Destilación fraccionada por el método de entalpía - concentración
Entalpía
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Entalpía
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Entalpía (del prefijo en y del griego thalpein calentar), fue escrita en 1850 por el físico
alemán Clausius. La entalpía es una magnitud de termodinámica simbolizada con la letra H,
la variación de entalpía expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida
por un sistema termodinámico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema
puede intercambiar con su entorno.
Usualmente la entalpía se mide, dentro del Sistema Internacional de Unidades, en julios.
En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la
variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación
isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (teniendo en cuenta
que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico),
transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la
utilizada para un trabajo mecánico). Es en tal sentido que la entalpía es numéricamente
igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.
Contenido
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1 Casos
o 1.1 Entalpía termodinámica
o 1.2 Entalpía química
2 Entalpía estándar o normal
3 Otros usos
4 Véase también
Casos [editar]
El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta, cabe
distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la
entalpía molar es aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.
Entalpía termodinámica [editar]
La entalpía (simbolizada generalmente como "H", también llamada contenido de calor, y
calculada en julios en el sistema internacional de unidades o también en kcal o, si no,
dentro del sistema anglo: "BTU"), es una variable de estado, (lo que quiere decir que, sólo
depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la energía interna de
un sistema termodinámico y el producto de su volumen y su presión.
La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía
interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida
experimentalmente. El cambio de la entalpía del sistema causado por un proceso llevado a
cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho proceso.
La entalpía se define mediante la siguiente fórmula:
Donde:
H es la entalpía (en julios).
U es la energía interna (en julios).
p es la presión del sistema (en pascales).
V es el volumen del sistema (en metros cúbicos).
Ejemplo:
Debemos considerar que los procesos de transferencia térmica en un sistema, deben estar
contenidos en un ambiente, como por ejemplo: el circuito cerrado de un fluido dentro de las
cañerías de un sistema de refrigeración como los de los frigoríficos y el ambiente donde se
acondiciona la temperatura que debe estar aislado del medio exterior.
Dentro del sistema el fluido pasa por diferentes estados físicos tomando como referencia la
salida de alta presión del compresor tenemos;
A.- A un fluido refrigerante el compresor le adiciona energía comprimiéndolo a alta presión
en estado gaseoso, las variables son: estado del fluido = Gaseoso, Presión del fluido = Alta,
Volumen del fluido = grande, Densidad del fluido = baja, Temperatura = Alta.
B.- En un medio que permite la transferencia térmica llamado condensador, el fluido realiza
un trabajo cediendo energía calórica al medio ambiente, es decir se enfría y cambia de
estado gaseoso al estado líquido, las variables son: estado del fluido = gaseoso a la entrada
del intercambiador de calor y líquido a la salida del intercambiador de calor; presión del
fluido = muy alta; volumen del fluido líquido = mínimo, densidad del fluido = grande o
máximo. El fluido líquido se junta en un depósito.
C.- Con un medio de control adecuado llamado válvula de expansión termostática se regula
el caudal del fluido líquido.
D.- Nuevamente el fluido en estado líquido se inyecta en un medio que permite la
transferencia térmica llamado evaporador, realizando ahora un trabajo inverso es decir el
líquido proveniente del depósito y a presión alta es regulado por la válvula de expansión
por diferencia de presiones, disminuyendo bruscamente de presión lo que origina que se
expanda, esto precipita su evaporación para lo que requiere extraer calor del entorno (por lo
que decimos que se está enfriando ya que se siente helado al tacto, pues nos "roba
calor",calor que utiliza para cambiar de estado líquido a gaseoso) (ver adiabática), los
productos que están en el compartimiento del evaporador realizan un trabajo cediendo ese
calor, este calor calienta el evaporador y el fluido refrigerante por ende absorbe calor
expandiéndose (y evaporándose) más, las variables son: estado del fluido = líquido a la
entrada del intercambiador de calor o evaporador y gaseoso a la salida del intercambiador
de calor. Presión del fluido = mínima o muy baja. Volumen del fluido gasificado =
Máximo. Densidad del fluido = Mínimo. Temperatura del fluido refrigerador muy baja.
