Principios Generales

1. ENERGÍA
NOCIONES
CARLOS ALBERTO VILLALOBOS
JULIO 2017

2. OBJETIVO
BRINDAR HERRAMIENTAS TÉCNICAS PRÁCTICAS QUE PERMITAN AL
EQUIPO COMERCIAL DE VIDAGAS VISUALIZAR OPORTUNIDADES Y
ESTABLECER DE MANERA RÁPIDA SI UNA OPORTUNIDAD ES O NO REAL.

3. DEFINICIONES
Energía (U). Capacidad de generar trabajo.
Trabajo (W). En física clásica se define como la fuerza aplicada a un cuerpo
que hace que este cambie sus condiciones de movimiento.
Calor (Q). Cantidad de energía térmica generada por la vibración de las
moléculas de una materia.
Energía Renovable. Energía que utiliza como fuente recursos naturales
inagotables como solar, eólica, geotérmica, etc. La biomasa
hasta cierto punto puede considerarse como energía
renovable.
Energía no Renovable. Energía que utiliza como fuente recursos naturales
limitados, como fósiles o nucleares.
Entropía. Magnitud física que mide el grado del “desorden” de un sistema
Eficiencia. Cociente de la energía producida y la energía suministrada para
completar un ciclo.

4. UNIDADES DE MEDIDA
Sistema internacional. (SI)
Sistema de medida que nace en octubre de 1960 en la decimoprimera conferencia
general de pesas y medidas que amplío el sistema métrico original. Se supone que
los países con sistema ingles adopten algún día este sistema y así contar con un
sistema único en el planeta.
Las unidades básicas son.
Masa. Kilogramo (kg)
Tiempo. Segundo (s)
Corriente. Ampere (A)
Temperatura. Kelvin (K)
Cantidad de Sustancia. mol (mol)
Intensidad Luminosa. Candela (cd).
Para saber un poco mas:
historia
Sistema internacional

5. UNIDADES DE MEDIDA
Sistema Ingles.
Conocido también como sistema de pulgadas-libras es el mas utilizado en EU y la comunidad
británica. Las unidades usadas son pulgadas, pinta (volumen), onza (peso), segundo.
Es importante establecer, en momentos de análisis iniciales, cual es el origen del equipo a atender y
tener claro en qué unidades están establecidos sus consumos. Esto con el fin de evitar equívocos al
momento de diseñar.
De las unidades básicas se derivan un sin fin de unidades, es decir, al realizar operaciones entre
unidades se obtienen otras que ayudan en casos mas específicos.
Por ejemplo.
El volumen se obtiene de multiplicar longitudes. V=lxlxl
La energía se mide en el sistema internacional en Julios = N.m (Newton x Metro)
1 Newton = kg x m/s2
En todos los casos es importante tener a la mano una lista con las conversiones que mas necesite en su
tarea diaria.
En el siguiente link pueden realizar las conversiones.
http://www.convertworld.com/es

6. ENERGÍA
Ya sabemos que es la capacidad que se tiene de generar un trabajo y que su
unidad en sistema internacional es el Julio y en el sistema ingles es el BTU
(British Thermal Unit) que equivale a 1055,056 Julios.
En los sistemas industriales en Colombia encontraremos un sin fin de unidades
por lo que el asesor comercial debe tener claro el concepto y así pueda aplicar
tablas de conversión.
El siguiente video explica de manera sencilla que es la energía y algunos tipos
ENERGÍA

7. ENERGÍA EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA
En la industria nacional el uso de energía generalmente depende de su disponibilidad y
precio. La energía eléctrica es la mas usada por la industria seguida por sistemas térmicos
(vapor, agua caliente, aire caliente, etc) mediante combustibles como Gas Natural,
Carbón y fuel oil.
Actualmente el mercado cuenta con grandes competidores con propuestas diversas y
gracias al interés del gobierno, dado por acuerdos internacionales, se está modificando la
reglamentación en la búsqueda de una mejor diversificación, especialmente apuntando a
temas de eficiencia energética y el uso de energías renovables.
Debido a esto ha entrado en el mercado Colombiano sistemas foto-voltaicos (energía
solar), eólicos y algunas propuestas de tecnologías menos desarrolladas como la
magnética, elelectro-mangética y geotérmica. Estas en búsqueda de generar energía
eléctrica mas económica y con mejores niveles ambientales.

