I LATINOMETALURGIALAS ENERGIAS EN LA INGENIERIA

M.Sc. Ing. Rolando Ramos ObregónDocente Principal de la UNSAAC.

I. LA ENERGIA.- Es difícil contestar a esta pregunta de un modo preciso, peroen ingeniería, se sabe perfectamente los efectos que produce. Sin embargo, “energíaes toda causa capaz de producir trabajo”.

La energía adquiere formas distintas. El hombre ha aprendido, para su provecho,a pasar de unas a otras. Así, por ejemplo, quema carbón y obtiene energía calorífica.Con ella puede hacer hervir el agua, y con el vapor producido impulsar el émbolo deuna máquina de vapor, que proporciona energía mecánica. Esta a su vez, puede servirpara accionar una dínamo, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Conla energía eléctrica puede encender una lámpara, que proporciona energía luminosa; unaestufa eléctrica, que volverá dar energía calorífica, o poner en funcionamiento un motor,con lo cual se tendrá de nuevo, energía mecánica.

Este amplio concepto de energía es necesario mencionar, que en un futuro muycercano, 100 años aproximadamente; el tema será, las energía renovables relacionadascon:

- La ingeniería solar . Energía solar Fotovoltaica- La ingeniería del viento . Aerobombas – Bombeo de Agua . Aerogeneradores – Producción de electricidad.- La ingeniería del agua . Centrales hidroeléctricas de pico – micro – pequeña . Ruedas hidráulicas . Bombas de Ariete . Río Bombas- La energía térmica . Energía solar térmica a baja temperatura – Secadores - termas . Energía solar térmica a mediana y alta temperatura – Centrales térmica- La ingeniería geotérmica.- La biomasa- Las energías del mar y las olas.- La arquitectura solar.

Con este tema, se quiere mostrar las actividades y experiencias de los estudiantes de laAsignatura de Ingeniería Metalúrgica II, de la Carrera Profesional de IngenieríaMetalúrgica de la UNSAAC, donde aprenden a seleccionar y utilizar los materiales de

ingeniería, relacionando la termodinámica como ciencia y la aplicación de losfenómenos de la energía a través de la transferencia de calor. En su formaciónprofesional desarrollan temas sobre los mecanismos de la energía en la ingeniería comoson: los paneles solares para la electrificación, la energía eólica, la ingeniería del agua,la radiación térmica, etc.

II. INGENIERIA DEL VIENTO.

El viento es el elemento principal para la generación de la energía eólica,producida por la diferencia de presión atmosférica, provocada por variaciones de latemperatura del sol.

Esta energía, se ha estudiado en el Valle Sur, del departamento del Cusco(Angostura; Saylla; Huasao; Choquepata; Oropesa), lugar con extensas zonas agrícolas,que en su oportunidad existió, abundante agua, con flora y fauna excelentes. Sinembargo, el poblador de este valle sufre la falencia del agua para su riego. El ríoHuatanay que era una fuente hídrica saludable para la actividad agrícola, ahora es unacloaca de la ciudad del Cusco y sus Distritos. Esto ha motivado, el estudio para buscaragua limpia. Por lo que, se recurre al viento, mediante la ingeniería del viento utilizandomáquinas para extraer agua del subsuelo.

El Perú, cuenta con grandes extensiones de terrenos en sierra y selva apropiadospara la energía eólica, como en el litoral peruano desde el Norte hasta el Sur, disponende este potencial recurso energético. Se cuenta con un mapa eólico en donde se definelos lugares donde se tiene un potencial eólico nacional.

LAS MAQUINAS EOLICAS. Existe una enorme variedad de modelos de aerogeneradores y aerobombas,clasificándose por su potencia, el número palas, etc.

1. Por posición de eje de giro de rotor. - Eólicas de eje horizontal, y - Eólicas de eje vertical.2. Por potencia generada. - Baja potencia < 2 KW - Mediana potencia < 25 a 30 KW - Alta potencia > 100 KW3. Por velocidad de giro de rotor. - Eólicas lentas; y - Eólicas rápidas.4. Por número y tipo de palas. - Una pala; - Dos palas; - Tres palas; y - Multipala.

Tripalas Bipalas Monopalas

Los molinos multipala Aerogeneradores Darrieus

Fig. 2.1: Tipos de Aerogeneradores y aerobomba

El Perú, para generación de electricidad, tiene un AEROGENERADOR.

