cuaderno de trabajo de tecnología industrial i 1º bachillerato

Tecnologa Industrial 1 BachilleratoCUADERNO DE TRABAJO DE TECNOLOGA

INDUSTRIAL I

1 BACHILLERATO

I.E.S. Dr. Antonio Gonzlez Gonzlez - Tejina

Alumno/a: _________________________________________________Curso: ______

IES Antonio Gonzlez Gonzlez 1

Tecnologa Industrial 1 Bachillerato

BLOQUE DE ENERGA



TEMA 1 - INTRODUCCIN A LA ENERGA

Se define la energa, como la capacidad para realizar un cambio en forma detrabajo. Se mide en el sistema internacional en Julios (J), que se define como eltrabajo que realiza una fuerza de 1N cuando se desplaza su punto de aplicacin 1m.La energa y, por tanto, para el trabajo y el calor se emplea en el SistemaInternacional de unidades (SI) el julio (J) definido como el trabajo realizado por lafuerza de 1 newton cuando se desplaza su punto de aplicacin 1 metro. En fsica nuclear se utiliza como unidad el electrnvoltio (eV) definido como laenerga que adquiere un electrn al pasar de un punto a otro entre los que hay unadiferencia de potencial de 1 voltio.

Existen otras unidades de energa:

Calora: Se usa como unidad de medida del calor y se define como la cantidad decalor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14oC a15,5C.

1 cal = 4,18 J

Kilovatio-hora (kWh): Se usa como unidad de medida de la energa elctrica. Es laenerga consumida o desarrollada por una mquina de 1 Kilovatio de potenciadurante una hora.

1 kWh = 1000 Wh = 1000 Wh 3600 s/h = 3600 1000 J = 36 106 J

1J = 1 w s

Electrn-voltio (eV): Se utiliza en fsica nuclear y se define como la energa queadquiere un electrn cuando se mueve entre dos puntos con una diferencia depotencial de 1 voltio.

1 eV = 1'602 10-19 J

Kilopondmetro (kpm): Es el trabajo que realiza una fuerza de 1 kp cuando sedesplaza su punto de aplicacin una distancia de 1 metro en su misma direccin.

1 kpm = 9,8 J

Existen otras unidades que se usan para calcular la calidad energtica de loscombustibles. Estas unidades estn basadas en el poder calorfico de estoscombustibles. Las ms utilizadas son:

Tep: Toneladas equivalentes de petrleo. Energa liberada en la combustin de1 tonelada de crudo.

1 tep = 41'84 109 J

Tec: Toneladas equivalentes de carbn. Energa liberada por la combustin de1 tonelada de carbn (hulla)

1 tec = 29'3 109 J

La equivalencia entre tep y tec es:1 tep = 1'428 tec

Kcal/kg: Caloras que se obtendrn con la combustin de1 kg de ese combusti-ble.

TrabajoIES Antonio Gonzlez Gonzlez 3

Tecnologa Industrial 1 BachilleratoSe define como el producto de la fuerza aplicada sobre un cuerpo y eldesplazamiento que ste sufre. Si el objeto no se desplaza en absoluto, no serealiza ningn trabajo sobre l.

T = F dLas unidades de trabajo y energa son las mismas.

PotenciaEs la cantidad de trabajo que realiza o consume una mquina por cada unidad detiempo. Su unidad en el sistema internacional es el vatio (W)

P = Trabajo/tiempo = T/tP = T/t

Una mquina de 1 W de potencia hace el trabajo de un Julio cada segundo. Otras unidades de potencia: El caballo de vapor (CV), siglas en ingls (HP).

1 CV = 735 W

Fuentes de energa Llamamos fuente de energa a un sistema natural cuyo contenido energtico essusceptible de ser transformado en energa til. Un aspecto importante a tratar es conocer cules son las fuentes que usamos paraaprovechar su energa, su utilidad, sus ventajas e inconvenientes y su disponibilidad.Nuestro planeta posee grandes cantidades de energa. Sin embargo, uno de losproblemas ms importantes es la forma de transformarla en energa utilizable. Lasfuentes ms buscadas son las que poseen un alto contenido energtico y acumulanenerga en la menor cantidad de materia posible. Es el caso del petrleo, carbn ygas natural. En otras, por el contrario, se encuentra difusa (solar, elica, geotrmica,etc) La mayor parte de las fuentes de energa, salvo la nuclear, la geotrmica y lasmareas, derivan del Sol. El petrleo, el gas natural o el viento tienen su origen,aunque lejano, en la energa que proviene del Sol. Las distintas fuentes de energa se clasifican en dos grandes grupos: renovables yno renovables. Renovables. Son aquellas fuentes que no desaparecen al transformar su energa enenerga til.

- energa hidrulica - energa solar - energa elica - biomasa - Residuos slidos urbanos (RSU) - energa mareomotriz - energa de las olas - energa geotrmica No renovables. Es el sistema material que se agota al transformar su energa enenerga til.

- energa de combustibles slidos (carbn, petrleo, gas). -Energa nuclear de fisin.



Formas de energa El ser humano necesita energa para realizar cualquier actividad, para mantener susconstantes vitales, mandar rdenes al cerebro a travs de los nervios, renovar susclulas, etc. Adems de la energa necesaria para el funcionamiento de su cuerpo, tiene queaplicarla tambin para poder ver cubiertas sus necesidades de alimentacin,bienestar, etc. Esto lo realiza a travs de los msculos, de los cuales se puedeobtener una energa muy limitada cuando se aplica a la realizacin de muchastareas. Para los hombres primitivos, el disponer solamente de esta energa tan escasa,limitaba sus posibilidades de desarrollo y subsistencia. Con el paso del tiempo, fueaprendiendo de la naturaleza y aplicando algunos recursos de ella y pudo asconseguir un mejor bienestar. Cre diversos utensilios y herramientas comopalancas, planos inclinados, etc., que le hicieron ms fcil la realizacin de lostrabajos. Tambin utiliz los animales domsticos, para ayudarle a realizar distintas labores,mquinas de pequea potencia (poco trabajo en un determinado tiempo) yrendimiento bajo e incluso se utiliz al propio hombre para cubrir las necesidadesenergticas. En las sociedades antiguas, la mayora de los hombres eran esclavos osiervos de una minora. Con el desarrollo industrial se empezaron a aplicar nuevas fuentes de energa, talescomo los combustibles fsiles, y otras fuentes ya conocidas desde la antigedad,como el viento, la madera, el agua, etc. La transformacin de energa en otra msadecuada se realiza por medio de mecanismos y tiles. Al conjunto de estas piezas ymecanismos, que transforma una energa en otra, se denomina mquina. En elmundo actual, y debido al alto bienestar de las sociedades desarrolladas, el consumode energa es grandsimo; nos desplazamos en vehculos que aprovechan la energatrmica o elctrica; la coccin de alimentos necesita calor que procede de algn gaso de la energa elctrica y, como stas, existen innumerables aplicaciones donde laenerga est presente.

La energa se manifiesta de mltiples formas en la naturaleza, pudiendo convertirseunas en otras con mayor o menor dificultad. Entre las distintas formas de energaestn:


Tecnologa Industrial 1 Bachillerato1. Energa mecnica, la cual se puede manifestar de dos formas diferentesa) Energa mecnica cintica: Es la energa que posee un cuerpo en movimiento.

Ec = mv2dnde m es la masa del cuerpo que se mueve a velocidad v.Ejemplo: Un cuerpo de 10 kg que se mueve a una velocidad de 5 m/s, posee unaenerga cintica

Ec = 10 kg (5 m/s) 2 = 125 J

b) Energa mecnica potencial: Es la energa que posee un cuerpo en virtud de laposicin que ocupa en un campo gravitatorio (potencial gravitatoria) o de suestado de tensin, como puede ser el caso de un muelle (potencial elstico).Si un cuerpo de masa m est situado a una altura h, tendr una energa potencialgravitatoria equivalente a:

Ep = m g h

Donde g es la aceleracin de la gravedad g = 98 m/s2 (en la Tierra)Ejemplo: Un cuerpo de 10 kg de masa situado a 5 m de altura posee una energapotencial que vale,

Ep = 20 kg 98 m/s2 5 m = 980 J

El agua de un embalse posee energa potencial almacenada, puesto que estsituada a cierta altura respecto al punto inferior donde se sitan las compuertas queliberan el agua.

2. Energa trmica o calorfica: Es la energa asociada a la transferencia de calorde un cuerpo a otro. Para que se transfiera calor es necesario que exista unadiferencia de temperatura entre los dos cuerpos. El calor es energa en trnsito.Todos los materiales no absorben o ceden calor del mismo modo, pues unosmateriales absorben el calor con mayor facilidad que otros. Ese factor depende delllamado calor especfico del material Ce. Cada material tiene su propio calorespecfico.Ejemplo: Madera Ce = 06 cal/g oC y Cobre Ce = 0094cal/g oCEsto significa que para que un gramo de madera suba su temperatura un gradodebe absorber 06 cal y para que ocurra lo mismo para un gramo de cobre debeabsorber 0094 cal.El calor cedido o absorbido por un cuerpo cuando vara su temperatura:

Q = m Ce T

3. Energa qumica: Es la energa que almacenan lassustancias qumicas, la cual se suele manifestar enotras formas (normalmente calor) cuando ocurre unareaccin qumica. Esta energa est almacenada, enrealidad, en los enlaces qumicos que existen entre lostomos de las molculas de la sustancia.Los casos ms conocidos son los de loscombustibles (carbn, petrleo, gas, ...)Se define el poder calorfico de un combustiblecomo la cantidad de calor liberado en lacombustin de una cierta cantidad del mismo. Semide en kcal/kg. P. Ej: el poder calorfico del carbnanda por los 9000 kcal/kg.Para materiales en combustin donde el materialarde en presencia del oxgeno todos los materiales quehacen de combustibles tienen un poder calorfico Pc


Tecnologa Industrial 1 Bachilleratoespecfico. Este Pc depende de la masa en los materiales slidos y del volumen enlos gaseosos y lquidos, aunque en stos ltimos tambin se considera la masa:

Q = Pc m Q = Pc VDonde m es la masa y V es el volumen respectivamente del combustible empleado,y Q es la energa qumica obtenida.

