Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y acs en los edificios. ENAC0108
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La conversión de los valores en la escala Fahrenheit al Sistema Internacional requiere de la aplicación de una proporcionalidad directa.
Escala Kelvin
La escala Kelvin (K) o escala absoluta de temperaturas se adoptó para el Sistema Internacional debido a que se establece como cero absoluto el punto térmico en el que desaparece el movimiento interno de las moléculas, siendo este un punto de referencia independiente a valores de presión.
Importante
En el Sistema Internacional no existen temperaturas bajo cero, ya que 0 °K es el cero absoluto y, por tanto, un límite físico.
Escala Rankine
La escala de temperaturas Rankine (R) mide en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, consiguiendo de esta manera una escala en grados Fahrenheit con valores siempre positivos.
Esta escala se usa en termodinámica para ciclos térmicos, sobre todo en Estados Unidos, aunque, debido a los fenómenos de internacionalización de las medidas, cada vez más está quedando en desuso en favor del Sistema Internacional.
Actividades
3. Además de los termómetros de mercurio, existe una gran cantidad de aparatos para la medida de temperaturas. Realice una investigación sobre dichos aparatos y recoja en una tabla las ventajas e inconvenientes que presenta cada uno.
Conversión de medidas entre las diferentes escalas termométricas
Debido a la existencia de varias escalas térmicas y su utilización en diferentes campos de la ciencia, así como en la vida cotidiana, se hace necesario conocer el proceso de conversión de la temperatura en las diferentes escalas termométricas.
Tabla de equivalencia entre escalas térmicasEscalaUnid.EquivalenciaEcuación S.I.EcuaciónS.I.K--t(°C) = T(K) - 273Celsius°C0 °C = 273 KT(K) = t(°C) + 273-Fahrenheit°F0 °F = 255,37 KT(K) = (t(°F) + 459,67)/1,8T(°C) = (t(°F) - 32)/1,8RankineROR = OKT(K) = (5/9)*t(R)T(°C) = (5/9)*(t(R) - 491,67)
Aplicación práctica
La empresa EcoClima S. L., donde usted trabaja, se dedica al diseño de instalaciones de calefacción/refrigeración, adaptación de calderas, etc. Esta semana se ha firmado el contrato para la ejecución de una instalación de calefacción de un hotel, y los compañeros de diseño de instalaciones le han pedido, como encargado del material, que seleccione una caldera que trabaje dentro de los parámetros que le han aportado. Del catálogo de calderas que dispone, usted ha eliminado aquellas que no cumplían con las especificaciones de potencia y como resultado han quedado las siguientes tres opciones.
Temperatura de funcionamientoRangoMín.Máx.Lomoostic45 °F55 °FEcomatic335 K355 KBioClima590 R614 RSeleccione aquella que trabaje dentro del rango de temperatura comprendido entre 50 °C y 70 °C.
SOLUCIÓN
Para saber si cumplen con el rango de temperaturas, es necesario convertir los valores de la tabla a °C.
1 La primera caldera presenta la temperatura en grados Fahrenheit, por lo que será necesario aplicar la ecuación:Sustituyendo, se obtiene:Valor que está fuera del rango, por tanto queda descartada.
2 La segunda caldera presenta la temperatura en el Sistema Internacional, cuya ecuación es:Sustituyendo, se obtiene:El valor mínimo se encuentra dentro del rango, ahora vamos a calcular el valor máximo:Al encontrarse fuera del rango, queda descartada también.
3 Ahora vamos a calcular el rango de temperatura de funcionamiento para la caldera BioClima. En este caso, los valores están en grados Rankine, cuya ecuación es:Sustituyendo, queda:Como podemos comprobar, se encuentra dentro del rango de funcionamiento. Por tanto, la caldera que debemos elegir es la caldera BioClima.