8. ALGUNAS CATEGORÍAS
Se pueden definir y estudiar un gran número de tipos de energía: eléctrica, lumínica,
eólica, solar, térmica, nuclear, cinética, química, hidráulica, fotovoltaica, radiante,
iónica, sonora, potencial, etc.
Varios tipos de combustibles: biomasa, gasolina, gas natural, diésel, biogás, fuel oíl,
nafta, Syngas y por su puesto GLP, entre muchos mas.
Y se pueden clasificar como renovables y no renovables y los no renovables se pueden
clasificar de acuerdo al nivel de emisiones contaminantes que generan en su combustión.
Muchos de estos combustibles y tipos de energía se usan en la industria colombiana
además de grandes intereses extranjeros en entrar en el país con muchas de las que aún
no están en nuestro medio.

9. ENERGÍAS RENOVABLES
A pesar que el GLP no es considerado una energía renovable es importante considerar que
el gobierno está generando leyes y normas que apoyan el uso de este tipo de energías y,
afortunadamente, se están incluyendo artículos que permiten el aprovechamiento
eficiente de la energía, así que existe una oportunidad.
Se recomienda el estudio de la normatividad vigente y en especial la ley 1715 de 2014, en
reglamentación, con el fin de establecer procedimientos que permitan estos
aprovechamientos.
Básicamente la oportunidad está dada en asegurar que el combustible se aproveche en
mayor porcentaje al actual y la ley 1715 da los parámetros a cumplir.
Videos de interés.
Algunos tipos Qué podría venir?

10. TERMODINÁMICA
Históricamente la Termodinámica ha tenido múltiples definiciones de las cuales propongo la expuesta por Kesting1. “La ciencia
de la termodinámica es una rama de la física. Describe los procesos naturales en donde los cambios de temperatura
desempeñan un papel importante. Dichos procesos implican la transformación de energía de una forma en otra. Por tanto, la
termodinámica trata de leyes que gobiernan esas transformaciones de energía.”
Y por su sencillez propongo la utilizada por Francis F. Huan2. “se considera la termodinámica simplemente como la ciencia que
se ocupa de la energía, de la materia y de las leyes que rigen sus interacciones.”
Dichas leyes gobiernan los procesos energéticos que se encuentran en la industria, de allí su gran importancia, especialmente
cuando los negocios importantes se tienen márgenes tan pequeños.
Cada una de estas leyes tienen sus propias formulas y buscan describir un estado estático de un sistema, es decir, refleja los
estados y energías en un momento específico. Esto, en palabras sencillas, quiere decir que energía y trabajo se pueden producir
por un sistema y de allí podríamos establecer las cantidades (de trabajo y energía) existentes en el proceso.
Generalmente se estudian ciclos termodinámicos entre los cuales se encuentran.
- Ciclo Rankine – Genera vapor con el cual se genera trabajo
- Ciclo Otto - Ciclo que se usa en motores de combustión interna a gas o gasolina.
- Ciclo Diésel. - Ciclo usado por los motores Diésel.
- Ciclo Brayton - Ciclo que describe el funcionamiento de turbinas
Se debe aclarar que estos son ciclos teóricos que dan apoyo a los cálculos reales cuando se involucran todas las condiciones
reales.
1-Joseph Kesting, A Coruse in Thermodynamics, Blaisdell Publishing Co., Waltham, Mass, 1996
2- Francis F. Huan. Ingeniería termodinámica – fundamentos y Aplicaciones., Compañía Editorial Continental, SA de CV, México 1994

11. TERMODINÁMICA
Video de Introducción
SIMBOLOGÍA
Es muy útil usar gráficos que representan ciclos termodinámicos y el sentido en que los estados ocurren.
Se aclara esto pues existe una rama de la ingeniería termodinámica que estudia los ciclos reversibles, que
no son aplicables en la realidad pero que sirven mucho al momento de estudiar la entropía.
Ejemplos.
Bomba térmica Ciclo Brayton
Generación de Vapor

12. También se usan los diagramas de fase que son una representación gráfica de los estados
termodinámicos y combinan dos o tres magnitudes, de allí que se puedan tener gráficos T-s
(temperatura – Entropía), P-V (Presión - Volumen), P-V-T (Presión – Volumen Temperatura), etc.
Ejemplos.
TERMODINÁMICA
T-P-V. De una sustancia que se expande al congelarse P – V - GLP

