9789587615968_Energ\u00eda_y_ambiente.pdf - 1 ENERG\u00cdA Y AMBIENTE 2 ENERG\u00cdA Y AMBIENTE 1 ENERG\u00cdA Y AMBIENTE 2 ENERG\u00cdA Y AMBIENTE Judith Rodr\u00edguez

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Unformatted text preview: 1 ENERGÍA Y AMBIENTE 2 ENERGÍA Y AMBIENTE 1 ENERGÍA Y AMBIENTE 2 ENERGÍA Y AMBIENTE Judith Rodríguez Salcedo Luis Octavio González Salcedo Andrés Felipe Rojas González Jairo Arcesio Palacios Peñaranda 2013 3 ENERGÍA Y AMBIENTE Energía y Ambiente / Judith Rodríguez Salcedo, Luis Octavio González Salcedo, Andrés Felipe Rojas González y Jairo Arcesio Palacios Peñaranda - Santiago de Cali : Universidad Nacional, Sede Palmira, 2013. 380 p.: il. ; 22 cm. Incluye índice. ISBN: 978-958-761-596-8 1. Sistemas energéticos. 2. Equivalente energético 3. Termodinámica aplicada a los sistemas biológicos. 4. Recursos energéticos convencionales. 5. Energía eléctrica. 6. Energía de biomasa. 7. Fundamentos de energías alternas. 8. Construcción y ahorro energético: Diseño bioclimático. 621.3 cd 21 ed. A1421091 CEP-Banco de la República-Biblioteca Luis Ángel Arango Energía y Ambiente © Universidad Nacional de Colombia - Sede Palmira Facultad de Ingeniería y Administración Grupo de Investigación en Eficiencia Energética y Energías Alternativas - GEAL © Judith Rodríguez Salcedo Luis Octavio González Salcedo Andrés Felipe Rojas González Jairo Arcesio Palacios Peñaranda Primera edición, Palmira, 2013 ISBN: 978-958-761-596-8 Coordinación Editorial Judith Rodríguez Salcedo Raquel Vélez Peña Ingeniera Ambiental Ilustraciones: Sara B. Ibarra Vargas Diseñadora Industrial Diagramación: Impresora Feriva S.A. Calle 18 No. 3-33 PBX: 524 9009 [email protected] Cali, Colombia "Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales" Impreso y hecho en Cali, Colombia 4 ¿Qué provecho tiene el hombre de todo su trabajo con que se afana debajo del sol? Generación va, y generación viene; mas la tierra siempre permanece. Sale el sol, y se pone el sol, y se apresura a volver al lugar de donde se levanta. El viento tira hacia el sur, y rodea al norte; va girando de continuo, y a sus giros vuelve el viento de nuevo. Los ríos todos van al mar, y el mar no se llena; al lugar de donde los ríos vinieron, allí vuelven para correr de nuevo. Todas las cosas son fatigosas más de lo que el hombre puede expresar; nunca se sacia el ojo de ver, ni el oído de oír. ¿Qué es lo que fue? Lo mismo que será. ¿Qué es lo que ha sido hecho? Lo mismo que se hará; y nada hay nuevo debajo del sol. ¿Hay algo de que se pueda decir: "He aquí esto es nuevo"? Ya fue en los siglos que nos han precedido. Eclesiastés 1: 3-10 5 ENERGÍA Y AMBIENTE 6 Sistemas Energéticos Los autores Judith Rodríguez Salcedo, coordinadora del Grupo de Investigación en Eficiencia Energética y Energías Alternativas GEAL. Ingeniera Química de la Fundación Universitaria de América. Especialista en Ecología, Medio Ambiente y Desarrollo de la Universidad Incca de Colombia. Especialista y magíster en Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la Universidad del Valle. Profesora asociada adscrita al Departamento de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira. Áreas de actuación: Termodinámica, Balances de Masa y Energía en Sistemas Productivos, Ingeniería, Principios y Aplicaciones del Petróleo y Gas Natural, Tecnologías de Transformación de Biomasa, Agroindustria de los Biocombustibles, Eficiencia Energética. Luis Octavio González Salcedo, Ingeniero Civil de la Universidad del Valle. MSc. Eng. de la Newport University (Newport Beach, CA, Estados Unidos). Doctor en Ingeniería de la Universidad del Valle. Profesor asociado adscrito al Departamento de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira. Áreas de actuación: Energías Alternativas, Construcción Rural y Diseño Bioclimático. Andrés Felipe Rojas González, Ingeniero Químico de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales. Magíster en Ingeniería química y doctor en Ingeniería de la Universidad del Valle. Profesor asociado adscrito al Departamento de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales. Área de actuación: Carboquímica y Procesos Industriales de la Ingeniería Química. Jairo Arcesio Palacios Peñaranda, director del Grupo de Investigación en Conversión de Energía, Convergía. Ingeniero Electricista de la Universidad del Valle. Especialista en Uso Racional de Energía y doctor en Sistemas de Generación Eléctrica de la Universidad Politécnica de Madrid (Madrid, España). Profesor titular adscrito a la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad del Valle. Áreas de actuación: Máquinas Eléctricas, Fuentes Alternas de Energía y Uso Racional de Energía. 7 ENERGÍA Y AMBIENTE 8 Contenido Presentación.............................................................................................................................................................................13 Introducción..............................................................................................................................................................................15 Capítulo 1 Sistemas energéticos.................................................................................................................................................................17 1.1 Generalidades......................................................................................................................................................17 1.2 Sistemas termodinámicos...............................................................................................................................19 1.3 Formas de energía fundamentales..............................................................................................................20 1.3.1 Energía Interna (U)..............................................................................................................................20 1.3.2 Energía cinética (Ec)..........................................................................................................................21 1.3.3 Energía potencial (Ep).......................................................................................................................21 1.3.4 Trabajo (W).............................................................................................................................................21 1.3.5 Calor (Q)..................................................................................................................................................24 1.3.6 Capacidad calorífica (Cp)..................................................................................................................26 1.3.7 Calor específico (Ce)...........................................................................................................................27 1.3.8 Entalpía (H)............................................................................................................................................29 1.4 Transformaciones de energía aplicadas.....................................................................................................30 1.5 Termoquímica, calor de reacción..................................................................................................................30 1.6 Metodología para evaluar el balance de masa y energía de un sistema........................................33 1.7 Formas de distribución de la energía: Electricidad, fluidos de calentamiento y de enfriamiento..........................................................................................................37 1.8 Ejercicios resueltos.............................................................................................................................................40 1.9 Ejercicios propuestos........................................................................................................................................46 Capítulo 2 Equivalente energético........................................................................................................................................................47 2.1 Generalidades......................................................................................................................................................47 2.2 Cálculos básicos de ingeniería para expresar la composición de mezclas y disoluciones...............................................................................................................................50 2.3 Calor de combustión.........................................................................................................................................53 2.4 Definiciones utilizadas en las reacciones de combustión...................................................................55 2.5 Análisis de los productos de la combustión.............................................................................................58 2.6 Cálculos básicos en la reacción de combustión......................................................................................60 2.7 Ejemplos resueltos.............................................................................................................................................61 2.8 Equivalente energético....................................................................................................................................71 2.8.1 Sustitución de combustibles: Caso de estudio.........................................................................72 2.8.2 Ejemplos resueltos..............................................................................................................................72 2.9 Ejercicios propuestos........................................................................................................................................76 9 ENERGÍA Y AMBIENTE Capítulo 3 Termodinámica aplicada a los sistemas biológicos...............................................................................................79 3.1 Generalidades......................................................................................................................................................79 3.2 Propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del agua.....................................................................79 3.3 Propiedades coligativas de las soluciones................................................................................................84 3.3.1 Descenso de la presión de vapor del solvente.........................................................................84 3.3.2 Aumento del punto de ebullición.................................................................................................85 3.3.3 Descenso del punto de congelación de las soluciones.........................................................87 3.3.4 Ósmosis y presión osmótica............................................................................................................88 3.4 Solubilidad de gases en líquidos..................................................................................................................89 3.5 La importancia del CO2....................................................................................................................................................................................... 93 3.6 Ejercicios resueltos.............................................................................................................................................96 3.7 Ejercicios propuestos......................................................................................................................................104 Capítulo 4 Recursos energéticos convencionales.......................................................................................................................107 4.1 El carbón..............................................................................................................................................................107 4.1.1 Composición del carbón.................................................................................................................108 4.1.2 Clasificación del carbón..................................................................................................................111 4.1.3 Caracterización del carbón............................................................................................................114 4.1.4 Reservas mundiales y nacionales de carbón..........................................................................120 4.1.5 Explotación y transporte................................................................................................................122 4.1.6 Pretratamiento...................................................................................................................................124 4.1.7 Procesos de transformación.........................................................................................................125 4.1.8 Generación de energía...................................................................................................................128 4.1.9 Carbón y ambiente...........................................................................................................................129 4.1.10 Ejercicio resuelto................................................................................................................................132 