4. Energa radiante: Es la energa que se propaga en forma de ondaselectromagnticas (luz visible, infrarrojos, ondas de radio, ultravioleta, rayos X,...), ala velocidad de la luz. Parte de ella es calorfica. Un caso particular conocido es laenerga solar.

5. Energa nuclear: Es la energaalmacenada en los ncleos de los tomos. Estaenerga mantiene unidos los protones y neutronesen el ncleo. Cuando estos elementos se unen odividen se libera. Se conocen dos tipos de reaccinnuclear:

- Fisin nuclear: los ncleos de tomos pesados(como Uranio o Plutonio) se dividen para formarotros ms ligeros. Este se empleacomercialmente.Al fisionar un tomo de uranio o de plutonio seobtiene gran cantidad de energa en forma de calor. Sabemos que la materia es unaforma de energa. Tambin sabemos que en la fisin el peso resultante de la reaccinnuclear es un poco menor que la suma de los pesos de sus componentes. Esadiferencia de pesos se transforma en energa segn la frmula:

E = mc2

Donde E es la energa calorfica obtenida en julios; m, es la masa que hadesaparecido en kg; y c, es la velocidad de la luz, 3108m/s.

- Fusin nuclear: Se unen ncleos ligeros para formar otros ms pesados. Est enfase experimental.

6. Energa elctrica: Es la energa asociada a la corriente elctrica, es decir, a lascargas elctricas en movimiento. Es la de mayor utilidad por las siguientes razones:- Es fcil de transformar y transportar- No contamina all donde se consuma.- Es muy cmoda de utilizar.Expresiones para la energa elctrica

E = P t

donde P es la potencia (vatios) de la mquina que genera o consume la energadurante un tiempo (segundos) t

E = V I t

donde V es el voltaje (voltios), I es la intensidad de corriente elctrica (Amperios).

Principios de conservacin de la energaEstablece que la energa ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma.


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoAunque la energa no se destruye, no toda ella es aprovechable, pues una parte sedesperdicia en cualquier proceso tecnolgico. Surge as el concepto de rendimientode una mquina, como la relacin que existe entre el trabajo til queaprovechamos de la mquina y la energa que consume la mquina. El rendimientode una mquina se expresa en %.

Tambin puede expresarse en trminos de potencia:



EJERCICIOS DE ENERGA1 - Un avin lanza una carga de 1.000 Kg cuando se encuentra a una altura de800m. Determina su energa cintica y mecnica en los siguientes casos: a) Antes de soltarlo. b) Cuando el objeto ha recorrido una distancia de 430 m.

2 - Desde una altura de 500 m se deja caer una piedra de 10 kg. a) Cunto valdr la energa de la piedra en el punto ms alto? b) Cunto valdr su energa cintica al llegar al suelo (si no hubieserozamiento)? c) Si se emplease esa energa para alimentar una bombilla de 40W Cuntotiempo estara funcionando?

3 - En la cima de una montaa rusa un coche y sus ocupantes, cuya masa total es de1000 kg, est a una altura de 40 m sobre el suelo y lleva una velocidad de 5 m/s.Qu energa cintica tendr el coche cuando llegue a la cima siguiente que est a20 m de altura?

4 - Desde una altura de 200 m se deja caer una piedra de 5 kg. a) Cunto valdr su energa potencial gravitatoria en el punto ms alto? b) Suponiendo que no exista rozamiento Cunto valdr su energa emtica alllegar al suelo?

5 - Determina la temperatura a la que se elevaran 2 litros de agua si ha absorbidouna energa de 5 Kcal e inicialmente se encontraba a una temperatura de 20C.Considerar el calor especfico del agua Ce(H20)=1 cal/gC.

6 - Una bomba de agua elctrica de 2 CV eleva agua hasta un depsito que estsituado a 8 m de altura. Cuntos metros cbicos de agua elevar en una hora(suponiendo rendimiento del 100%)? Cuntos kWh habr consumido en ese tiempo?

7 - Un motor de 100 CV acciona una gra que eleva una carga de 1000 kg a 100 mde altura en 50s. Cul es el rendimiento de la gra?

8 - Un motor consume 2 kg de hulla de poder calorfico 8000 kcal/kg y eleva10000kg de agua hasta 500 m de altura Cul es el rendimiento del motor?

9 - Una gra eleva 1000 kg de masa a una altura de 20 m en 5 minutos. a) Cunto trabajo realiza? b) Cul es su potencia?

10 - Un coche de 2000 kg de masa aprovecha el 30% de la energa producida por lacombustin de la gasolina cuyo poder calorfico es 10000 kcal/kg. Si el coche partidel reposo y alcanz los 180 km/h, calcula: a) Energa utilizada por el motor. b) Energa total producida. c) Cantidad de gasolina gastada.11 - Si un motor de un coche de 1500 kg alcanza los 100 km/h desde el reposo en 8segundos. Cul ser el consumo de gasoil que tiene un poder calorfico de43500kJ/kg si el rendimiento del motor es del 30 %? Cul es la potencia del motor?

12 - Calcula la energa calorfica liberada al quemar 5 kg de madera cuyo podercalorfico 2800kcal/kg si el grado de humedad de la madera es tal que el rendimientode la combustin es del 65%.


Tecnologa Industrial 1 Bachillerato13 - Un motor quema 1 kg de combustible de poder calorfico 500kcal/kg y eleva4000 kg de agua a 40 m de altura. Cul es el rendimiento del motor?

14 - Una bomba de agua funciona con un motor elctrico de 0'5 CV y eleva aguahasta un depsito situado a 4 m de altura. Cuntos metros cbicos de agua elevaren una hora? Cuntos kWh habr consumido en ese tiempo?

15 - Qu energa cintica tiene un camin de 10 toneladas que va a una velocidadde 90 km/h? Si toda esta energa se pudiera convertir en energa elctrica Qu valortendra si 1kWh cuesta 9 cntimos?

16 - Un motor de 20 CV acciona una gra que eleva un cuerpo de 600 kg a 20 m de .altura en un minuto. Cul es el rendimiento de la instalacin?

17 - Un automvil con una masa de 1000 kg aprovecha el 20% de la energaproducida en la combustin de la gasolina cuyo poder calorfico es 10000 cal/g. Si elcoche parti del reposo y alcanz la velocidad de 36 km/h, calcula: a) la energa utilizada por el motor. b) la energa total producida. e) la cantidad de gasolina gastada.



TEMA 2 - FUENTES DE ENERGA

Llamamos fuente de energa a aquellos recursos o medios naturales capaces deproducir algn tipo de energa.La mayora de las fuentes de energa, tienen su origen ltimo en el Sol (elica, solar,.).nicamente la energa nuclear, la geotrmica y la de las mareas no derivan de l.Las fuentes de energa se dividen en dos grupos:

Renovables: Son aquellas que no se agotan tras la transformacin energtica No renovables: Son aquellas que se agotan al transformar su energa en ener-

ga til

1. COMBUSTIBLES FSILES.

Proceden de restos vegetales y otros organismos vivos (como plancton) que hacemillones de aos fueron sepultados por efecto de grandes cataclismos o fenmenosnaturales y por la accin de microorganismos, bajo ciertas condiciones de presin ytemperatura.

1.1. El carbn.El primer combustible fsil queha utilizado el hombre es elcarbn. Representa cerca del70% de las reservasenergticas mundiales decombustibles fsiles conocidasactualmente, y es la msutilizada en la produccin deelectricidad a nivel mundial. EnEspaa, sin embargo, ladisponibilidad del carbn eslimitada y su calidad es baja.Los principales yacimientos(hulla y antracita) seencuentran en Asturias y Len.En Canarias no se utiliza comocombustible.Es un sustancia fsil, que se encuentra bajo la superficie terrestre, de origen vegetal,generada como resultado de la descomposicin lenta de la materia orgnica de losbosques, acumulada en lugares pantanosos, lagunas y deltas fluviales,principalmente durante el perodo Carbonfero. Estos vegetales enterrados sufrieronun proceso de fermentacin en ausencia de oxgeno, debido a la accin conjunta demicroorganismos, en condiciones de presin y temperatura adecuadas. A medidaque pasaba el tiempo, el carbn aumentaba su contenido en carbono, lo cualincrementa la calidad y poder calorfico del mismo.


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoSegn este criterio, el carbn se puede clasificar en:- Turba: es el carbn ms reciente. Tiene un porcentaje alto de humedad (hasta90%), bajo poder calorfico (menos de 4000 kcal/kg) y poco carbono (menos de un50%). Se debe secar antes de su uso. Se encuentra en zonas pantanosas. Se empleaen calefaccin y como produccin de abonos. Tiene muy poco inters industrialdebido a su bajo poder calorfico.- Lignito: poder calorfico en torno a las 5000 kcal/kg, con ms de un 50 % decarbono (casi un70%) y mucha humedad (30%). Se encuentra en minas a cieloabierto y por eso, su uso suele ser rentable. Se emplea en centrales trmicas para laobtencin de energa elctrica y para la obtencin de subproductos mediantedestilacin seca.- Hulla: tiene alto poder calorfico, ms de 7000 kcal/kg y elevado porcentaje decarbono (85%).Se emplea en centrales elctricas y fundiciones de metales. Por destilacin seca seobtiene amoniaco, alquitrn y carbn de coque (muy utilizado en industria: altoshornos).- Antracita: es el carbn ms antiguo, pues tiene ms de un 90% de carbono. Arde

con facilidad y tiene un alto poder calorfico (ms de 8000 kcal/kg).

La presin y el calor adicional pueden transformar el carbn en grafito.A travs de una serie de procesos, se obtienen los carbones artificiales; los msimportantes son el coque y el carbn vegetal.- Coque: se obtiene a partir del carbn natural. Se obtiene calentando la hulla enausencia de aire en unos hornos especiales. El resultado es un carbn con un mayorpoder calorfico.- Carbn vegetal: se obtiene a partir de la madera. Puede usarse comocombustible, pero su principal aplicacin es como absorbente de gases, por lo que seusa en mascarillas antigs.Actualmente su uso ha descendido.