Fig. 2.2: Eólico de Malabrigo

La Central de Malabrigo, seencuentra en el Departamento de laLibertad a una altitud promedio de30 m.s.n.m. con una plantainstalada de 250 KW que en elfuturo, al concretarse los proyectosde bosques eólicos de Malabrigo yotros en el Perú, habrá Centraleseólicas; que estarán conectadas a laRed Eléctrica Nacional. Las cualessuministrarán energía suficiente ybarata.

Para bombeo de agua.

El Perú, en los Departamentos de Piura ( valle de Miramar); de Ica ( Pozo Santo );de Lima ( Huachipa ); de Arequipa ( Valle Rural de Pachacutec ); de Puno con ayudaextranjera tienen ubicadas en ( Santa Rosa, Quesca, Pusi, Ananea y Comunidadescercanas al Lago Titicaca ); de Cusco ( Paucarbamba en Urubamba, Izcuchaca yAncaichuro en Anta y Choquepata en Quispicanchi).

Fig. 2.3: Eólicas del Departamento del Cusco

Observar. Estas máquinas son del tipo multipala, giran entre 8 y 42 r.p.m.; songeneralmente de 8 a 36 palas; con diámetros del orden de 2 a 8 metros y trabajan conalturas de bombeo desde 08 – 10 – 50 hasta 100 metros. Su torque es elevado, entoncesdesarrolla grandes esfuerzos con baja velocidad de viento. La veleta es el componentemás importante; por que al recibir el impacto del viento en una dirección determinada,mueve y hace girar a la tornamesa, orientando adecuadamente al rotor en formaperpendicular a la ráfaga de viento; para evitar los posibles destrozos y poniéndolos enbandera a dichos dispositivo. En estas máquinas las potencias de viento se calculan con formulas matemáticasque son.

* La potencia disponible: Pd = 0.20 AsV3 [ W ];

* La potencia aprovechable: Pa = Cp Pd [ W ]

* El coeficiente de potencia, Cp: 0,5926

* La potencia hidráulica: Ph = g H Q [ W ]

CUADRO 2.1: Potencia Disponible y Aprovechable.Tiempo hr. Velocidad Promedio

(m/s)Potencia Disponible

(watt)Potencia Aprovechable

(watt)13-1414-1515-1616-1717-1818-1919-20

3.824.875.185.276.484.102.10

282.03584.40703.22740.51

1376.66348.7046.86

129.73265.51323.48340.64633.26160.4021.55

Total 4082.38 1874.57

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5 6 7

V(m/s)

Pote

ncia

(Wat

t)

Pd

Pa

CURVA DE POTENCIA DISPONIBLE Y APROVECHABLE

Tres son los aspectos para estudiar en el Valle Surdel distrito de Oropesa:

- La estructura mecánica de la aerobombapara la zona.

- El recurso viento- El agua superficial y en la napa freática

Referente a la estructura de la aerobomba envalle sur, se ha observado que las condicionesmeteorológicas de la zona permiten usarestructura a base de componentes metálicos; labomba de material a base de fierro fundido ode PVC.Por la precipitación pluvial que se tiene entrelos meses de noviembre a marzo, se necesitadar una protección galvanizada, pinturaanticorrosiva y un adecuado mantenimientodel equipo eólico.

Fig. Nº 2.4: AEROBOMBA DE CHOQUEPATA

Respecto, al viento, se hace una permanente medición (2 años ) de velocidad ydirección de viento ( Escala de Beaufort ) y es contrastado con un anemómetro, brújula,altímetro, Barómetro; en la zona estudiada. Siendo los meses de mayor viento: junio adiciembre.

Fig. 2.5: Promedio de Velocidad de Viento en Valle Sur.