4.2 El petróleo...........................................................................................................................................................135 4.2.1 Formación............................................................................................................................................136 4.2.2 Composición.......................................................................................................................................137 4.2.3 Reservas de petróleo y de gas natural.......................................................................................137 4.2.4 Exploración..........................................................................................................................................139 4.2.5 Perforación...........................................................................................................................................139 4.2.6 Producción...........................................................................................................................................143 4.2.7 Transporte por oleoductos............................................................................................................148 4.2.8 Refinación.............................................................................................................................................148 4.2.9 Transporte de hidrocarburos refinados.....................................................................................151 4.3 Gas natural..........................................................................................................................................................155 4.3.1 Tratamiento de gas natural............................................................................................................157 4.3.2 Transporte de gas natural...............................................................................................................160 4.4 Medio ambiente, petróleo y gas natural..................................................................................................163 4.4.1 Efectos ambientales de los derrames.........................................................................................162 4.4.2 Origen de las aguas aceitosas.......................................................................................................163 4.4.3 Etapas en el tratamiento de aguas residuales aceitosas.....................................................164 4.4.4 Control de derrames.........................................................................................................................167 10 Contenido Capítulo 5 Energía eléctrica ..................................................................................................................................................................175 5.1 Generalidades....................................................................................................................................................175 5.2 Principios de conversión de energía electromecánica.......................................................................177 5.3 Máquina eléctrica............................................................................................................................ 184 5.4 Principios generales de las máquinas eléctricas...................................................................................186 5.5 Conversión electromecánica de energía.................................................................................................189 5.6 Transformadores eléctricos...........................................................................................................................189 5.7 Generadores eléctricos...................................................................................................................................194 5.8 Motores................................................................................................................................................................197 5.9 Generación hidráulica.....................................................................................................................................200 5.9.1 Centrales hidroeléctricas.....................................................................................................................206 5.9.2 Impacto ambiental de la generación hidroeléctrica.................................................................213 5.10 Ejercicio resuelto.......................................................................................................................................214 5.11 Generación termoeléctrica....................................................................................................................216 5.11.1 Máquina térmica................................................................................................................................216 5.11.1.1 Central termoeléctrica.....................................................................................................218 5.11.1.2 Planta eléctrica...................................................................................................................222 5.11.1.3 Termoeléctricas de ciclo combinado.........................................................................222 5.12 Generación eléctrica en Colombia............................................................................................................223 5.12.1 Distribución de la capacidad efectivo neta en Colombia...................................................226 5.12.2 Estructura del mercado...................................................................................................................226 Capítulo 6 Energía de biomasa..............................................................................................................................................................227 6.1 Generalidades....................................................................................................................................................227 6.2 Origen y características de la biomasa.....................................................................................................229 6.3 Transformaciones energéticas en la biomasa........................................................................................232 6.4 Tecnologías para el aprovechamiento energético de la biomasa..................................................236 6.4.1 Procesos bioquímicos.............
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