un intervalo de tiempo por:

Sistemas cerrados Un sistema es cerrado cuando la masa no atraviesa los límites del

sistema durante el periodo del balance de energía. En consecuencia el balance de energía para este sistema es el siguiente: Energía neta transferida = Energía final – Energía inicial

Resultando: Q + W = ΔU + ΔEc + ΔEp, como W=0.

Tenemos Q = ΔU + ΔEc + ΔEp

De donde: Q = Flujo calorífico transferido.

W = Trabajo realizado en sistema.

U = Variación de la energía interna.

ΔEc = Variación de la energía cinética.

ΔEp = Variación de la energía potencial.

Sistemas abiertos

Un sistema es abierto cuando la masa atraviesa los límites del sistema durante el periodo del balance de energía.

En consecuencia el balance de energía para este sistema es el siguiente;

Energía neta transferida = Energía final – Energía inicial

Resultando: Q + Ws = ΔH + ΔEc + ΔEp De donde: Q (Flujo calorífico transferido), Ws

(Trabajo realizado en el sistema, ΔH (Variación de la entalpía), ΔEc (Variación de la energía cinética), ΔEp (Variación de la energía potencial).

Balance de energía en un intercambiador de calor.

Eficiencia en el intercambiador de calor

BALANCE DE ENERGÍA EN UNA SUPERFICIE

-- Una superficie no contiene ni volumen ni masa y, por tanto, tampoco energía. Se puede considerar como un sistema ficticio cuyo contenido de energía permanece constante durante un proceso. El balance de energía será: Eentra = Esale

-- Balance de energía para la superficie exterior de una pared

-- Eentra = Esale => Q1-punto = Q2-punto + Q3-punto -- Cuando no se conocen la direcciones de transferencia se pueden suponer todas entrantes ( dirigidas a la superficie ) y el balance de energía será: Eentra = 0

Algunas aplicaciones de los balances de energía en la Industria

Recuperación máxima del Calor: optimización energética del proceso.

Calentamiento o enfriamiento de un fluido.

Producción Efectiva de Calor en Hornos y Calderas. Cálculo de

Perdidas y Aislamientos. Optimación de los Procesos de Obtención de

Energía Eléctrica (Cogeneración).

Cálculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor

Cálculo de la energía mecánica necesaria que hay que comunicar a un

fluido para mantenerlo en movimiento

Sistemas donde se pueden aplicar un balance de energía:

- Una planta química completa: Por ejemplo,

Una refinería. (Complejo síntesis de

amoniaco)

- Un proceso de una planta: p.ej. Fabricación

de olefinas

Algunas aplicaciones de los balances de energía en la Industria

Unidad de una planta: p.ej. Columna de rectificación, reactor

Algunas aplicaciones de los balances de energía en la Industria

Cambiadores de Calor

Balances entálpicos Aplicación a sistemas en régimen estacionario

que intercambian calor con el medio.

Incluye cambios en la temperatura, en el estado de agregación o en la naturaleza química de las sustancias.

No se considera la contribución de la energía mecánica (variaciones de energía potencial y cinética despreciables) al estado energético del sistema.

Aplicaciones de Balances entálpicos Cálculo de la cantidad de calor (Q) necesaria para modificar la

temperatura, estado de agregación o naturaleza química de un determinada cantidad de materia.

Cálculo del caudal de fluido refrigerante o de calefacción necesario para mantener las condiciones de trabajo de una operación.

Cálculo de los caudales de calor intercambiado requeridos para que una operación se realice en condiciones isotérmicas o adiabáticas.

Cálculo del consumo de combustible para producir el calor necesario en una operación.

Calculo de Rendimientos y Propuestas de estrategias