3. Transmisión de calor
La experiencia nos dice que el cuerpo que presenta más temperatura le cede calor al cuerpo o sistema de menor temperatura, hasta quedar en equilibrio. A continuación, se abordará el proceso de transferencia de calor y los mecanismos que hacen esto posible.
3.1. Mecanismos de transmisión de calor
La transmisión de calor entre dos sistemas se puede realizar mediante los mecanismos de conducción, radiación y convección. Estos mecanismos se distinguen entre ellos por la manera física de propagar el calor entre los diferentes sistemas. Cabe decir que durante la propagación de calor entre dos o varios sistemas puede producirse la transferencia de calor entre varios mecanismos de forma simultánea.
Radiación
El mecanismo de radiación permite transferir el calor de un cuerpo a otro, sin la necesidad de existir un contacto directo entre ambos. Ello es posible gracias al transporte de la energía mediante ondas electromagnéticas o cuantos.
El fenómeno de transmisión de calor mediante radiación podemos observarlo en el Sol, el cual se encuentra a millones de kilómetros de distancia de la Tierra y separados por el vacío.
El empleo de la radiación como medio de transferencia de energía está muy presente en nuestra vida cotidiana.
Actividades
4. Además del uso de ondas electromagnéticas para calentar un alimento en el microondas, ¿con qué otros fines se emplea la transmisión de energía mediante radiación en la actualidad? Recoja su investigación en una tabla.
La ecuación que permite cuantificar la cantidad de calor emitido por radiación en función del tiempo viene recogida en la Ley de Stefan-Boltzmann, mediante la cual se determinó la temperatura del Sol a partir de la densidad de flujo energética de este.
Donde:
“” es el flujo de calor medido en Watios (W).
“ε” es la emisividad de la superficie de estudio.
“σ” es la constante de Stefan-Boltzmann.
“A” es el área de emisión.
“T” es la temperatura del emisor medida en Kelvin.
Convección
El calentamiento o enfriamiento por convección se produce cuando la transmisión de calor se realiza entre un cuerpo fluido (gas o líquido) que se desplaza en contacto con una superficie sólida, existiendo una diferencia de temperatura entre ambos.
Ejemplo
Un ejemplo de convección se puede encontrar en verano cuando nos ponemos delante de un ventilador, enfocamos un chorro de aire (fluido) hacia nuestro cuerpo (sólido) para acelerar el proceso de intercambio térmico. Al ser la temperatura del aire menor que nuestra temperatura corporal, nos proporciona una sensación de frescura.
Es importante puntualizar que en el caso en el que el fluido se encuentre en reposo, el mecanismo de transferencia de calor se realiza por conducción, aunque los sistemas que entren en juego sean un sólido y un fluido.
El flujo de calor por convección fue establecido por Newton, mediante la ecuación:
Donde:
“h” es el coeficiente de transferencia en convección.
“Ts y Tf” = temperatura del sólido y del fluido respectivamente.
Actividades
5. En la siguiente lista se presenta una serie de situaciones. Clasifique los mecanismos de transferencia que se producen y razone su respuesta.
1 Taza con café.
2 Ventilador/radiador del coche.
3 Calentamiento de agua mediante un equipo solar térmico.
4 Chimenea.
5 Calentar una sartén en la vitrocerámica.
Aplicación práctica
En esta ocasión, sus compañeros de EcoClima S. L. le han pedido que seleccione los emisores/radiadores para cada estancia del hotel. Para saber el modelo que va a emplear, debe calcular el calor aportado por el radiador y compararlo con el calor necesario en la estancia. Con los datos que se aportan a continuación, calcule el calor generado por cada elemento.
Datos:
SOLUCIÓN
Dado que se trata de un radiador, se producen dos mecanismos de transferencia de calor: por una parte radiación y por otra convección.
El primer paso será convertir la temperatura a grados Kelvin.