13. TERMODINÁMICA
Para los cálculos se utilizan tablas termodinámicas que son calculadas con bases experimentales y
por cada tipo de fluido de trabajo
PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DEL PROPANO SATURADO
La entalpia y la entropia están referidas al liquido saturado
a -128,9 °C, donde los valores son cero.
Temp Presión* Volumen específico Densidad Entalpia** Calor Entropía** Temp
Gra. Pascales (N/m2) m3/kg kg/m3 kcal/kg Latente kcal/kg*°C Gra.
°C Abs. Man. Liq. Vap. Liq. Vap. Liq. Vap. kcal/kg Liq. Vap. °C
t p g.p. v V l/v l/V hf hg L sf sg t
-59,4 43.919 *57.406 0,00166 0,90536 602,03 1,105 36,40 141,97 105,58 0,142 0,624 -59,4
-56,7 50.814 *50.511 0,00167 0,80546 598,99 1,241 37,78 142,80 105,02 0,148 0,623 -56,7
-53,9 58.467 *42.858 0,00168 0,70556 595,78 1,417 39,73 143,36 103,63 0,154 0,621 -53,9
-51,1 67.017 *34.308 0,00169 0,62002 592,58 1,778 41,12 144,19 103,07 0,160 0,620 -51,1
-48,3 76.532 *24.793 0,00170 0,54322 589,38 1,842 42,79 145,03 102,24 0,167 0,618 -48,3
-17,8 263.379 162.054 0,00181 0,16921 553,18 5,910 59,01 154,31 95,30 0,231 0,605 -17,8
-15,0 288.889 187.564 0,00182 0,15485 549,82 6,454 60,46 155,03 94,57 0,236 0,604 -15,0
-12,2 317.158 215.833 0,00183 0,14174 546,46 7,063 61,84 155,86 92,91 0,246 0,603 -12,2
-9,4 348.874 247.549 0,00184 0,12925 542,93 7,736 63,35 156,58 93,24 0,248 0,602 -9,4
-6,7 382.658 281.333 0,00185 0,11863 539,25 8,424 64,90 157,31 92,41 0,254 0,601 -6,7
10,0 632.937 531.612 0,00194 0,07368 516,35 13,565 74,57 161,53 86,96 0,292 0,596 10,0
12,8 684.647 583.322 0,00195 0,06868 512,50 14,558 76,24 162,25 86,02 0,298 0,596 12,8
15,6 738.426 637.101 0,00197 0,06306 508,50 15,856 78,13 162,92 84,79 0,306 0,595 15,6
18,3 795.652 694.327 0,00198 0,05900 504,50 16,977 79,90 163,64 83,74 0,313 0,594 18,3
21,1 854.947 753.622 0,00200 0,05513 500,33 18,098 81,96 164,36 82,40 0,321 0,594 21,1
23,9 918.378 817.053 0,00202 0,05151 496,01 19,379 83,52 164,98 81,46 0,327 0,594 23,9
26,7 984.568 883.243 0,00203 0,04808 491,68 20,820 85,57 166,20 80,63 0,335 0,593 26,7
29,4 1.055.584 954.259 0,00205 0,04820 487,20 22,262 87,24 166,25 79,01 0,342 0,593 29,4
32,2 1.130.736 1.029.411 0,00207 0,04202 482,87 23,863 89,07 166,86 77,79 0,349 0,593 32,2
35,0 1.206.578 1.105.253 0,00209 0,03946 478,39 25,305 90,79 167,42 76,63 0,356 0,592 35,0
37,8 1.289.315 1.187.990 0,00211 0,03690 473,75 27,067 92,68 168,03 75,35 0,363 0,592 37,8
40,6 1.378.947 1.277.622 0,00213 0,03453 468,78 28,988 94,35 168,48 74,13 0,370 0,592 40,6
43,3 1.461.683 1.360.358 0,00216 0,03247 463,82 30,750 96,02 168,92 72,90 0,376 0,591 43,3
46,1 1.558.210 1.456.885 0,00218 0,03047 458,53 32,832 97,91 169,31 71,40 0,383 0,590 46,1
48,9 1.654.736 1.553.411 0,00221 0,02866 453,24 34,914 99,91 169,59 69,68 0,391 0,589 48,9
* mBAR bajo la presión atmosférica estándar (1.013 BAR).
** Del Diagrama de Mollier para Butano, W. C. Edmister, Standard Oil Co. Indiana)
JDBM

14. TERMODINÁMICA – ALGUNOS DATOS
Magnitud física Símbolo Unidad SI
calor Q J
trabajo W J
temperatura
termodinámica
T K
temperatura
Celsius
t oC
energía
interna
U J
entropía S J K-1
capacidad
calorífica
C J K-1
razón Cp / Cv g 1
Unidades Básicas Fórmulas gases ideales
1 ley de la termodinámica
𝑛 =
𝑊
𝑄𝑒
Eficiencia Térmica
𝑛(%) = 1 −
𝑊
𝑄𝑒
𝑥100

15. TERMODINÁMICA – CICLO RANKINE
Ciclo termodinámico cuyo objetivo es la conversión de calor en trabajo, en
Colombia existen varias centrales térmicas que aprovechan este ciclo utilizando
combustibles como carbón y Gas Natural. Su participación en el mercado
dependen de los niveles de embalses y buena parte de ellas solo se prenden en
momentos de necesidades eléctricas mayores.