Después de esta etapa se vuelve otra vez al ciclo iniciado en el punto A repitiendo (en
teoría) infinitamente el ciclo completo (ver retroalimentación).
Debemos observar que en este sistema hay 4 importantes elementos que combinados
adecuadamente hacen posible la refrigeración mecánica,hoy indispensable en la vida del
hombre moderno.
1.- El primer elemento es el compresor que suministra potencia o adiciona energía
mecánica externa al sistema al comprimir el fluido gaseoso interno, de tal manera que la
presión (y como consecuencia la temperatura) del mismo aumentan.
2.- El segundo elemento es el medio difusor de energía calorífica, llamado intercambiador
de calor que permite liberar el calor del fluido desde este al entorno próximo (medio
ambiente que lo rodea, flujo de agua, etc)a través de las paredes de los tubos y aletas del
condensador . De esta forma el fluido refrigerante a alta presión en el interior del
condensador por efecto del enfriamiento del mismo cambia de estado gaseoso a fase líquido
sin disminuir (idealmente) su presión. El refrigerante ahora más frío, líquido y a alta
presión (10 kg/cm² - 15 kg/cm²) es incompresible por lo tanto se debe recolectar en un tubo
o depósito, como ejemplo; los tubos de gas butano licuado (gas que se usa en las cocinas
domésticas).
3.- El fluido guardado en el depósito en estado líquido es transferido al tercer elemento del
sistema llamado la válvula de expansión (válvula de temperatura estable) que regulará el
caudal o flujo másico del líquido refrigerante entregándolo al cuarto elemento del sistema,
un nuevo intercambiador de calor que ahora funcionará inversamente,por lo que su nombre
varía al de evaporador (ya que el refrigerante se evapora en su interior), es decir captará el
calor del aire del medio ambiente o entorno que lo rodea a través de sus paredes hacia el
refrigerante.Es por esto que al ir recorriendo el interior de los tubos del evaporador el fluido
se va calentando, con lo que las moléculas del refrigerante en estado líquido al incrementar
su energía interna aumentan su frecuencia vibratoria (La cantidad de calor de un cuerpo a
nivel molecular se manifiesta como mayor o menor vibración, en donde la inamovilidad
atómica y molecular representa ausencia total de calor, 0 kelvin o cero absoluto) llegando a
un punto que es tan grande la velocidad de estas que se escapan cambiando de estado de
líquido a gaseoso (para más detalles sobre este punto véase adiabática).
Este ciclo en teoría se repite infinitamente, como se podrá observar el funcionamiento de
este ingenio llamado máquina de refrigeración se puede extractar en dos pasos;
A.- Etapa de alta presión que estará compuesta por el compresor, condensador y depósito
acumulador.
B.- Etapa de baja presión compuesta por la válvula termostática y el evaporador.
El modo de funcionamiento sería de la siguiente forma;
En un ambiente acondicionado por su hermeticidad las cosas guardadas en esta cámara
(freezer, congelador, cámara frigorífica, etc) ceden energía (bajando su temperatura) a
través de un intercambiador de calor llamado evaporador, hacia el fluido refrigerante,
propiciando su cambio de estado de líquido a gas (líquido hirviendo), el que a su vez de
acuerdo a la disposición del circuito cede energía (bajando la temperatura del fluido) al
medio ambiente exterior (el aire que nos rodea) a través de otro intercambiador de calor
llamado condensador.
El anterior es solo un ejemplo para poder comprender el concepto de entalpía, tal ejemplo
se observa comúnmente en los refrigeradores o en los aparatos de aire acondicionado;
existen múltiples formas de aplicación práctica al uso cotidiano de la entalpía como por
ejemplo el concepto de absorción.
Sin importar si la presión externa es constante, la variación infinitesimal de la entalpía
obedece a:
dH = T dS + V dP
dP = 0 y por lo tanto dH = TdS
(S es la entropía) siempre y cuando el único trabajo realizado sea a través de un cambio de
volumen. La entalpía es la cantidad de calor, a presión constante, que transfiere una
sustancia.
