Balance EJEMPLOS RESUELTOS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
Jannicce RamosPráctica o problema11 de Diciembre de 2017
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TEMA 5
BALANCES DE ENERGÍA
INDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. LEY DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA
2.1. BALANCES ENTÁLPICOS
3. EJEMPLOS RESUELTOS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
4. RELACIÓN DE PROBLEMAS PROPUESTOS
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l. INTRODUCCIÓN.
Habitualmente se define la energía como la capacidad de la materia para producir trabajo, pudiendo adoptar distintas formas, todas ellas interconvertibles directa o indirectamente unas en otras.
Las dos formas de energía asociadas con la materia son la energía potencial (~T) y la energía cinética (KT)· La primera es la que corresponde a un cuerpo material en virtud de su posición respecto a otros.
La segunda es la que corresponde a un cuerpo material en movimiento y se expresa como:
Se entiende por energía interna (ET) la suma de las energías potencial y cinética correspondientes a las partículas diminutas constitutivas de la materia: moléculas, átomos y partículas subatómicas.
El calor (q) y el trabajo (W) son formas de energía en tránsito, el primero debido a una diferencia de temperaturas y el segundo debido a la acción de una fuerza mecánica que vence una resistencia al recorre un espacio.
El balance de energía es el cómputo exacto de las energías que entran, salen y se acumulan en una operación básica o en un proceso industrial.
2. LEY DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA
Sea el sistema considerado en el tema anterior (Figura 4.1) en el que ~T , ET, y KT son las energías potencial, interna y cinética totales del fluido contenido en el sistema (Julios); ~' E y K son las energías por unidad de masa de fluido (J/k:g); q1, q y q2 son los flujos de calor debidos a
gradientes de temperatura a través de las superficies S1, S y S2 respectivamente (J/m2h); p1(V1S1)
y P2(V 2S2) son los trabajos realizados por las fuerzas de presión que actúan sobre el fluido en las secciones S1 y S2, respectivamente (J/h); W', es el trabajo intercambiado entre el fluido y algún mecanismo instalado en el sistema, como consecuencia de fuerzas ejercidas entre ambos: será
positivo si fuera el fluido receptor de aquel, procedente de una bomba, un compresor, un agitador, etc. y negativo si es el mecanismo el que lo recibe como cuando se trata de una turbina, etc. (ver figura 5.1).
Q>O
W>O
,'JSTEMA
W<O
Q <O
Figura 5.1. Criterio de signos para el calor y trabajo intercambiadopor un sistema
Un balance de energía tendrá los siguientes términos:
lACUMULACJóNJ= [ENTRADA-SALIDA]+lAPARICJÓN POR REACCJóNj [3]
sustituyendo los valores correspondientes al sistema considerado:
trans energía convección forzada trans. energía gradiente T" [4]
Despreciando la posible aparición de calor debida a gradientes de temperatura en las secciones 1 y 2, frente a los correspondientes transportes energéticos por convección forzada, y representando por Q'el caudal de calor (qS), esta ecuación se simplifica a:
y para régimen estacionario:
Dividiendo todos los términos de esta ecuación por el caudal másico, m y teniendo en cuenta las definiciones de energía cinética y potencial y haciendo:
Q = Q' lm W=W'lm [7]
se llega a:
g( Z1 - Z2) + ( E1 - E2) + Yi (V¡2 - V}) + Q + % - P~2 + W = O [8]
o bien introduciendo la función entalpía: H = E + % [9]
g(Z1 -Z2) + ( H1 -H2) + Yi (V¡2 - V})+ Q + W =O [10]
Las ecuaciones [5] y ][6] están referidas a la unidad de tiempo (J/h), mientras que las ecuaciones
[8] y [1 O] están referidas a la unidad de masa (J/kg).
2.1. BALANCES ENTÁLPICOS
En muchas operaciones y procesos, en régimen estacionario, en la industria química, las variaciones de energía potencial y cinética son despreciables frente a las variaciones entálpicas. Además, no se intercambia trabajo útil con el exterior, con lo que la ecuación [10] se simplifica a:
H1 -H2 = Q [11]
ecuación representativa del balance entálpico.
Como quiera que no se dispone de valores absolutos de la entalpía, es necesario fijar un estado de referencia para calcularla.
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