Del agua se tiene, que el río Huatanay es de alta contaminación (ver el análisisquímico), prohibido por la Región de Salud y Ministerio de agricultura para riego de lassiembras de plantas de tallo corto, por constituir un peligro para el agricultor yconsumidor. La alternativa es recurrir al agua subterránea, con riego tecnificado, en laszonas donde es necesaria utilizar agua limpia para el cultivo y riego de huertos yparcelas

CUADRO 2.2: ANÁLISIS QUÍMICO DE AGUASAgua de Napa Freática de Kcaylla-Kcaylla Agua de Riego de Huatanay PH = 6.55 CE mmhos/cm = 2.47 Dureza CaCO3 = 1755.80 Calcio ppm = 592.80 Magnesio ppm = 55.20Sodio ppm = 430.00

Potasio ppm = 32.50Cloruros ppm = 745.50

Sulfatos ppm = 268.80 Bicarbonatos ppm = 332.80 Hierro ppm = 0.86 Cobre ppm = Trazas Sólidos disueltos ppm = 2504.00

PH = 7.15 CE mmhos/cm = 1.73 Dureza CaCO3 ppm = 468.00 Calcio ppm = 136.80 Magnesio ppm = 27.60Sodio ppm = 158.20

Potasio ppm = 44.00Cloruros ppm = 273.30

Sulfatos ppm = 151.00 Bicarbonatos ppm = 230.40 Hierro ppm = 0.24 Cobre ppm = Trazas Sólidos disueltos ppm = 1171.20

JUNIOy = 0,1201x + 0,9775

R2 = 0,1624

0

2

4

6

8

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Hora

V(m

/s)

SETIEMBRE

y = 0,1696x + 1,1888R2 = 0,1707

02468

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Hora

V(m

/s)

III. LA ENERGIA TERMICA. Se basa en el Sol como cuerpo caliente, que emite sin cesar su energíaradiante en diferentes meses del año.

Fig. Nº 3.1: Posiciones y movimiento relativo. Tierra – Sol.

Esta energía, que llega a la tierra se propaga por medio de ondas electromagnéticasde distinta frecuencia.

l m)Fig. Nº 3.2: Espectro de la radiación electromagnética.

La radiación térmica, se define como la parte del espectro electromagnético que seextiende desde alrededor de 0,1 hasta 100 µm, dado que la emitida por los cuerposdebida a su temperatura cae casi por completo en este rango de longitudes de onda. Portanto, la radiación térmica incluye toda la radiación visible y la infrarroja (IR) enaproximadamente 90 % y sólo una fracción muy pequeña corresponde a la radiaciónultravioleta (UV).

21 de marzo

153 millones de Km. 143 millones de Km.

21 de septiembre

21 de julio21 de diciembre

Sol

Infrarrojo

Radiación térmica

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104

Visible

Rayos X

Ultravioleta

RayosMicroondas

La energía térmica; se basa dentro de las principales aplicaciones, al calentamientodel aire ( secadores solares ), a producción del vapor ( centrales térmicos ), al uso dehornos solares de fundición en la metalurgia (de Félix Rombe en el Pirineo Frances),calentamiento de agua ( colectores planos), etc.

Estudiantes de la Asignatura de Ingeniería Metalúrgica II de la UNSAAC, en elproceso de su formación profesional, observan y experimentan los fenómenoscientífico-tecnológicos en un colector plano con sistemas de extracción de la energíacalorífica mediante un fluido caloportador que circula por una cañería, aplicandoconceptos de ingeniería, como el flujo de fluido interno y externo por convecciónnatural y forzada; la radiación y conducción, con diferentes posiciones y materiales.

Fig. Nº 3.3: Fenómenos del colector plano solar

El colector térmico solar, compuesto por una CUBIERTA TRANSPARENTE –PLACA ABSORBENTE – AISLANTE – CARCASA – SISTEMAS DE FLUJO DEFLUIDO. Una plancha galvanizada de 1/32” para la carcasa. Tubería (galvanizado,cobre y PVC). Aislante ( lana de ovino mezclado con plumas, fibra de vidrio). Cubiertade vidrio de 1.5 mm y 2 mm de espesor, con dos capas para obtener la captación,aprovechando el Efecto Invernadero. Placa absorbente de energía radiante solar,plancha galvanizada pintada con negro mate.

Se selecciona materiales adecuados que deben adaptarse para la ciudad del Cusco,Valle Sur donde se dirige todo nuestro estudio de las energías. A los alumnos debenmedir y conocer la energía ganada a través de mediciones de temperatura de admisión ysalida en el colector, el rendimiento energético diario y horario, la temperatura deequilibrio en ambientes cerrados, la influencia del medio ambiente (convección natural )con temperatura de equilibrio solar, la eficiencia que se alcanzará, el balance de energía,tomando en cuenta las siguientes características de operación.