1.1.a. Yacimientos de carbn:- A cielo abierto o en superficie- En ladera o poco profundo- En profundidad, con galeras horizontales- En profundidad, con galeras en ngulo

1.1.b. Produccin mundial de carbnSu uso comenz a adquirir importancia hacia la segunda mitad del siglo XVIII, siendouna de las bases de la Revolucin Industrial.Los principales productores son: EEUU, Polonia, Austria y Rusia.

1.1.c. Combustin del carbn:


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoCuando se produce la combustin del carbn, se liberan a la atmsfera varioselementos contaminantes, como son el dixido de azufre, SO2, xidos de nitrgeno,NO y NO2, y xidos de carbono, CO y CO2. Estos agentes contribuyen a la lluvia ciday al efecto invernadero.Actualmente, la tecnologa ha avanzado lo suficiente como para eliminar estasemisiones casi en su totalidad, pero ello provoca un gran aumento en los costes deproduccin.

1.1.d. Ventajas y desventajas del uso del carbn:

1.1.e. Aplicaciones.

_ Es la mayor fuente de combustible usada para la generacin de energa elctrica._ Es tambin indispensable para la produccin de hierro y acero; casi el 70 % de laproduccin de acero proviene de hierro hecho en altos hornos con ayuda del carbnde coque.

1.2. Petrleo.Es un combustible natural lquido constituido por una mezcla de hidrocarburos(mezcla de carbono e hidrgeno). La mayor parte del petrleo que existe se formhace unos 85 90 millones de aos.Su composicin es muy variable de unos yacimientos a otros.Su poder calorfico oscila entre las 9000 y 11000 kcal/kg.Su proceso de transformacin es similar al del carbn. Procede de la transformacin,por accin de determinadas bacterias, de enormes masas de plancton sepultadaspor sedimentos en reas ocenicas en determinadas condiciones de presin ytemperatura. El resultado es un producto ms ligero (menos denso) por lo queasciende hacia la superficie, gracias a la porosidad de las rocas sedimentarias.Cuando se dan las circunstancias geolgicas que impiden dicho ascenso (trampaspetrolferas como rocas impermeables, ...) se forman entonces los yacimientospetrolferos.Estos depsitos se almacenan en lugares con roca porosa y hay rocas impermeables(arcilla) a su alrededor que evita que se salga.



1.2.a. Yacimientos.Para detectarlos es necesario realizar un estudio geolgico de la zona (por medio deondas que sufren modificaciones en su trayectoria).Normalmente se encuentran bajo una capa de hidrocarburos gaseosos. Cuando seperfora y se llega a la capa de petrleo, la presin de los gases obligan al petrleo asalir a la superficie, por lo que suele inyectarse agua o gas para incrementar estapresin.Algunos se encuentran a una profundidad que puede alcanzar los 15000 m.

1.2.b. Transporte.- Oleoductos: tubos de acero protegidos de 80 cm de dimetro que enlazanyacimientos con refineras y puertos de embarque.- Petroleros: buques cuyo espacio de carga est dividido por tabiques formandotanques.- Transporte por ferrocarril y carretera: se emplea cuando ninguno de los mtodosanteriores es rentable. Emplea vagones o camiones cisterna.

1.2.c. Refino del petrleo.El petrleo crudo carece de utilidad. Sus componentes deben separarse en unproceso denominado refino. Esta tcnica se hace en unas instalacionesdenominadas refineras. Los componentes se separan en la torre defraccionamiento calentando el petrleo. En la zona ms alta de la torre se recogenlos hidrocarburos ms voltiles y ligeros (menor temperatura) y en la ms baja losms pesados (mayor temperatura).Del refino del petrleo se extraen los siguientes productos, comenzando por aquellosms pesados, obtenidos a altas temperaturas en la parte ms baja de la torre defraccionamiento:- Residuos slidos como el asfalto: para recubrir carreteras.- Aceites pesados: Para lubricar mquinas. (~ 360C)- Gasleos: Para calefaccin y motores Diesel.- Queroseno: Para motores de aviacin.- Gasolinas: Para el transporte de vehculos. (20C 160C)- Gases: Butano, propano, como combustibles domsticos.



1.2.d. Ventajas y desventajas del uso del petrleo:

1.3. Combustibles gaseosos.

1.3.a. Gas natural.Se obtiene de yacimientos. Consiste en una mezcla de gases que se encuentraalmacenada en el interior de la tierra, unas veces aisladamente (gas seco) y en otrasocasiones acompaando al petrleo (gas hmedo). Su origen es semejante al delpetrleo, aunque su extraccin es ms sencilla. Consiste en ms de un 70% enmetano, y el resto es mayoritariamente, etano, propano y butano. Es un productoincoloro e inodoro, no txico y ms ligero que el aire. Su poder calorfico ronda las11000 kcal/ m3.Una vez extrado, se elimina el agua y se transporta empleando diversos mtodos.Para su transporte se emplea:- Gasoductos: Tuberas por las que circula el gas a alta presin, hasta el lugar deconsumo.- Buques cisterna: En este caso, es necesario licuar primero el gas. De este modo, elgas setransforma de forma lquida. Al llegar al destino se regasifica.Se emplea como combustible en centrales trmicas, directamente como combustible(vehculos) y como combustible domstico e industrial.El gas natural es la segunda fuente de energa primaria empleada en Europa(representa un 20% del consumo) y est en alza.Su nivel de contaminacin es bajo, comparado con otros combustibles, pues casi nopresenta impurezas (algo de sulfuro de hidrgeno, H2S, que se puede eliminar antesde llegar al consumidor) y produce energa elctrica con alto rendimiento. Es limpio yfcil de transportar. El inconveniente est en que los lugares de produccin estnlejos de Europa, por lo que se necesitan los sistemas ya citados.



1.3.b. Otros gases.

Gas ciudad o gas de hullaSe obtiene principalmente a partir de ladestilacin de la hulla. Su poder calorfico es deunas 4000 kcal/m3. Es muy txico e inflamable,por lo que ha sido sustituido comocombustible domstico por el gas natural.

Gases licuados del petrleo o gases GLPSon el butano y el propano. Se obtienen en las refineras y poseenun poder calorfico queronda las 25000 kcal/m3. Se almacenan en bombonas a grandes presiones en estadolquido.

Gas de carbnSe obtiene por la combustin incompleta del carbn de coque. Tiene un podercalorfico muy bajo, aproximadamente 1500kcal/m3 (gas pobre).

AcetilenoSe obtiene a partir del enfriamiento rpido de una llama de gas natural o defracciones voltiles delpetrleo con aceites de elevado punto de ebullicin. Es un gas explosivo si sucontenido en aire estcomprendido entre el 2 y el 82%. Tambin explota si se comprime solo, sin disolveren otra sustancia, por loque para almacenar se disuelve en acetona. Se usa bsicamente en la soldaduraoxiacetilnica.

1.4. Impacto ambiental de los combustibles fsiles.

Carbn.Tanto la extraccin como la combustin del carbn originan una serie de deteriorosmedioambientales importantes. El ms importante es la emisin a la atmsfera deresiduos como el xido de azufre, xido de nitrgeno y dixido de carbono. Estosgases se acumulan en la atmsfera provocando los siguientes efectos:

- Efecto invernadero: La capa gaseosa que rodea a la Tierra tiene, entreotros, dixido de carbono, metano y dixido de azufre. Estos gases seconocen como gases invernadero y son necesarios para la existencia dela vida en el planeta. La radiacin solar atraviesa la atmsfera, parte deella se refleja en forma de radiacin infrarroja y escapa nuevamente alespacio, permitiendo regular la temperatura en la superficie terrestre.Actualmente, y debido a la accin del ser humano, la presencia de estosgases se ha incrementado, lo que impide que salga una buena parte dela radiacin infrarroja que reemite la Tierra, lo que provoca el calenta-miento de la misma.

- Lluvia cida: provocado por los xidos de azufre y nitrgeno. Estos ga-ses reaccionan con el vapor de agua y, en combinacin con los rayossolares, se transforman en cidos sulfrico y ntrico, que se precipitan ala tierra en forma de lluvia. Deteriorando:

Bosques: y la consiguiente prdida de fertilidad de la tierra. Ros: daando la vida acutica y deteriorando el agua. Patrimonio arquitectnico: pues ataca la piedra.


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoPetrleoLa extraccin de pozos petrolferos y la existencia de refineras, oleoductos y buquespetroleros, ocasiona:

- Derrames: que afectan al suelo (prdida de fertilidad) y al agua (queafecta a la vida marina,ecosistemas costeros, ...)

- Influencia sobre la atmsfera: causando el efecto invernadero y la lluviapor las mismas razonesantes expuestas. Adems, el monxido de carbono es sumamentetxico.

Gas naturalInfluencia sobre la atmsfera con efectos similares a los casos anteriores, aunque enmenor medida.

1.5. Cmo podemos obtener electricidad.

1.5.a. Generador Elctrico. La idea de un generador elctrico esbastante sencilla. Michael Faraday (enel siglo XIX) mostr que un campomagntico que cambia produce unacorriente elctrica en un circuito(Induccin electromagntica).

Si muevo el imn: aparece unacorriente.

Si el imn permanece quietopero muevo el circuito: apareceuna corriente.

Adems Oersted haba demostrado anteriormente el proceso contrario: si tenemosuna corriente elctrica, se genera un campo magntico alrededor.Sin embargo, surge un problema: la corriente elctrica slo dura mientras estcambiando el campo magntico que atraviesa el circuito.Por tanto, la idea a la hora de generar corriente elctrica es disponer de un campomagntico que est cambiando todo el tiempo.Todas las centrales elctricas se basan en esta idea y bsicamente, slo cambia laforma en que conseguimos ese movimiento (por ejemplo, en un generador elico, elviento mueve las aspas y ese giro se transmite al generado: mientras hay viento,habr giro y por tanto produccin de corriente elctrica).

