EQUIPO # 5

Delgado Cabrera Rolando Cesar García Ortiz EvertLópez Zapatero Luis Oscar Ramírez Martínez Javier Alejandro

Balance de energía

MARIO ROBLES

ANAHÍ REYNOSO

ENRIQUE MURILLO

METODOLOGIA PARA RESOLVER ALGORITMOS DE BALANCE DE

ENERGIA

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

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

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

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

Ejemplo: Una caldera utiliza metano como combustible. Al quemador se alimenta aire en un 15% de exceso sobre el estequiométrico. El metano se alimenta a 25 ºC y el aire a 100 ºC. Los gases de combustión abandonan la caldera a 500 ºC. Determinar la cantidad de vapor de agua saturado a 20 atm (temperatura de equilibrio, 213 ºC) que se produce en la caldera si a la misma se alimenta agua a 80 ºC.

CH4, 25 ºC

Aire ( 15% exceso)100 ºC

Agua 80 ºCAgua vapor (20 atm Tequilibrio=213ºC)

500 ºC- CO2

- O2

- N2

- H2O

Hc metano (25ºC) = -55600 kJ/kg

CH4 + O2 CO2 + 2 H2O

B.C. 100 kmoles CH4 - CO2 = 100 kmoles- O2 = 30 kmoles- N2 = 865,2 kmoles- H2O = 200 kmoles

Aire- O2 = 230 kmoles

- N2 = 865,2 kmoles

CH4, 25 ºC

Aire ( 15% exceso)100 ºC

Agua 80 ºCAgua vapor (20 atm Tequilibrio=213ºC)

500 ºC- CO2

- O2

- N2

- H2O

Hc metano (25ºC) = -55600 kJ/kg

CH4 + O2 CO2 + 2 H2O

Comp.

CH4

O2

N2

H2O

CO2

Cp (kJ/kg)

kmol

100

230

865,2

-

-

kg

1600

7360

24225

-

-

Tª(ºC)

25

100

100

-

-

kmol

-

30

865,2

100

200

kg

-

960

24225

4400

3600

Tª(ºC)

-

500

500

500

500

Entrada Salida

CH4, 25 ºC

Aire ( 15% exceso)100 ºC

Agua 80 ºCAgua vapor (20 atm Tequilibrio=213ºC)

500 ºC- CO2

- O2

- N2

- H2O

Q HΣ ΔHHΣ Tref-Tss

Trefr

Tref-Tee

Tª de referencia: 25 ºC Hc metano (25ºC) = -55600 kJ/kg

e

iiirefeipi

e

i

TrefTee mTCmH ,,

Cambio calor sensible Cambio calor latente

Ningún compuesto sufre cambio de estado entre esas tªs

kJ

CCkgkJkgH TrefTee

255453)25100)(09,1)(24225(

)25100)(04,1)(7360()º2525(º/)19,2()1600(

CH4 O2

N2

CH4, 25 ºC

Aire ( 15% exceso)

Agua 80 ºCAgua vapor (20 atm Tequilibrio=213ºC)

500 ºC- CO2

- O2

- N2

- H2O

s

iiirefsipi

s

i

TrefTss mTCmH ),,

Cambio calor sensible Cambio calor latente

H2O

kJkgkJkg

CCkgkJkgH TrefTss

4,27528744)25100)(18,4)(3600(/)2382()3600()100500)(96,1)(3600(

)º25500(º/)95,0)(4400()09,1)(24225()04,1)(960(

CO2, O2, N2

H2O

CH4, 25 ºC

Aire ( 15% exceso)

Agua 80 ºCAgua vapor (20 atm Tequilibrio=213ºC)

500 ºC- CO2

- O2

- N2

- H2O

64 109,88)/55600(1600

4 CHkgkJkgCHTref

rΔH

kJ6666 1064109,8810105,27

0,25-

HΣ ΔHHΣQ Tref-Tss

Trefr

Tref-Tee Balance en el

reactor

OHpLOH mTcmQ22

)(

kgkJmCCkgkJm OHOH /1885)º80213(º/18,4106422

6

Balance en el cambiador

kgm OH 262192