16. TERMODINÁMICA – CICLO RANKINE
Profundizando en este ciclo, que es el que representa la mayor oportunidad en la
venta de GLP pues se puede re-emplazar el sistema de generación (turbina a vapor)
por cualquier otro(s) que requiera la industria como intercambiadores para calentar
fluidos o secar materias primas, incluso para limpieza y un sin fin de usos que le
podemos dar a la generación de vapor.
La figura anterior muestra los componentes básicos de un ciclo Rankine (Izq)
Bomba. Equipo que entrega un trabajo al sistema. (transforma la energía
eléctrica en mecánica – incremento de presión)
Caldera Equipo o máquina diseñada para generar vapor. Existen dos tipos
fundamentales. Piro tubulares (el fluido caliente está en las tuberías )y
Acuatubulares (el fluido de trabajo pasa por las tuberías).
Turbina. Maquina a través de las cuales pasa un fluido de forma continua el cual
se aprovecha para generar una rotación.
Condensador. Equipo que extrae la energía sobrante del vapor (enfría) con el objetivo
de licuarlo

17. TERMODINÁMICA – CICLO RANKINE
En la misma figura al lado izquierdo podemos ver una gráfica típica
termodinámica t-s (Temperatura - Entropía), este tipo de diagrama se le
denomina diagrama de fase y se caracteriza por mostrar en cada punto del
sistema el estado en el que se encuentra el fluido de trabajo.
En el ciclo mostrado podemos ver como el fluido de trabajo (Agua) cambia su
estado a medida que el calor cambia.
En ingeniería se utilizan estos gráficos para calcular el trabajo, la energía,
eficiencia y otros presentes en el ciclo lo que genera viabilidades técnico –
financieros que le pueden dar o no vida a un proyecto.

18. TERMODINÁMICA – APLICACIÓN
La gráfica muestra el cambio de
estado del agua en una caldera.
Determinar.
1- Qué pasa con el volumen a medida
que disminuye la presión.
2- Cómo varía la temperatura entre el
cambio de líquido saturado a Vapor
saturado.
3- Si quiero llevar este líquido al
punto triple que debo hacer.1 Atm
100 ºC

19. TERMODINÁMICA – APLICACIÓN
En el siguiente link se encuentra un buen ejemplo de cómo se utiliza la
termodinámica para el Calculo eficiencia Ciclo Rankine simple. Como se
aprecia se debe tener un conocimiento importante de termodinámica con el fin
de tener cálculos reales.
Sin embargo en temas comerciales podemos hacer uso de herramientas mas
simples y que permiten conocer que tanto GLP se requiere en un equipo que es
en principio lo primero que se requiere conocer.
En los documentos anexos encontrarán un ficha técnica de calderas clayton, se
toma solo como referencia y para cada caso debe conseguirse la que realmente
aplique.

20. TERMODINÁMICA – APLICACIÓN
Una empresa cuenta con una caldera Clayton E-40 trabajando al 100% de lunes
a viernes de 7 am a 5 pm y sábados al 50% de 8 am a 1 pm.
Queremos ofrecerle que trabaje con GLP así que debemos calcular cuánto GLP
se requiere y sabemos que el GLP con el que se cuenta en la región es de
49.511,87 kJ/galón.
Si al medir la eficiencia térmica tenemos que es 45%, cuánta energía consume
esa empresa en un mes típico?
Un competidor está ofreciendo generar esa energía térmica con un equipo
eléctrico que tiene una eficiencia de 80%. Si el kW eléctrico cuesta 320$ y el
GLP 3200 $/Galón. Cuánto costaría esa energía con cada propuesta?

21. BIBLIOGRAFÍA.
 Francis F. Huan. Ingeniería termodinámica – fundamentos y Aplicaciones.,
Compañía Editorial Continental, SA de CV, México 1994
 Manual del Ingeniero mecánico de Marks, Eugene A Avallone y Theodore
Baumeister III, Mc Graw Hill.. Santiago de Acahualtepec 2001.