1.5. b. Central Trmica:



Son las que funcionan utilizando carbn, petrleo o combustibles gaseosos. Laenerga liberada en la combustin de alguno de estos productos, se utiliza paraevaporar agua y es ste quien se encarga de producir un movimiento de giro (en laturbina) que se transmite al generador.Este tipo de centrales se denominan Centrales Trmicas Convencionales.Actualmente, con el fin de mejorar el rendimiento de las centrales, se hanintroducido una serie de mejoras:

Centrales Trmicas de Ciclo Combinado. Para una descripcin de este tipo decentrales, accede al siguiente enlace:

http://www.endesaeduca.com/opencms/opencms/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccionde-electricidad/ix.-las-centrales-termicas-de-ciclo-combinado Cogeneracin. Son centrales en las que se aprovecha la energa que se disipa

en forma de calor, para obtener vapor o agua caliente que se utiliza como ca-lefaccin. Existe la posibilidad de obtener fro (Trigeneracin).



TEMA 3 - CENTRALES TRMICASIntroduccinUna central trmica transforma la energa Qumica de un combustible (gas, carbn,fuel) en energa elctrica. Tambin se pueden considerar centrales trmicas aquellasque funcionan con energa nuclear. Es una instalacin en donde la energa mecnicaque se necesita para mover el generador y por tanto para obtener la energaelctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera.Todas las centrales trmicas siguen un ciclo de produccin de vapor destinado alaccionamiento de las turbinas que mueven el rotor del alternador.

Fases 1. Se emplea como combustible, generalmente, un derivado del petrleo llamadofuel-oil, aunque hay centrales de gas o de carbn. Este combustible se quema enuna caldera y el calor generado se transmite a agua. 2. Se calienta el agua lquida que ha sido bombeada hasta un serpentn decalentamiento (sistema de tuberas). El calentamiento de agua se produce gracias auna caldera que obtiene energa de la combustin del combustible (carbnpulverizado, fuel o gas). 3. El agua lquida pasa a transformarse en vapor; este vapor es hmedo y pocoenergtico. 4. Se sobrecalienta el vapor que se vuelve seco, hasta altas temperaturas ypresiones. 5. El vapor sobrecalentado pasa por un sistema de conduccin y se libera hasta unaturbina, provocando su movimiento a gran velocidad, es decir, generamos energamecnica. 6. La turbina est acoplada a un alternador solidariamente que, finalmente, producela energa elctrica. 7. En esta etapa final, el vapor se enfra, se condensa y regresa al estado lquido. La instalacin donde se produce la condensacin se llama condensador. El agualquida forma parte de un circuito cerrado y volver otra vez a la caldera, previocalentamiento. Para refrigerar el vapor se recurre a agua de un ro o del mar, la cualdebe refrigerarse en torres de refrigeracin.

NOTA1: No confundir el vapor del agua que mueve la turbina con el agua querefrigera el vapor. Son dos elementos distintos del proceso. El agua de refrigeracinno mueve las turbinas. La corriente elctrica se genera a unos 20.000 voltios de tensin y se pasa a lostransformadores para elevar la tensin hasta unos 400.000 voltios, para su trasladohasta los puntos de consumo.

NOTA2: Si la central trmica es de carbn, ste se almacena a medida quellega de la mina y se traslada por medio de una cinta transportadora hasta latolva, de donde se pasa a un molino en el que se tritura hasta quedarconvertido en polvo fino que arde ms fcilmente. A continuacin se mezclacon aire precalentado y se introduce en la caldera. Si el combustibleempleado es fuel, ste se almacena en depsitos a medida que llega de larefinera y tras ser calentado, se conduce desde ellos a la caldera. Si lacentral trmica es de gas, ste pasa de los tanques de almacenamiento a lacaldera experimentando tambin un calentamiento previo.



Tipos de Centrales Trmicas

Centrales Trmicas de Fuel-Oil FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidezptima para ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-oil presentan comoprincipal inconveniente las oscilaciones del precio del petrleo y derivados, y amenudo tambin se exigen tratamientos de desulfuracin de los humos para evitarlacontaminacin y la lluvia cida. El consumo de un milln de litros de gasolina emite a la atmsfera 2,4 millones dekilogramos de Dixido de Carbono (CO 2 ), el principal causante del cambio climticomundial. Arranque lento y bajo rendimiento.

Centrales Trmicas de Carbn FUNCIONAMINETO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS Las centrales trmicas que usan como combustible carbn, pueden quemarlo entrozos o pulverizado. La pulverizacin consiste en la reduccin del carbn a polvofinsimo (menos de 1/10 mm de dimetro) para inyectar lo en la cmara decombustin del generador de vapor por medio de un quemador especial quefavorece la mezcla con el aire comburente. Con el uso del carbn pulverizado, la combustin es mejor y ms fcilmentecontrolada. La pulverizacin tiene la ventaja adicional que permite el uso decombustible de desperdicio y difcilmente utilizado de otra forma. En estas serequiere instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la combustin yque van hacia el exterior, hay incremento de efecto invernadero por su combustin,altos costos de inversin, bajo rendimiento y arranque lento.

Centrales Trmicas de Gas Natural FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversoscombustibles (gas, petrleo o diesel). El resultado de sta combustin es que gases


Tecnologa Industrial 1 Bachilleratoa altas temperaturas movilizan la turbina, y su energa cintica es transformada enelectricidad por un generador. El uso de gas en las centrales trmicas, adems de reducir el impacto ambiental,mejora la eficiencia energtica. Menores costos de la energa empleada en elproceso de fabricacin y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a laatmsfera. La eficiencia de stas no supera el 35%.

Centrales Trmicas de Ciclo Combinado (De este tipo son las de Canarias).FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DEVENTAJAS Un ciclo combinado es, la combinacin de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. Suscomponentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperacin la turbinade vapor y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo devapor est constituido por la caldera de recuperacin, la turbina de vapor y elcondensador. La tecnologa de las centrales de ciclo combinado permite un mayoraprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentarentre el 38 por ciento normal de una central elctrica convencional hasta cerca del60%. Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemasdurante 6.500-7500 horas equivalentes al ao. Uno de los principales problemas que plantean las centrales trmicas es quese trata de un proceso relativamente complejo de conversin de energas.Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan contaminacin con laalta emisin de gases.



TEMA 4 - ENERGA ELICA

1IntroduccinLa energa elica tiene su origen en el viento, es decir,en el aire en movimiento. El viento se puede definircomo una corriente de aire resultante de lasdiferencias de presin en la atmsfera (se muevedesde las zonas de altas presiones a las de bajaspresiones) provocadas, en la mayora de los casos, porvariaciones de temperatura, debidas a las diferenciasde la radiacin solar en los distintos puntos de laTierra. Las variables que definen el rgimen de vientos en unpunto determinado son:

1 Situacin geogrfica 2 Caractersticas climticas 3 Estructura topogrfica 4 Irregularidades del terreno 5 Altura sobre el nivel del suelo

Slo un 2 % de la energa solar que llega a la Tierra seconvierte en energa elica y por diversos motivos, slo unapequea parte de esta energa es aprovechable. A pesar deello, si se admite que slo se puede aprovechar un 10% dela energa elica disponible a nivel del suelo, (unos1,21014 W) se ha calculado que el potencial energtico deesta fuente de energa es unas varias veces el actualconsumo mundial de energa, lo que hace de la energaelica una de las fuentes de energa renovables deprimera magnitud. La energa del viento es de tipo cintico (debida a sumovimiento); lo que hace que la potencia obtenida delmismo dependa de forma acusada de su velocidad, as como del rea de lasuperficie captadora. Desde hace siglos el ser humano ha aprovechado la energa elica para diferentesusos: molinos, transporte martimo mediante barcos de vela, serreras,... pero es enla actualidad cuando su uso es casi exclusivo para la obtencin de electricidad. Las mquinas elicas encargadas de este fin se llaman aerogeneradores,aeroturbinas o turbinas elicas. En definitiva, los aerogeneradores transforman laenerga mecnica del viento en energa elctrica.

1. Aerogeneradores: Funcionamiento, tipos y constitucin.1.1. Funcionamiento Son mquinas que transforman la energa elica en elctrica o mecnica. Losaerogeneradores deben situarse en zonas geogrficas favorables, eligindosecuidadosamente los emplazamientos con objeto de obtener la mxima energa delviento. Como la velocidad del viento aumenta con la altura, el rotor delaerogenerador se ha de situar lo ms alto posible. El funcionamiento es el siguiente: el viento incide sobre las palas del aerogeneradory lo hace girar, este movimiento de rotacin se transmite al generador a travs deun sistema multiplicador de velocidad. El generador producir corriente elctrica quese deriva hasta las lneas de transporte. Para asegurar en todo momento elsuministro elctrico, es necesario disponer de acumuladores. 1.2. Tipos


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoExisten dos tipos diferentes de aerogeneradores, los de eje horizontal y los de ejevertical Hay diferentes aerogeneradores:

1 1. Aerogeneradores de eje horizontal: son los ms utilizados ydesarrollados desde el punto de vista tcnico y comercial. Deben mantenerseparalelos al viento, lo que exige una orientacin previa, de modo que steincida sobre las palas y haga girar el eje. Estos aerogeneradores pueden ser:

2 - De potencia baja o media (0.5 a 50 kW): Suelen tener muchas palas (hastaveinticuatro).Se utilizan en el medio rural y como complemento paraviviendas.

