Balance de energía.

1. PROGRAMA NACIONAL DE FORMACION EN AGROALIMENTACION

2. El balance de energía se basa en la ley de
la conservación de la energía
(Helmholtz,1821)
“La energía para un proceso químico no se
crea ni se destruye solamente se
transforma.”

3. Balance de Energía (BE)
La energía puede transformarse de unas formas a otras (mecánica,
térmica, química), lo que obliga a considerar este aspecto en las
ecuaciones.
En general, en el PFC, los BE serán imprescindibles en equipos en los
que el intercambio de energía sea determinante, lo que
fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor, evaporadores,
columnas de destilación, entre otros, es decir, cuando haya que
calentar o enfriar un fluido.

4. En el caso de los reactores químicos, también son
imprescindibles los balances de energía para su diseño, ya
que en cualquier caso habrá que asegurarse de que la
temperatura del reactor permanezca dentro del intervalo
deseado, especialmente cuando los efectos térmicos de la
reacción sean importantes.
En reacciones bioquímicas dichos efectos no suelen ser muy
significativos, así que se podrán ignorar en el
dimensionamiento preliminar de los fermentadores o
reactores enzimáticos, siempre que se justifique.

5. En la mayoría de los otros equipos, y a efectos de
dimensionamiento preliminar, la llamada ecuación de las
entalpías, que se incluye a continuación, suele ser suficiente
para su planteamiento.
Donde 𝑚𝑠y 𝑚𝑒 son los caudales másicos de entrada y salida del
sistema, 𝐻𝑒 y 𝐻𝑠 las entalpías de los mismos, y Q el calor
intercambiado por el sistema, que si es positivo será ganado
por el sistema, y si es negativo será cedido por el mismo a los
alrededores. El cálculo de la entalpía de cada corriente puede
realizarse usando de su capacidad calorífica, y una
temperatura de referencia, aunque si hay cambios de fase
también habrá que considerar el calor latente. Para el vapor
de agua lo ideal es usar las tablas de vapor de agua saturado o
recalentado.
𝑚𝑠𝐻𝑠 − 𝑚𝑒𝐻𝑒 = 𝑄

6. Balance de energía en sistemas
cerrados
En un sistema cerrado no existe transferencia de masa a través de sus
limites. No existe corriente de entrada y salida. La ecuación
general queda:
𝐸𝑓 − 𝐸𝑖 = 𝑄 + 𝑊
𝐽
𝐾𝑔
Donde:
𝐸𝑓: Energía en estado final
𝐸𝑖: Energía en estado inicial
𝑄: Calor recibido por el sistema desde el entorno (sistema
calefacción), J/kg
W: Trabajo realizado sobre el sistema, J/kg

7. Balance de energía en sistemas
abiertos
Es un sistema abierto cuando la masa atraviesa los limites del sistema
durante el periodo del balance de energía. Es lo siguiente:
Energía neta transferida = Energía final – Energía final.
Resultando:
𝑄 + 𝑊𝑠 = ∆𝐻 + ∆𝐸𝑐 + ∆𝐸𝑝
Donde:
Q: Flujo calórico transferido.
Ws: Trabajo realizado en el sistema.
∆𝐻: Variación en la entalpia.
∆𝐸𝑐: Variación de la energía cinética
∆𝐸𝑝: Variación de la energía potencial.

8. Balance de Energía en la Superficie
La ecuación de balance de energía (W𝑚−2) se suele escribir como:
𝑄∗ = 𝐻 + 𝐿𝑦𝐸 + 𝐺 𝑊𝑚−2
Donde:
𝑄∗: Radiación neta 𝑊𝑚−2 .
𝐻: Densidad de flujo de calor sensible.
𝐸: Evaporación.
𝐿𝑦: Calor latente de vaporización.
𝐺 : Densidad de flujo de calor en el suelo.
La variación de calor almacenado en la capa de vegetación, normalmente
pequeña, se puede despreciar, así como también el calor producido y
consumido por los procesos biológicos en los que intervienen el suelo y la
capa de vegetación.

9. La ecuación de balance de energía describe el proceso en el que la
radiación neta suministrada por el sol y la atmósfera se emplea para
calentar la atmósfera (H), para evaporar el agua y para calentar el suelo.
La radiación neta es la suma de las radiaciones netas de onda corta y de
onda larga:
𝑄∗ = 1 − 𝛼 𝐾↓ + 𝜀𝑠 𝐿↓ − 𝜎𝑇4𝑠
Donde:
𝛼: Albedo.
𝐾↓: Radiación solar entrante.
𝜀𝑠: Emisividad de la superficie.
𝐿↓: Radiación de onda larga entrante.
𝜎: Constante de Stefan-Boltzmann (tiene un valor de
5.67x10−8 𝑊𝑚−2 𝐾−4)
El término de flujo de calor del suelo está parametrizado mediante

10. Para la conductividad calorífica se toma un valor de
7𝑊𝑚−2
𝐾−1
𝑇1 es la temperatura de la primera capa del suelo.
En conclusión, la ecuación de balance de energía,
aplicada a la capa de recubrimiento superficial, toma la
forma

11. Referencias Bibliográficas
• Proyecto fin de carrera, Ingeniería química. Extraído de:
https://www.ugr.es/~aulavirtualpfciq/BMyBE.html
• Iriarte U. Tema 6: Balances de energía. Grado en Ciencia y
Tecnología Alimentos, Universidad del País Vasco. Extraído
de:
https://ocw.ehu.eus/pluginfile.php/48039/mod_resource/co
ntent/1/iq_6_BEnergia_OCW.pdf
• Robles M., Reynoso A., Murillo E. Balance de Energía.
Extraído de: https://www.slideshare.net/imac217/balance-
de-energia
• Procesos en la Superficie, Regional and Mesoscale
Meteorology Branch. Extraído de:
https://rammb.cira.colostate.edu/wmovl/vrl/tutorials/eur
omet/courses/spanish/nwp/n5810/n5810006.htm