Ahora procedemos al cálculo del calor aportado por radiación, cuya ecuación es:
Sustituyendo, obtenemos:
El calor aportado por convección se obtiene de la ecuación:
Que, sustituyendo, se obtiene:
Por tanto, el calor total aportado por el elemento/radiador es:
3.2. Conducción. Ley de Fourier
La conducción es un mecanismo de transferencia de calor por contacto directo entre dos sistemas con diferentes temperaturas. El sistema que se encuentra a mayor temperatura presenta una mayor agitación de sus átomos y moléculas que, mediante los rozamientos y las colisiones con los átomos y moléculas del sistema adyacente, transfieren parte de su energía térmica.
Sabía que...
En la mayoría de los metales que presentan una buena conductividad eléctrica la transmisión de calor por conducción entre dos extremos separados se realiza de forma más acelerada. Esto se debe a que el metal presenta electrones libres que pueden desplazarse más rápidamente a lo largo de él.
La conductividad térmica (k) es la magnitud que permite cuantificar la facilidad que presenta un sistema para transmitir el calor. Gracias a esta magnitud diferenciamos entre aislantes térmicos y materiales conductores de calor. La conductividad térmica se mide en W/(K·m).
Fourier estableció mediante una serie de experimentos termodinámicos que la temperatura se desplaza a lo largo de un sólido de forma gradual, disminuyendo la temperatura conforme se distancia del foco generador de calor. La ecuación que rige el mecanismo de transmisión de calor por conducción recibe el nombre de Ley de Fourier y se enuncia como:
Donde dT es la diferencia de temperatura entre dos puntos y dx la distancia entre esos puntos.
Ejemplo
Vamos a calcular el área necesaria para calentar el agua del interior de un depósito mediante una tubería, sabiendo que el espesor de la tubería de cobre es de dx = 1 mm, la conductividad térmica es k = 380 W/(K·m), la diferencia de temperatura dT = -25 K, y el calor aportado es Q = 475 W.
SOLUCIÓN
A partir de los datos aportados y teniendo en cuenta que se produce una transferencia de calor mediante conducción, aplicamos la ecuación:
Sustituyendo, nos queda:
Despejando, obtenemos:
Actividades
6. Elabore un listado de las situaciones cotidianas en las que se produce la transmisión del calor por conducción.
Aplicación práctica
Tras haber estudiado los mecanismos de transferencia de calor, se toma un descanso y, mientras cocina, se le ocurre la idea de calcular el mecanismo de transferencia de calor que se produce entre la vitrocerámica y la sartén. Calcule la temperatura a la que se están cocinando los alimentos a partir de los datos aportados.
Temperatura vitrocerámica = 105 °C.
Espesor de la sartén = 1 cm.
Radio de la sartén = 10 cm.
k = 50 W / (K·m).
Q = 610 W.
SOLUCIÓN
Al tratarse de una transferencia de calor por conducción, aplicamos la Ley de Fourier:
Sustituyendo, queda:
Despejando la temperatura, queda:
Por lo tanto, en este caso la comida se está cocinando a una temperatura de 101 °C.
4. Resumen
No solo debe tenerse en cuenta la termodinámica para el cálculo de instalaciones o para el diseño de las mismas, sino que la termodinámica está presente en nuestra vida cotidiana. Entendiendo el funcionamiento de las escalas termométricas, somos capaces de convertir medidas térmicas entre las distintas escalas existentes.
Conocer los mecanismos de transferencia de calor y saber calcular el calor transferido por los distintos procesos, nos permite comparar y evaluar la eficiencia de dos sistemas de calefacción, eligiendo el sistema que más nos interese en cada momento.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. Indique la respuesta correcta.
1 Una tubería no puede constituir un sistema termodinámico.
2 La termodinámica es una rama de la astrología que se basa en el estudio del intercambio de materia y energía, los elementos que conforman el universo.
3 El sistema termodinámico se encuentra aislado del entorno mediante unos límites definidos.
2. ¿Qué clases de sistemas podemos distinguir en termodinámica? Defínalos.