3 - De alta potencia (ms de 50 kW): Suelen tener como mximo cuatro palas deperfil aerodinmico, aunque normalmente tienen tres. Necesitan vientos deentre 5 m/s (actualmente hay modelos que han reducido a 2,5m/s) y 25 m/s(actualmente hay modelos que han aumentado a 28-30m/s). Tiene usoindustrial, disponindose en parques o centrales elicas. Actualmente, uno delos mayores aerogeneradores fabricados es el E-112, de la compaaENERCON, con 6 MW de potencia nominal, 114m de dimetro y 124m dealtura

El viento debe incidir perpendicularmente a la superficie del disco que forman laspalas. Para orientar las palas se usan veletas y motores controlados por ordenador,el cual recibe informacin de la veleta acerca del viento. Este tipo de aerogeneradores, pueden ser orientados a barlovento (el rotor estorientado de frente a la direccin dominante), o a sotavento (el viento dominanteincide por la parte trasera del rotor). Los ms eficientes, y por lo tanto los msutilizados, son los orientados a barlovento que, aunque necesitan un sistema deorientacin hacia el viento, no tienen prdidas por la estructura de la torre y lagndola. Algunos de pequeo tamao son de tipo sotavento y orientacin por veleta.

1 2. Aerogeneradores de eje vertical: Su desarrollo tecnolgico est menosavanzado que los anteriores y su uso es escaso, aunque tiene perspectivas decrecimiento. No necesitan orientacin y ofrecen menos

2 resistencia al viento. Se usan en baja potencia.


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoEl funcionamiento de este tipo de aerogeneradores essimilar al de los de eje horizontal. El viento incide sobre laspalas del aerogenerador y lo hace girar, este movimiento derotacin se transmite al generador a travs de un sistemamultiplicador de velocidad. El generador producircorriente elctrica que se deriva hasta las lneas detransporte. Para asegurar en todo momento el suministroelctrico, es necesario disponer de acumuladores. Existen dos tipos:

1 a) Aerogenerador Savonius.- Formada por dossemicilindros iguales. Se llama as por

2 su inventor. 3 b) Aerogenerador Darrieus.- Est formada por palas

biconvexas y se llama as por su 4 inventor.

1 3. Aerogeneradores marinos (offshore): Tambin son aerogeneradores de ejehorizontal, pero con unas caractersticas especiales de tamao y cimentacin.

Para una explicacin ms detallada, accede a la infografa de Eroski: http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2010/06/30/194066.php 1.3. Constitucin Los elementos de que consta una mquina elica son los siguientes:

1 Soportes (torres o tirantes) 2 Sistema de captacin (rotor) 3 Sistema de orientacin 4 Sistema de regulacin (controlan la velocidad de rotacin) 5 Sistema de transmisin (ejes y multiplicador) 6 Sistema de generacin (generador)



www.windpower.org

Torre Es el elemento de sujecin y el que sita el rotor y los mecanismos que loacompaan a la altura idnea. Est construida sobre una base de hormign armado(cimentacin) y fijado a sta con pernos. La torre tiene forma tubular y debe sersuficientemente resistente para aguantar todo el peso y los esfuerzos del viento, lanieve, etc. En su base est generalmente el armario elctrico, a travs del cual seacta sobre los elementos de generacin y que alberga todo el sistema de cableadoque proviene de la gndola, as como el transformador que eleva la tensin.Dispone de escalas para acceder a la parte superior.

El rotor Es el elemento que capta la energa del viento y la transforma en energa mecnica.A su vez, el rotor se compone de tres partes fundamentales: las palas (quecapturan la energa contenida en el viento), el eje (que transmite el movimientogiratorio de las palas al aerogenerador) y el buje (que fija las palas al eje de bajavelocidad). Las palas son los elementos ms importantes, pues son las que reciben la fuerza delviento y se mueven gracias a su diseo aerodinmico. Estn fabricadas con plstico(resina de polister) reforzado con fibra de vidrio, sobre una estructura resistente, ysu tamao depende de la tecnologa empleada y de la velocidad del viento. Tambinpodemos encontrar palas que usen fibra de carbono o aramidas (Kevlar) comomaterial de refuerzo, pero normalmente estas palas son antieconmicas paragrandes aerogeneradores. Como vimos anteriormente, la potencia obtenida depende, entre otros factores de lasuperficie de captacin, es decir, del tamao del rotor. A continuacin se muestra un esquema en el que se puede observar el dimetro delrotor (lo que influye en su rea de barrido) en funcin de la potencia que queramosobtener:



Gndola Es la estructura en la que se resguardan los elementos bsicos de transformacin dela energa, es decir: multiplicador, eje del rotor, generador y sistemas auxiliares. Multiplicador Es un elemento conectado al rotor que multiplica la velocidad de rotacin del eje(unas 50 veces) para alcanzar el elevado nmero de revoluciones que necesitan lasdinamos y los alternadores. Dentro de los multiplicadores se distinguen dos tipos: los de poleas dentadas y losde engranaje.

1 Multiplicadores de poleas dentadas. Se utilizan para rotores de bajapotencia

2 Multiplicadores de engranaje. En este tipo de multiplicadores los engranajesestn protegidos en cajas blindadas para evitar su desajuste y desengrasado

Aunque la mayora de los aerogeneradores tienen multiplicador, existen algunosrotores que no lo necesitan.

Sistema hidrulico Utilizado para restaurar los frenos aerodinmicos del aerogenerador.

Eje de alta velocidad Gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por minuto (r.p.m.), lo que permite elfuncionamiento del generador elctrico. Est equipado con un freno de discomecnico de emergencia. El freno mecnico se utiliza en caso de fallo del frenoaerodinmico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

Generador La funcin del generador es transformar la energa mecnica en energa elctrica. Enfuncin de la potencia del aerogenerador se utilizan dinamos (son generadores decorriente continua y se usan en aerogeneradores de pequea potencia, quealmacenan la energa elctrica en bateras) o alternadores (son generadores decorriente alterna).

Mecanismo de orientacin


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoActivado por el controlador electrnico, que vigila la direccin del viento utilizando laveleta. Normalmente, la turbina slo se orientar unos pocos grados cada vez,cuando el viento cambia de direccin.

Controlador electrnico Tiene un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones delaerogenerador y que controla el mecanismo de orientacin. En caso de cualquierdisfuncin (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en elgenerador), automticamente para el aerogenerador. Unidad de refrigeracin Contiene un ventilador elctrico utilizado para enfriar el generador elctrico. Ademscontiene una unidad de refrigeracin de aceite empleada para enfriar el aceite delmultiplicador. Algunas turbinas tienen generadores enfriados por agua.

Anemmetro y la veleta Se utilizan para medir la velocidad y la direccin del viento. Las seales electrnicasdel anemmetro son utilizadas por el controlador electrnico del aerogenerador paraconectar el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/s (18km/h). El ordenador parar el aerogenerador automticamente si la velocidad delviento excede de 25 m/s (90 km/h), con el fin de proteger a la turbina y susalrededores. Las seales de la veleta son utilizadas por el controlador electrnico delaerogenerador para girar al aerogenerador en contra del viento, utilizando elmecanismo de orientacin.

2. Diseo de las instalaciones

En el diseo de una instalacin elica es necesario considerar tres factores: 1 El emplazamiento 2 El tamao de la mquina 3 Los costes

El emplazamiento elegido para instalar la mquina elica ha de cumplir doscondiciones: el viento ha de soplar con regularidad y su velocidad ha de tener unelevado valor medio. Es necesario disponer de una informacin meteorolgica detallada sobre laestructura y distribucin de los vientos. Las mediciones estadsticas deben realizarsedurante un perodo mnimo de tres aos, para poder obtener unos valores fiables,que una vez procesados permiten elaborar:

1 Mapas elicos: proporcionan una informacin de mbito global del nivel mediode los vientos en una determinada rea geogrfica, situando las zonas msidneas bajo el punto de vista energtico

2 Distribuciones de velocidad: estudio a escala zonal de un mapa elico, queproporciona el nmero de horas al ao en que el viento tiene una direccin yuna velocidad determinadas

3 Perfiles de velocidad: variacin de la velocidad del viento con la alturarespecto al suelo, obtenido por un estudio puntual

El tamao de la mquina condiciona fuertemente los problemas tcnicos. En el casode las grandes plantas elicas, el objetivo principal es conseguir unidades tangrandes como sea posible, con el fin de reducir los costes por kW obtenido, pero lasgrandes mquinas presentan problemas estructurales que slo los puede resolver laindustria aeronutica. Para las pequeas aeroturbinas, el problema es diferente; elobjetivo tcnico principal es la reduccin de su mantenimiento, ya que su aplicacinsuele estar dirigida a usos en zonas aisladas.


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoSegn determinados parmetros, elegiremos grandes o pequeas turbinas paranuestra instalacin:

Razones para elegir grandes turbinas 1 Criterios econmicos. Las mquinas ms grandes son capaces de suministrar

electricidad a un coste ms bajo que las mquinas ms pequeas. La razn esque los costes de las cimentaciones, la construccin de carreteras, la conexina la red elctrica, adems de otros componentes en la turbina (el sistema decontrol electrnico, etc.), as como el mantenimiento, son ms o menosindependientes del tamao de la mquina.

2 Las mquinas ms grandes estn particularmente bien adaptadas para laenerga elica en el mar (offshore).

3 En reas en las que resulta difcil encontrar emplazamientos para ms de unanica turbina, una gran turbina con una torre alta utiliza los recursos elicosexistentes de manera ms eficiente.

Razones para elegir turbinas ms pequeas 1 La red elctrica local puede ser demasiado dbil para manipular la produccin

de energa de una gran mquina, como es el caso de partes remotas de la redelctrica, con una baja densidad de poblacin y poco consumo de electricidaden el rea.

2 Hay menos fluctuacin en la electricidad de salida de un parque elicocompuesto de varias mquinas pequeas.

3 El coste de usar grandes gras, y de construir carreteras lo suficientementefuertes para transportar los componentes de la turbina, puede hacer que enalgunas reas las mquinas ms pequeas resulten ms econmicas.

4 Con varias mquinas ms pequeas el riesgo se reparte, en caso de fallotemporal de la mquina (p.ej. si cae un rayo).

5 Consideraciones estticas en relacin al paisaje pueden a veces imponer eluso de mquinas ms pequeas, aunque las mquinas ms grandes suelentener una velocidad de rotacin ms pequea, lo que significa que realmenteuna mquina grande no llama tanto la atencin como muchos rotorespequeos movindose rpidamente

El coste, si se desea producir energa elctrica para distribuir a la red, es lgicodisear una planta elica mediana o grande, mientras que si se trata de utilizar estaenerga de forma aislada, ser ms adecuado la construccin de una mquinapequea, o acaso mediana. El tamao de la planta elica determina el nivel de produccin y, por tanto, influyeen los costes de la instalacin, dentro de los que cabe distinguir entre el coste de laplanta (coste por kW) y el coste de la energa (coste por kWh).