Puesto que la expresión T dS siempre representa una transferencia de calor, tiene sentido
tratar la entalpía como una medida del calor total del sistema, siempre y cuando la presión
se mantenga constante; esto explica el término contenido de calor.
Entalpía química [editar]
Para una reacción exotérmica a presión constante, la variación de entalpía del sistema es
igual a la energía liberada en la reacción, incluyendo la energía conservada por el sistema y
la que se pierde a través de la expansión contra el entorno.(Es decir que cuando la reacción
es exotérmica la entalpía del sistema es negativa). Análogamente, para una reacción
endotérmica, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía absorbida durante la
reacción, incluyendo la energía perdida por el sistema y la ganada a través de la expansión
contra el entorno.(En las reacciones endotérmicas el cambio de entalpía es positivo para el
sistema, porque gana calor)
La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente; la variación de entalpía
de un sistema sí puede ser medida en cambio.
La variación de entalpía se define mediante la siguiente ecuación:
ΔH es la variación de entalpía.
Hfinal es la entalpía final del sistema. En una reacción química, Hfinal es la entalpía de
los productos.
Hinicial es la entalpía inicial del sistema. En una reacción química, Hinicial es la
entalpía de los reactivos.
La mayor utilidad de la entalpía se obtiene para analizar reacciones que incrementan el
volumen del sistema cuando la presión se mantiene constante por contacto con el entorno,
provocando que se realice un trabajo mecánico sobre el entorno y una pérdida de energía. E
inversamente en reacciones que causan una reducción en el volumen debido a que el
entorno realiza un trabajo sobre el sistema y se produce un incremento en la energía interna
del sistema.
En este caso, la variación de entalpía se puede expresar del siguiente modo:
DH = DU + P DV
Donde D puede indicar una variación infinitesimal (a menudo denotada como "d") o una
diferencia finita (a menudo denotada como "Δ").
Entalpía estándar o normal [editar]
La variación de la entalpía estándar (denotada como H0 o HO) es la variación de entalpía
que ocurre en un sistema cuando una unidad equivalente de materia se transforma mediante
una reacción química bajo condiciones normales. Sus unidades son los kJ/mol en el sistema
internacional.
Una variación de la entalpía estándar de una reacción común es la variación de la
entalpía estándar de formación, que ha sido determinada para una gran cantidad de
sustancias. La variación de entalpía de cualquier reacción bajo cualesquiera condiciones se
puede computar, obteniéndose la variación de entalpía de formación de todos los reactivos
y productos. Otras reacciones con variaciones de entalpía estándar son la combustión
(variación de la entalpía estándar de combustión) y la neutralización (variación de la
entalpía estándar de neutralización).
Otros usos [editar]
En magnetohidrodinámica se tratan de aprovechar las diferencias de entalpía para generar,
con utilidad práctica, electricidad.
Véase también [editar]
Entalpía libre
Entalpía molar
Calor másico
Diagrama de entalpía
Entalpía y evaporación
Entropía
Ley de Joule
monobara
Exergía
Función de estado, variable de estado, ecuación de estado
Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa"
Cogeneración La Cogeneración es un sistema para mejorar el balance energético y
económico de una empresa debido a su alto rendimiento energético, y a la posibilidad de aprovechar los excedentes de energía eléctrica generados.
Las plantas de Cogeneración son instalaciones de generación eléctrica mediante motores alternativos, turbina de gas o turbinas de vapor, con
recuperación térmica para su aplicación a distintos procesos industriales (secado directo, producción de vapor o agua caliente,…).
¿ Qué es la cogeneración?
La cogeneración no es una tecnología sino un concepto de producción eficiente de energía.
La eficiencia de la cogeneración se basa en el aprovechamiento del calor residual de un proceso de producción de electricidad. Este calor residual se
aprovecha para producir energía térmica útil (vapor, agua caliente, aceite térmico, agua fría para refrigeración, etc). Por este motivo los sistemas de
cogeneración están ligados a un centro consumidor de esta energía
térmica.