3. ¿Cómo se denomina la situación termodinámica en la que se encuentra un sistema en el momento de estudio?
1 Base.
2 Estado.
3 Proceso.
4 Situación.
4. Las propiedades termodinámicas pueden ser de carácter intensivas y extensivas.
Clasifique las siguientes propiedades.
1 Densidad.
2 Volumen.
3 Temperatura.
4 Presión.
5. ¿A cuántos julios equivale una caloría? ¿Y una atmósfera de presión a cuántos milímetros de mercurio?
6. Complete.
El _______________ es energía que se desplaza de un sistema a otro debido a la diferencia de temperatura entre ambos. Cuando dos _______________ están en contacto el _______________ de ambos tiende a igualarse dando como resultado un _______________.
7. Nombre, al menos, tres escalas termométricas.
8. Explique por qué no es posible encontrar valores negativos en la Escala térmica del SI.
9. ¿Qué fórmula debemos aplicar si queremos convertir la temperatura de la escala Kelvin a la escala Celsius? ¿Y de la escala Fahrenheit a la escala Celsius?
10. ¿Cuáles son los mecanismos de transmisión de calor?
11. ¿Gracias a qué principio enunciado por Ralph H. Fowler fue posible la construcción de los primeros termómetros?
1 El principio de igualdad térmica y equilibrio.
2 El principio de equilibrio entre masas en distintos estados.
3 El principio cero de la termodinámica.
4 El principio de equilibrio entre energías internas de dos sistemas en contacto mediante el mecanismo de transferencia de conducción.
12. ¿Qué mecanismo nos permite transferir el calor de un cuerpo a otro, sin la necesidad de existir un contacto directo entre ambos?
1 Transferencia por conducción.
2 Transferencia por convección.
3 Transferencia por radiación.
4 Las respuestas b. y c. son correctas.
13. Relacione cada ecuación con el mecanismo de transferencia.
Conducción
14. La ecuación que rige el mecanismo de transmisión de calor por conducción recibe el nombre de __________________.
15. Ordene.
Capítulo 2
Combustión y combustibles
1. Introducción
La combustión es el proceso que tiene por objeto liberar la energía que contiene un combustible, como puede ser el carbón, petróleo o la madera en forma de calor. Durante el proceso de combustión el combustible se va consumiendo generando residuos gaseosos o sólidos.
Inicialmente el hombre comenzó a dominar el proceso de combustión (fuego) para calentarse y cocinar los alimentos, hoy en día el proceso de combustión y los combustibles como fuente de energía ocupan un lugar muy destacado en la vida moderna, estando muy presentes en la actividad cotidiana.
El avance de la técnica ha permitido al hombre el estudio de nuevos procesos de combustión, la mejora de la eficiencia del proceso y la utilización de nuevos combustibles (biocombustibles, pellets, etc.).
Para diseñar instalaciones eficientes es necesario conocer los procesos de combustión y los tipos de combustibles, con el fin de seleccionar el proceso más idóneo y que mejor se adapte a la instalación objeto de estudio.
2. Combustión
La combustión se produce a través de un conjunto de reacciones de oxidación que se producen entre dos elementos: el combustible y el comburente. El proceso de reacción que se genera es exotérmico, por lo que libera energía en forma de calor. Para que se dé una reacción de combustión, el combustible debe ser fácilmente oxidable.
2.1. Conceptos básicos de combustión
La combustión se diferencia de otros procesos químicos por la presencia de una llama que produce la oxidación rápida del combustible en forma de deflagraciones, detonaciones y explosiones, pudiendo mantener o no dicha llama estable durante todo el proceso.
Combustión en una caldera
Definición
Oxidación
Reacción química donde un elemento cede electrones a otro. Cuando un elemento químico acepta electrones se produce la reducción, reacción química opuesta a la oxidación. Dichas operaciones son intrínsecas, es decir, cuando una sustancia se oxida, automáticamente se produce la reducción de otra.