3. Aplicaciones

Energa mecnica: Bombeo de agua y riego 1 Energa trmica: Acondicionamiento y refrigeracin de almacenes,

refrigeracin de productos agrarios, secado de cosechas, calentamiento deagua

2 Energa elctrica: aplicacin ms frecuente, pero que obliga a sualmacenamiento o a la interconexin del sistema de generacin autnomo conla red de distribucin elctrica

4. Ventajas e inconvenientes


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoVentajas Inconvenientes Es una energa limpia, no emiteresiduos

El parque elico exige construir infinidad deellas, lo cual es costoso.

Reduce el consumo decombustibles fsiles, por lo quecontribuye a evitar el efectoinvernadero y la lluvia cida, esdecir, reduce el cambio climtico

La produccin de energa es irregular,depende del viento, su velocidad y duracin.La instalacin slo puede realizarse en zonasde vientos fuertes y regulares. El terreno nopuede ser muy abrupto.

Es gratuita e inagotable Puede afectar a la fauna, especialmente aves,por impacto con las palas

Contaminacin acstica y visual

5. Energa elica en Espaa

Las zonas de mayor potencial son Canarias, Cdiz, Galicia y el Valle del Ebro, aunquelas dos Castillas y Galicia son las comunidades con ms potencia instalada. Se usanaerogeneradores con potencias entre 100 kW y 500 kW, tpicamente. En laactualidad (2012) existen instalados unos 21.288 MW en toda Espaa.

ANEXO I.- POTENCIA DE ENTRADA Y DE SALIDA PARA UN AEROGENERADOR

La potencia, P, de entrada de un aerogenerador, va a depender de una serie defactores, como son:

Velocidad del viento, v (m/s) Superficie de captacin, S (m2) Densidad del aire, d (kg/m3)

De la siguiente manera:

Obteniendo un valor para la potencia en W Para obtener la potencia de salida, simplemente debemos tener en cuenta elcoeficiente de aprovechamiento.



PROBLEMAS

1 1. Calcula la densidad de potencia que corresponde a un viento de 40 km/h.Justifica si dicho viento es eficaz para mover un aerogenerador. Dato:densidad del viento 1,293 kg/m3 (Sol: 884,17w/m2)

1 2. Calcula la potencia til aprovechada por la hlice de un aerogenerador de20 m de dimetro cuando el viento sopla a 15 m/s si su coeficiente deaprovechamiento es de 0,35. Dato: densidad del viento 1,293 kg/m3 (Sol: 2,4105 w)

1 3. Calcula la potencia eficaz que desarrollar un aerogenerador cuyo rotortiene 8 m de radio cuando el viento sople a 45 km/h, si el coeficiente deaprovechamiento es 0,4. (Sol: 1,02 105 w) Nota: La densidad del viento es lamisma que la del ejercicio anterior.

1 4. Calcula: a) la potencia de un aerogenerador bipala, con un rendimiento del40%, si cada pala tiene una superficie de 1,15 m2 y la velocidad media delviento es de 65 km/h. Dato: densidad del viento 1,225 kg/m3 (Sol: 3319,3 w)

b) Cmo se modificara la potencia si el aerogenerador anterior fuera tripala(rendimiento 50%) (Sol: 6223,7 w)

1 5. Determina la potencia de un viento de 60 km/h que acta sobre las palas deun aerogenerador que tiene una superficie de 1,25 m2 por pala. El nmero depalas es de 3. La densidad del aire es 1,225 kg/m3. (Sol: 10640,06 w)

1 6. Calcula la potencia real de la turbina del ejercicio anterior, as como laenerga producida si est funcionando durante 8 horas. El rendimiento de unaaerogenerador de tres palas es 055. (Sol: P= 5852,03 w y E= 46,82 Kwh)

1 7. Calcula la potencia eficaz que desarrolla un aerogenerador cuyo rotor mide20m de radio, si la velocidad media del viento es de 50km/h y el coeficientede aprovechamiento es de 0,45. Calcula tambin la energa producida si estfuncionando durante 10 horas. Densidad del viento 1,293 kg/m3 (P=9,8105w ,E=9800Kwh)

23 8. Calcula la densidad de potencia que corresponde a un viento de 25 km/h.

Justifica si dicho viento es eficaz para mover un aerogenerador. Dato:densidad del viento 1,293 kg/m3 (d=212,38w/m2 - S)

1 9. Calcula la potencia de un aerogenerador tripala, con un rendimiento del45%, si cada pala tiene una superficie de 2,15 m2 y la velocidad media delviento es de 55 km/h. Dato: densidad del viento 1,225 kg/m3 (P=6342,32w)

1 10. Ser suficiente el aerogenerador del ejercicio anterior para alimentar auna vivienda que necesita un consumo energtico de 350w durante 8 horas?



TEMA 5 - ENERGA HIDRULICA

I. Introduccin La energa del agua o energa hidrulica, es esencialmente una forma de energasolar. El Sol comienza el ciclo hidrolgico evaporando el agua de lagos y ocanos ycalentando el aire que la transporta. El agua caer en forma de precipitacin (lluvia,nieve, etc.) sobre la tierra y la energa que posee aquella por estar a cierta altura(energa potencial) se disipa al regresar hacia lagos y ocanos, situados a nivelesms bajos.

Ciclo del agua

La energa hidrulica, es la energa que tiene el agua cuando se mueve a travs deun cauce (energa cintica) o cuando se encuentra embalsada a cierta altura (es decir, en forma deenerga potencial). En este momento toda la energa hidrulica del agua estar enforma de energa potencial. Cuando se deje caer, se transformar en energacintica, que puede ser aprovechada para diversos fines. Se trata de una energarenovable. Desde hace unos dos mil aos, toda la energa hidrulica se transformaba en energamecnica que, posteriormente, tena aplicaciones especficas en norias, molinos, forjas,... A partir del siglo XX se emple para obtener energa elctrica. Son las centraleshidroelctricas. Se caracteriza porque no es contaminante y puede suministrartrabajo sin producir residuos (rendimiento 80%). Toda central hidroelctrica transforma la energa potencial del agua acumulada en elembalse en energa elctrica a travs del alternador. Las diferentes transformacionesde energa que se producen son:

En las tuberas, la energa potencial del agua se convierte en cintica. En lasturbinas, la energa cintica del agua se transforma en energa cintica de rotacin


Tecnologa Industrial 1 Bachilleratodel eje de las turbinas, y por ltimo en el alternador, la energa cintica de rotacindel eje se convierte en energa elctrica.

II. Constitucin de una central hidroelctrica Las partes principales de una central hidrulica son: - Presa - Toma de agua - Canal de derivacin - Cmara de presin - Tubera de presin - Cmara de turbinas - Canal de desage - Parque de transformadores.

Presa: Es la encargada de almacenar el agua y provocar una elevacin de su nivelque permita encauzarla para su utilizacin hidroelctrica. Tambin se emplea pararegular el caudal de agua que circula por el ro y aumentar el potencial hidrulico.Las presas pueden ser de varios tipos: De gravedad: su propio peso sirve para contrarrestar elempuje del agua; suelen estar huecas, aprovechando eseespacio para colocar mecanismos. Suele ser recta o cncava. De bveda: la presin del agua setransmite a las laderas de la montaa.Suele ser convexa, de modo que, cuantoms empuja el agua del embalse, msse clavan los lados de la presa en lasladeras de la montaa. Son presas mspequeas, y baratas.

Todo dique debe permitir el escape del exceso de agua para evitar accidentes. Elexcedente de agua se puede eliminar a travs de un aliviadero (por debajo de lacima de la presa), mediante un pozo de desage (interior del embalse) o por un tnelde desage (bordeando el dique) .Canal de derivacin: Es un conducto que canaliza el agua desde el embalse. Puedeser abierto (canal), como los que se construyen siguiendo la ladera de una montaa,o cerrado (tubo), por medio de tneles excavados. Las conducciones deben ser lo ms rectas y lisas posibles para reducir al mnimo lasprdidas por friccin, necesitando adems un sistema para regular el caudal(compuertas o vlvulas) .Tiene menos pendiente que el cauce del ro. Si el salto es inferior a 15 m, el canaldesemboca directamente en la cmara de turbinas. En su origen dispone de una o varias tomas de agua protegidas por medio de rejillasmetlicas para evitar que se introduzcan cuerpos extraos .Cmara de presin: Es el punto de unin del canal de derivacin con la tubera depresin. En esta cmara se instala la chimenea de equilibrio. Este dispositivo consiste en un depsitode compensacin cuya misin es evitar las variaciones bruscas de presin debidas alas fluctuaciones del caudal de agua provocadas por la regulacin de su entrada a lacmara de turbinas. Estas variaciones bruscas son las que se conocen como golpede ariete. Tubera de presin: Tambin llamada tubera forzada, se encarga de conducir elagua hasta la cmara de turbinas. Las tuberas de este tipo se construyen de