La cogeneración de alta eficiencia, al producir conjuntamente calor y electricidad en el centro de consumo térmico, aporta los siguientes
beneficios: 1. Disminución de los consumos de energía primaria
2. Disminución de las importaciones de combustible ( ahorros en la balanza de pagos del país)
3. reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. (Herramienta para el cumplimiento del Protocolo de Kyoto)
4. Disminución de pérdidas en el sistema eléctrico e inversiones en transporte y distribución.
5. Aumento de la garantía de potencia y calidad del servicio eléctrico. 6. Aumento de la competitividad industrial y de la competencia en el
sistema eléctrico. 7. Promoción de pequeñas y medianas empresas de construcción y
operación de plantas de cogeneración. 8. Motivación por la investigación y desarrollo de sistemas energéticos
eficientes. Existe un gran potencial para instalaciones de cogeneración de alta eficiencia que debe utilizarse
Tipos de Sistemas de Cogeneración:
-Cogeneracion con turbina de gas (procesos):
1 -Fuel es quemado en un cuarto de combustion. Para luego este Gas ser introducido en una Turbina.
2 -Turbina: donde la energía del gas es convertida en energía Mecánica. 3 -La energía residual producida puede ser aprovechada, total o
parcialmente, para la demanda de calor en el proceso. Aplicaciones: energía Mecánica, producir electricidad con un alternador,
Bombas, compresores ,etc.. Gases gastados: actúan como líquidos intermedios, producir Vapor
mediante caldera de recuperación.
-Cogeneracion con turbina de vapor:
la energía Mecánica es producida por la expansión de vapor de alta presión
en un quemador convencional. • Genera menos energía eléctrica por unidad de fuel, que en el método
anterior, pero la eficiencia total es superior: 85-90%. • Hay dos clases de turbinas, los dos tipos permiten la extracción de vapor
intermedio, haciendo posible obtener vapor en varias condiciones. Es posible usar: Gas ,Fuel, Petróleo, Carbón, residuos, etc...
Ciclo Bottoming: producción de vapor, mediante turbina convencional, gracias a la gran cantidad de calor generado en algún proceso industrial.
-Cogeneracion en ciclo combinado:
• Consiste en la unión de los sistemas de Gas turbina y turbina de baja
presión de vapor para la producción de energía eléctrica. • Los gases gastados en la formación, son usados para producir vapor a gran presión en un quemador.
• Este vapor alimenta la turbina de vapor, produciendo vapor a baja presión para uso directo en el proceso.
La principal ventaja de este sistema es la gran eficacia de producción de energía eléctrica, es posible la creación de energía eléctrica de 3,5 MW
-Cogeneracion con motor alterno: gran rendimiento eléctrico, pero dificultad para usar el calor que produce.
Aplicaciones del calor producido:
-Producción de 15-bar de vapor por el calor de los gases. -Producción de agua caliente
-Recuperación directa de los gases. Generación de aire caliente:
• Permite responder casi instantáneamente a las fluctuaciones en la
demanda de energía eléctrica sin grandes aumentos en el consumo del motor. Esto permite trabajar continuamente.
• Existe otra posibilidad de recuperar calor: Consiste en la producción de frío industrial o de aire acondicionado usando
motores de absorción, que funcionan con vapor o agua caliente.
• Aprovechamiento: Un 36% de la potencia total se aprovecha para generar
electricidad y el restante 55% se transforma en calor aprovechando en la evaporación del agua contenida ne los alpechines (residuo líquido de color
oscuro con mucha materia en suspensión). Falta un 9% debido alas pérdidas de radiación.
• Ejemplo del funcionamiento de un sistema de cogeneracín en un invernadero.
Ventajas e inconvenientes de su utilización:
Es una energía muy innovadora, y tiene muchas mas ventajas que invonvenientes
Ventajas:
• Elevado rendimiento energético global (70%-90%) • Reporta beneficios económicos por reducción de factura energética.