Tecnologa Industrial 1 Bachilleratodiferentes materiales segn la presin que han de soportar: palastro de acero,cemento-amianto y hormign armado .Cmara de turbinas: Es la zona donde se instalan las turbinas y los alternadores.Adems de las turbinas, existen otros dispositivos captadores: las ruedashidrulicas .La turbina es una mquina compuesta esencialmente por un rodete con labes opalas unidos a un eje central giratorio (velocidad de giro superior a 1000 rpm). Sumisin es transformar la energa cintica del agua en energa cintica de rotacin deleje. El alternador, cuyo eje es la prolongacin del eje de la turbina, se encarga detransformar la energa cintica de rotacin de ste en energa elctrica. Los elementos bsicos de una turbina son: Canal de admisin: Conducto por donde penetra el agua Distribuidor: Paredes perfiladas que permiten encauzar el agua hacia el elementomvil Rodete: Dispositivo portador de los labes, perfilados para que absorban con lamayor eficacia posible la energa cintica del agua .Las turbinas empleadas en las centrales hidrulicas se dividen en dos tipos: - Turbinas de accin - Turbinas de reaccin Las turbinas de accin son aquellas que aprovechan nicamente la velocidad delagua, es decir su energa cintica. El modelo ms habitual es la turbina Pelton, se emplea para centrales de pequeocaudal y con un gran salto de agua, y consta de un eje horizontal y un disco circularo rodete que tiene montados unos labes o cucharas de doblecuenca a los que llega el agua impulsada por inyectores queregulan el caudal. Puede desarrollar velocidades de giro de unas 1000 rpm. Paraaumentar la potencia basta aumentar el nmero de chorros.Tiene una eficacia de hasta el 90%. Cada tobera lleva un deflector para regular la presin del aguasobre los labes. En cada rodete es posible montar hasta 4toberas. Puede utilizarse en saltos de altura superior a 200 m,pero requiere una altura mnima de 25 m. Turbina Pelton Existen otros modelos de turbinas de accin como la Turgo de inyeccin lateral yla de Ossberger o Banki-Michell de doble impulsin. Las turbinas de reaccin aprovechan tanto la velocidad del agua como la presinque le resta a la corriente en el momento de contacto. Las ms utilizadas entre las de reaccin son la turbina Francis y la turbina Kaplan.Estas suelen tener cuatro elementos fundamentales: carcasa o caracol, distribuidor,rodete y tubo de aspiracin .La turbina Francis est totalmente sumergida en agua, se utiliza en centrales conaltura de salto de 15 a 400 m y es apropiada para saltos y caudales medianos.Dispone de un eje vertical y su rodete est constituido por paletas alabeteadas. Elagua es conducida hasta la periferia del rodete por un distribuidor y se evacua por

un canal que sale a lo largo del eje. Tiene un rendimiento del90%



Turbina Francis Esquema de la entrada de agua en una turbinaRodete de una turbina Francis

Francis La turbina Kaplan se utiliza para saltos pequeos y grandes caudales, pueden tenerel eje horizontal, vertical o inclinado, diferencindose de la turbina Francis principalmente en elrodete. Su rodete est formado por una hlice de palas orientables, (generalmente 4o 5) lo que permite mejorar su rendimiento y disminuir el tamao del alternador.Tiene una eficiencia entre el 93 y el 95%.

Esquema de la entradade agua

Rodete de una turbina Kaplan

Turbina Kaplan

La tendencia en las turbinas hidrulicas modernas es utilizar cadas mayores ymquinas ms grandes. Segn el tamao de la unidad, las turbinas Kaplan se utilizan en cadas de unos 60m, y en el caso de las turbinas Francis de hasta 610 m.


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoLa potencia de una central hidroelctrica depende del caudal que pueda turbinar ydel salto, es decir, de la diferencia de cotas del agua a la entrada y la salida de la central. En funcin dedichos parmetros (salto y caudal) se elegir el tipo de turbina ms adecuada. En losltimos aos se han desarrollado turbinas con capacidades de hasta 700 MW. Canal de desage: Se encarga de devolver el agua utilizada en las turbinas hasta elcauce del ro. El agua sale a gran velocidad, por lo que se protege la salida y lasparedes laterales con refuerzos de hormign para evitar la erosin, que podra poneren peligro la propia presa. Parque de transformadores: Para evitar prdidas de energa en el transporte a largasdistancias, se hace necesario elevar la tensin a valores no inferiores a los 200 000V. Este aumento de tensin se lleva a cabo en el parque de transformadores.

III. Principios de funcionamiento Una presa sirve para contener el agua y formar tras de s un embalse. El agua selibera por los desages, que fluye por las tuberas de conexin (canal de derivacin)hasta la sala de mquinas. A la entrada de la tubera, una serie de rejillas regulan elcaudal de agua y actan como filtro, impidiendo que lleguen a las turbinaselementos extraos. Al llegar a los grupos turbina-alternador el agua hace girar laturbina cuyo eje es solidario al del alternador, producindose en los terminales deste una corriente elctrica alterna de alta intensidad y tensin relativamente bajaque, mediante transformadores se convierte en corriente de alta tensin e intensidadbaja, lo ms apropiado para su transporte. El agua se transporta por unos conductoso tuberas forzadas, controlados con vlvulas para adecuar el flujo de agua por lasturbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale por los canales dedescarga. Se han diseado turbinas que actan como bombas cuando funcionan a la inversa,invirtiendo el generador elctrico para que funcione como un motor. Dado que no esposible almacenar la energa elctrica de forma econmica, este tipo de bombasturbina se utiliza para bombear agua hacia los embalses, aprovechando la energaelctrica generada por las centrales nucleares y trmicas durante las horas de pococonsumo. El agua embalsada se emplea de nuevo para generar energa elctricadurante las horas de consumo elevado (centrales de bombeo).

IV. Clasificacin de las centrales hidroelctricas Las centrales hidroelctricas se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios: Segn la forma de aprovechar el agua: a) Aprovechamiento por derivacin.- Por medio de una pequea presa se desva elagua del ro hacia un canal ligeramente inclinado que la conduce hasta un depsito.Desde aqu el agua se dirige a travs de una tubera hasta la sala de mquinas. Trasmover la turbina el agua se conduce de nuevo al ro por medio de un canal dedescarga.


Tecnologa Industrial 1 Bachilleratob) Aprovechamiento por acumulacin.- En una zona apropiada del ro se construyeuna presa donde el agua se acumula. A mitad de altura, se encuentra la toma deagua hacia la sala de mquinas. Segn el caudal del ro: a) Centrales de regulacin.- El caudal es variable y es necesario acumular el aguapara generar energa regularmente. b) Centrales fluyentes.- El caudal es tan regular que se puede usar directamente ocon un embalse reducido. Segn su potencia: a) Minicentrales elctricas.- Tienen una potencia entre 250-5000 KW. y se usan parapequeos pueblos o industrias. Si se conectan a la red general se necesitan muchaspara que sean rentables. b) Grandes centrales o centrales hidroelctricas.- Tienen potencia superior a los 5MW y producen energa a gran escala. Las grandes tienen una potencia instalada dehasta 14GW como la de Itaip (Paraguay-Brasil) 22 5 GW en la Presa de las TresGargantas (China). Por su funcionamiento: a) Central sin bombeo.- Situada en el cauce de un ro y con suficiente altura paragenerar energa. b) Central de bombeo.- Presenta un embalse superior y otro inferior. El agua quegenera corriente pasa del embalse superior al inferior pasando por la sala demquinas, cuando hay gran demanda de energa. Cuando la demanda de energa esbaja, la energa sobrante se utiliza para bombear desde el embalse inferior alsuperior, y de esta forma se logra el mximo aprovechamiento del agua.

V. Emplazamiento de sistemas hidrulicosPara evaluar el potencial extrable, es importante tener en cuenta los siguientesaspectos: El caudal de agua disponible, que se establece a partir de datos pluviomtricosmedios de largos periodos de tiempo. El desnivel que se puede alcanzar, impuesto por el terreno Un gran desnivel (100 150 m) obligar a utilizar largas canalizaciones, mientrasque un pequeo desnivel (menor de 20 m), obligar a la construccin de un embalsepara aumentarlo (necesario estudiar las conducciones y los diques). Para conocer correctamente las caractersticas de determinado aprovechamiento, esnecesario disponer de datos de, al menos, veinte aos hidrolgicos.

VI. Impacto ambiental



VII.Un ejempo de central hidraulica: Las Trs Gargantas.

Un ejemplo de megacentral hidrulica es la que han construido los chinos en una delas cuencas del ro Yangtz desplazando a los habitantes de ciudades enteras. Enconcreto, esta monumental obra dej bajo el nivel de las aguas a 19 ciudades y 322pueblos, afectando a casi 2 millones de personas y sumergiendo unos 630 km2 desuperficie de territorio chino. Cuenta con 32 turbinas de 700MW cada una, 14 instaladas en el lado norte de lapresa, 12 en el lado sur de la presa y seis ms subterrneas totalizando una potenciade 24.000 MW.


http://es.wikipedia.org/wiki/Megavatio

Tecnologa Industrial 1 BachilleratoLa presa mide 2.309 metros de longitud y 185 metros de altura e incluye una esclusacapaz de manipular barcos de hasta 3.000 toneladas. Desde tiempos inmemoriales,el ro sufra inundaciones masivas de sus orillas cada diez aos, y slo en el siglo XX,segn las autoridades chinas, murieron unas 300.000 personas por culpa de estefenmeno. La presa est diseada para evitar estos sucesos y mejorar el control delcauce del ro, as como para proteger a los ms de 15 millones de personas queviven en sus mrgenes.

La presa de las Tres Gargantas, en la actualidad, ostenta el ttulo de "la mayorrepresa de generacin de energa del mundo"

La inundacin de las tierras provoc, tambin, grandes prdidas de reliquiasubicadas en las cercanas del ro. Elementos de la era Paleoltica, sitios del Neoltico,entierros ancestrales, tumbas aristocrticas y obras de las dinastas Ming y Qing,quedarn por debajo de la lnea de almacenamiento. Por ello, a partir de 1995 seinici una carrera contrarreloj a fin de rescatar la mayor cantidad posible de estoselementos.Las consecuencias medioambientales en el lugar han sido devastadoras. Un ejemploes la reciente extincin del baiji o delfn chino, una especie endmica del ro Yangtz,que llevaba en peligro crtico de extincin desde haca dcadas. La construccin deesta presa, ha llevado al lmite las condiciones que esta especie de delfn podasoportar y finalmente, en 2008, tras haberse realizado exhaustivas bsquedas,el baiji fue declarado oficialmente extinto.Algunos crticos dicen que el ro llevar al embalse 53.000 millones de toneladas dedesechos que podran acumularse en la pared de la presa, tapando las entradas a lasturbinas. La acumulacin de sedimentos es un problema caracterstico de losembalses, esto disminuye la capacidad de produccin y adems recorta la vida til.

Algunos crticos dicen que el ro llevar al embalse 53.000 millones de toneladas de desechos que podran acumularse en la pared de la presa, tapando las entradas a lasturbinas. La acumulacin de sedimentos es un problema caracterstico de los embalses, esto disminuye la capacidad de produccin y adems recorta la vida til.

VII. Anexo. Potencia de una central hidroelctrica La potencia de una central hidroelctrica depende, fundamentalmente, de dosparmetros: la altura del salto del agua y el caudal que incide sobre las turbinas.

P Potencia de la central en kW C caudal del agua en m3/s h altura en m (desde la superficie del embalse hasta el punto donde est laturbina)

No toda la potencia es aprovechable, pues existen prdidas debidas al transporte delagua y al rendimiento de turbinas y alternadores, por lo que para corregir el error seintroduce un coeficiente de rendimiento estimado,

La energa generada:


http://es.wikipedia.org/wiki/Baijihttp://es.wikipedia.org/wiki/Yangts%C3%A9http://es.wikipedia.org/wiki/Endemismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Baijihttp://es.wikipedia.org/wiki/1995http://es.wikipedia.org/wiki/Dinast%C3%ADa_Qinghttp://es.wikipedia.org/wiki/Dinast%C3%ADa_Minghttp://es.wikipedia.org/wiki/Neol%C3%ADticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Paleol%C3%ADtico


E = P t = 9,8 C h t E Energa en kWh t tiempo en horas



CUESTIONES

1. En qu momento se comenz a utilizar la energa hidrulica para obtener energaelctrica?

2. Indica las transformaciones energticas que se producen para transformar laenerga hidrulica en elctrica.

3. Aspectos a tener en cuenta para instalar una central hidroelctrica.

4. Haz un esquema en el que se indiquen las partes principales de una centralhidrulica. 5. Diferencias entre los tres tipos de turbinas estudiados.

6. Cul es la funcin del parque de transformadores? 7. Qu modificaciones deben hacerse a la corriente elctrica generada para suposterior transporte?

8. En qu casos es viable la construccin de una central de agua de derivacin?

9. Qu ventajas presenta una central de bombeo frente a una de agua embalsada? 10. Busca informacin sobre algn accidente producido por la rotura de una presa.

PROBLEMAS

11. Calcula en kW la potencia que genera una central hidroelctrica a partir de uncaudal medio de 10m3/s y una altura neta de salto de 30m si el coeficiente derendimiento estimado es de del 30%. (Sol: 882 kW)

12. Calcula la potencia en kW y en CV que podra obtenerse en una centralhidroelctrica con un salto de 25 m a partir de un caudal de 15 m3/s, suponiendo unrendimiento del 35%. (Sol: 1286,25 kW; 1747,62 CV) (1CV = 736w)

13. Una central hidroelctrica tiene 2,5 Hm3 de agua embalsada a una altura mediade 120 m con relacin a la turbina. Cul es la energa potencial en Kwh? ( Sol: E =8,17 105 kWh) (1 kWh = 3,6 106 J). a) Si el rendimiento de las instalaciones es del 65%. Qu energa producir enuna hora si el agua cae con un caudal de 2 m3/s? ( Sol: E = 1528,8 kWh) b) Qu potencia tiene la central? ( Sol: P =1528,8 kW) 14. Calcula en kW y en CV la potencia que genera una central hidroelctrica a partirde un caudal medio de 25m3/s y una altura neta de salto de 40m si el coeficiente derendimiento estimado es de del 30%. (1CV = 736w)

15. Una central hidroelctrica tiene 1,8 Hm3 de agua embalsada a una altura mediade 100 m con relacin a la turbina. Cul es la energa potencial en Kwh? (1 kWh =3,6 106 J). (Sol: Ep=4,9105 Kwh) 16. Si el rendimiento de las instalaciones del problema anterior es del 60%. Quenerga producir en una hora si el agua cae con un caudal de 2,5 m3/s? Qupotencia genera la central? (Sol: E=1470Kwh)



TEMA 6 - ENERGA NUCLEAR Y CENTRALES NUCLEARES

1. Energa nuclearLa energa nuclear se desprende de los ncleos de los tomos cuando se produce loque se llama una reaccin nuclear.

El principio en el que se basa el aprovechamiento de la energa nuclear es laequivalencia que existe entre masa y energa.Si se divide un ncleo atmico de masa M en dos, la suma de las masas de cada unade las mitades ser menor que el ncleo inicial. Esto, que aparentemente esimposible, se debe al hecho de que parte de la masa del ncleo atmico se hatransformado y liberado en forma de energa, siguiendo el principio de AlbertEinstein.

Donde E = energa producida o liberada en la reaccin nuclear (en julios) m= Masa del ncleo que se ha transformado en energa. (en kg) c= velocidad de la luz en m/s = 3108 m/s

El proceso empleado en las centrales nucleares es de fisin nuclear. Consiste enprovocar la ruptura de un ncleo atmico pesado, normalmente 235U (Uranio) y 239P(Plutonio). La divisin del tomo la provoca un neutrn, que bombardea a altavelocidad el ncleo y lo divide en varios fragmentos, liberando, adems de una grancantidad de energa y rayos , (gamma), otros neutrones que bombardearn otrosncleos atmicos, (provocando una reaccin en cadena).

Para hacernos una idea, vemos cuanta energa generara la fisin de un kg deuranio, segn la frmula de Einstein.

E = mc2 = (1 kg) (3108 m/s) 2 = 9 1016 J = 215 1013 kcal

Para hacernos una idea, un kg de fuel genera una energa de 11200 kcal. Es decir,que un kg de uranio genera casi dos mil millones veces ms energa que un kg defuel.


Tecnologa Industrial 1 BachilleratoEn la dcada de los 40, se comenz a explotar la energa nuclear como fuente deenerga, puesto que por un lado se dispona de neutrones capaces de iniciar unareaccin de fisin, en la cual se desprenden nuevos neutrones que permitencontinuarla (reaccin en cadena). Esta reaccin deba ser explosiva y era necesariocontrolarla. Por otro lado, se encontraron sustancias capaces de frenar los neutronesemitidos, permitiendo as un control efectivo de la reaccin. A estas sustancias se lasdenomina moderadores y las ms usuales son: agua pesada, grafito, berilio, carbn,cadmio... Se define como factor de multiplicacin k de una reaccin nuclear al cociente entreel nmero de neutrones emitidos en un intervalo de tiempo y la suma de losneutrones absorbidos en ese tiempo.

III.2. Componentes de una central nuclear Una central nuclear es una central trmica, slo que, en este caso, la fuente deenerga no son combustibles fsiles, sino combustible nuclear y el proceso no es porsimple combustin, sino por fisin nuclear. En definitiva, la caldera de la centraltrmica convencional se sustituye en este caso por el llamado reactor nuclear.El elemento ms importante de una central nuclear es: el reactor nuclear, quesustituye a la caldera en una central elctrica de combustibles fsiles. En l se da elsiguiente fenmeno: Un flujo de neutrones a alta velocidad que divide en variosfragmentos los ncleos atmicos, liberando la energa buscada. Adems, se liberan asu vez ms neutrones muy energticos, los cuales dividen a otros ncleos,favoreciendo las reacciones nucleares en cadena, sin aparente control. Para controlarel proceso, se deben frenar los neutrones, hacindolos chocar contra determinadassustancias llamadas moderadores. La masa mnima de combustible nuclear (235U)para producir la reaccin nuclear se llama masa crtica. Dentro del edificio del reactor se encuentra la vasija o ncleo, donde seintroducen las barras del combustible nuclear en tubos de aleacin de zirconio, y ensu interior se produce la reaccin nuclear. La vasija es un gran depsito de acero,recubierto en su interior por plomo para absorber las radiaciones nucleares. Dentro del ncleo tambin se encuentra el material moderador (hidrgeno,deuterio o carbono, cuya misin es frenar la velocidad de los neutrones, pues a lasvelocidades que se liberan, unos 20000km/s es poco probable que otro tomoabsorba este neutrn) y las barras de control, que controlarn el nmero defisiones, pues absorben los neutrones (hechas de un material como el carburo deboro, que absorbe neutrones).



Si las barras de control estn introducidas totalmente en el ncleo, la absorcin deneutrones es total y no hay reaccin nuclear, a medida que se van extrayendo talesbarras, aumentan las reacciones nucleares porque se absorben menos neutrones. Elreactor tiene a su vez un blindaje de hormign de varios metros de espesor. El ncleo del reactor est rodeado por agua, la cual se calentar y transformar envapor para posteriormente, conducirlo a las turbinas que finalmente generan energaelctrica de una forma similar a la central trmica.

2. Partes principales de un reactor Combustible: El ms utilizado actualmente es el dixido de uranio. Se comprime enforma de pastillas (pellets) que se cargan en unos tubos estrechos, de unos 3,7 m delongitud, que van montados unos al lado de otros en cilindros para formar varillas decombustible para el reactor. Se inserta en unos tubos (vainas) de aleacin de zirconio(Zr) de aproximadamente 1 de dimetro. (antiguamente eran de acero inoxidable)

Moderador: Material que se utiliza para frenar el movimiento de los neutrones, puesse ha descubierto que es ms probable que los neutrones de movimiento lentocausen fisin y hagan funcionar el reactor. El ms corriente es el carbono (grafito) oel agua o agua pesada.

Barras de regulacin: Es necesario controlar el flujo de neutrones para trabajar encondiciones de seguridad. Estas barras estn hechas de un material que absorbe


Tecnologa Industrial 1 Bachilleratoneutrones (acero al boro, cadmio), con lo que se consigue disminuir la velocidad dereaccin introduciendo las barras, y aumentarla cuando stas se extraen.

Refrigerante: El calor producido por las reacciones de fisin se elimina bombeandoun refrigerante, como agua, entre los elementos combustibles caliente

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