• Aporta ingresos adicionales por venta de excedentes eléctricos. • Incrementa la competitividad. Menor coste específico por unidad.
• Independencia total o parcial del suministro eléctrico exterior. • Garantía de suministro y fiabilidad.
• Posibilidad de combustibles residuales o energías alternativas. • Beneficios financieros y fiscales.
• Aporta beneficios económicos a nivel micro y macroeconómico. • Ahorra energía primaria.
• Diversifica inversiones para el sector eléctrico. • Mayor seguridad abastecimiento.
• Disminuye las pérdidas en transporte y distribución eléctrica. • Permite la industrialización de zonas alejadas de la red eléctrica. • Incrementa la diversificación del consumo energético nacional.
• Reduce el impacto ambiental de forma substancial. • Actúa como impulsor de riqueza vía ejecución de inversiones.
• Es fuente de creación de empleo.
Inconvenientes:
1. Utiliza combustible contaminantes como el fuel-oil , o el gas, y esto lo hace una energia no limpia, y agotable, ya que estos combustibles se
pueen agotar. 2. Contaminación acústica 3. Dificultad en aprovechar el calor que se produce en el sistema de motor
alterno. 4. El estudio de la biabilidad de un sistema de cogeneración industrial, tiene
como objetivo final, la toma de la decisión de invertir una cierta cantidad de dinero en un sistema de este tipo.
Impacto medioambiental
La energía cogeneracionl es pejudicial para el medio ambiente, no en si por los desechos que provoca, sino porque los combustibles con los que se
alimentan los motores son muy contaminantes ,y emiten una gran cantidad de gases perjudiciales a la atmósfera ( aunque se puede reducir la
contaminación a través de filtros, aun así se despiden muchos gases a la atmosfera ).
Sin embargo, tiene como ventaja para el medio ambiente, que todos los
excedentes de energía que se desaprovechan en las fábricas puedan ser utilizados disminuyendo por tanto el consumo de dicha energía y con ello
todos los inconvenientes que acarrea al medio ambiente el extraerla.
Proceso de generación y transporte de electricidad
1. Introducción
2. Red de energía eléctrica
3. Fallos del sistema
4. Regulación del voltaje
5. Pérdida durante el transporte
6. Electricidad
7. Conclusión
INTRODUCCIÓN
Generación y transporte de electricidad es el conjunto de instalaciones que se
utilizan para transformar otros tipos de energía en electricidad y transportarla
hasta los lugares donde se consume. La generación y transporte de energía en
forma de electricidad tiene importantes ventajas económicas debido al costo por
unidad generada. Las instalaciones eléctricas también permiten utilizar la energía
hidroeléctrica a mucha distancia del lugar donde se genera. Estas instalaciones
suelen utilizar corriente alterna, ya que es fácil reducir o elevar el voltaje con
transformadores. De esta manera, cada parte del sistema puede funcionar con el
voltaje apropiado. Las instalaciones eléctricas tienen seis elementos principales:
La central eléctrica
Los transformadores, que elevan el voltaje de la energía eléctrica generada a las
altas tensiones utilizadas en las líneas de transporte
Las líneas de transporte
Las subestaciones donde la señal baja su voltaje para adecuarse a las líneas de
distribución
Las líneas de distribución
Los transformadores que bajan el voltaje al valor utilizado por los
consumidores.
En una instalación normal, los generadores de la central eléctrica suministran
voltajes de 26.000 voltios; voltajes superiores no son adecuados por las dificultades
que presenta su aislamiento y por el riesgo de cortocircuitos y sus consecuencias.
Este voltaje se eleva mediante transformadores a tensiones entre 138.000 y
765.000 voltios para la línea de transporte primaria (cuanto más alta es la tensión
en la línea, menor es la corriente y menores son las pérdidas, ya que éstas son
proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente). En la subestación, el
voltaje se transforma en tensiones entre 69.000 y 138.000 voltios para que sea
posible transferir la electricidad al sistema de distribución. La tensión se baja de
nuevo con transformadores en cada punto de distribución. La industria pesada
suele trabajar a 33.000 voltios (33 kilovoltios), y los trenes eléctricos requieren de
15 a 25 kilovoltios. Para su suministro a los consumidores se baja más la tensión: la
industria suele trabajar a tensiones entre 380 y 415 voltios, y las viviendas reciben
entre 220 y 240 voltios en algunos países y entre 110 y 125 en otros.
Red de energía eléctrica
En una central hidroeléctrica, el agua que cae de una presa hace girar turbinas que
impulsan generadores eléctricos. La electricidad se transporta a una estación de
transmisión, donde un transformador convierte la corriente de baja tensión en una
corriente de alta tensión. La electricidad se transporta por cables de alta tensión a
las estaciones de distribución, donde se reduce la tensión mediante
transformadores hasta niveles adecuados para los usuarios. Las líneas primarias
pueden transmitir electricidad con tensiones de hasta 500.000 voltios o más. Las
líneas secundarias que van a las viviendas tienen tensiones de 220 o 110 voltios.
El desarrollo actual de los rectificadores de estado sólido para alta tensión hace
posible una conversión económica de alta tensión de corriente alterna a alta
tensión de corriente continua para la distribución de electricidad. Esto evita las
pérdidas inductivas y capacitivas que se producen en la transmisión de corriente
alterna.
La estación central de una instalación eléctrica consta de una máquina motriz,
como una turbina de combustión, que mueve un generador eléctrico. La mayor
parte de la energía eléctrica del mundo se genera en centrales térmicas alimentadas
con carbón, aceite, energía nuclear o gas; una pequeña parte se genera en centrales
hidroeléctricas, diesel o provistas de otros sistemas de combustión interna.
Las líneas de conducción se pueden diferenciar según su función secundaria en
líneas de transporte (altos voltajes) y líneas de distribución (bajos voltajes). Las
primeras se identifican a primera vista por el tamaño de las torres o apoyos, la
distancia entre conductores, las largas series de platillos de que constan los
aisladores y la existencia de una línea superior de cable más fino que es la línea de
tierra. Las líneas de distribución, también denominadas terciarias, son las últimas
existentes antes de llegar la electricidad al usuario, y reciben aquella denominación
por tratarse de las que distribuyen la electricidad al último eslabón de la cadena.
Las líneas de conducción de alta tensión suelen estar formadas por cables de cobre,
aluminio o acero recubierto de aluminio o cobre. Estos cables están suspendidos de
postes o pilones, altas torres de acero, mediante una sucesión de aislantes de
porcelana. Gracias a la utilización de cables de acero recubierto y altas torres, la
distancia entre éstas puede ser mayor, lo que reduce el coste del tendido de las
líneas de conducción; las más modernas, con tendido en línea recta, se construyen
con menos de cuatro torres por kilómetro. En algunas zonas, las líneas de alta
tensión se cuelgan de postes de madera; para las líneas de distribución, a menor
tensión, suelen ser postes de madera, más adecuados que las torres de acero. En las
ciudades y otras áreas donde los cables aéreos son peligrosos se utilizan cables
aislados subterráneos. Algunos cables tienen el centro hueco para que circule aceite
a baja presión. El aceite proporciona una protección temporal contra el agua, que
podría producir fugas en el cable. Se utilizan con frecuencia tubos rellenos con
muchos cables y aceite a alta presión (unas 15 atmósferas) para la transmisión de
tensiones de hasta 345 kilovoltios.
Cualquier sistema de distribución de electricidad requiere una serie de equipos
suplementarios para proteger los generadores, transformadores y las propias líneas
de conducción. Suelen incluir dispositivos diseñados para regular la tensión que se
proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.
Los cortacircuitos se utilizan para proteger todos los elementos de la instalación
contra cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones de conmutación
ordinarias. Estos cortacircuitos son grandes interruptores que se activan de modo
automático cuando ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anómala
produce una subida repentina de la corriente. En el momento en el que este
dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco eléctrico entre sus terminales.
Para evitar este arco, los grandes cortacircuitos, como los utilizados para proteger
los generadores y las se