Se comienza con que las cubiertas tengan una óptima transmitancia, bajaabsorbancia y poca reflectancia a la radiación visible y sobre todo, poca transmitancia ala radiación infrarroja que se produce dentro del colector. Tomando especial atención enconseguir un adecuado efecto invernadero en el sistema.

El vidrio ordinario que se usa, transmita muy bien la radiación a longitudes deonda por debajo de 2 micrones; por eso transmite gran parte de la radiación solar queincide sobre él. Sin embargo el vidrio, es opaco a radiación de longitud de onda porencima de 3 o 4 micrones. Se puede decir, que prácticamente toda la radiación solaremitida a baja temperatura por los objetos del invernadero creados es de este tipo delongitud de onda y permanece atrapados en el invernadero, como en el detalle que sepresenta.

Fig. 3.4: Efecto Invernadero

Un material como el vidrio que es semitransparente a longitudes de onda cortas.r + a + t = 1

Se vuelve opaco a longitudes de onda mas largas.r + a + t = 1

CUADRO 3.1: Transmisividad total de radiación solar de materiales

DENOMINACIÓN TRANSMISIVIDAD (% t)* Vidrio de 3.2 mm. de espesor - Templado o aplanado - Bajo en óxido de hierro

7988

* Mylar 0.13mm. de espesor 87* Plexiglas 3.2 mm. de espesor 90* Tedlar 0.10mm de espesor 92* Teflón 0.13 mm. de espesor 92

IR

IRIR

IR

Vidrios

Absorbente

Aislante

Las características del vidrio transparente a utilizarse es.

CUADRO Nº 3.2 PROPIEDADES DEL VIDRIO*Tipo de vidrio

Características del vidrio Ordinario Color Agua

• % de óxido de hierro• Índice refractivo• % transmitancia de luz• Grosor de vidrio ( ft)• % pérdidas por reflejo• % de pérdidas por absorción

0.121.52

79 – 840.125 – 0.25

8.2 – 8.08 – 13

0.011.50

91.2 – 91.60.125 – 0.219

8.0Menores a 1

Fuente: * Tesis de CSSCH

Debe observarse que la transmisividad del vidrio es afectada por su contenido de hierro.En tanto, que la transmisividad de los plásticos como el tedlar, mylar, teflón es mayorque la del vidrio en la región del infrarrojo.

La placa negra (absorbedor de energía), que debe ser expuesta a la radiación solar.Se sabe, que la mayoría de los sólidos o cuerpos negros no transmiten la radiacióntérmica, mientras el comportamiento en absorbancia y adecuado reflectancia dentro delsistema invernadero de colección, en los materiales de ingeniería es opaco o superficiespintados de color negro mate.

Fig. Nº 3.5: Dependencia espectral de las transmisibilidades tl de materiales

Son obtenidos ante la radiación solar y la radiación de baja temperatura.

I = r + a t = 0

Mostramos, la absortancia de algunos materiales de ingeniería; para la radiación solary para radiación a baja temperatura.

CUADRO 3.3: Comparación de las absortancias de algunas superficies a la radiación

Fuente: Colman J.P. Transferencia de calor

AbsortancíasSuperficies Para Radiación Solar

l ~ 0.5 µmPara Radiación a baja~ 25 °C ( l ~ 10 µm

a. Aluminio, altamente pulidob. Cobre, altamente pulidoc. Mated. Fundicióne. Acero Inoxidable 301, pulidof. Mármol blancog. Asfaltoh. Ladrillo rojoi. Gravaj. Laca negra lisak. Pintura blanca, varios tipos de

pigmento

0.150.180.650.440.370.460.900.750.290.96

0.12 – 0.16

0.050.030.750.210.600.950.900.930.850.95

0.90 – 0.95

Fig. Nº 3.6: Dependencia espectral de la absortividad a ,n y reflectividad r ,n

normal espectral de materiales.

La energía absorbida es en parte remitida térmicamente y la longitud de onda quecorresponde al máximo de la energía radiada, está dada por la Ley de Wien.

máx T = 2989 [ en m y T en K]

Las pruebas en el colector plano de consisten, en los siguientes.

1.- La transferencia de calor a través de la convección natural en una cavidad formadaentre dos placas inclinadas, aisladas con u menores que 70 º, y L/s > 12, utilizando ladefinición de Hollands.

b)

a)

Fig. 3.8: Convección natural en espacios cerrados inclinado. a) Sistema físico b)Sistema térmico.

)()( TaTsCpmTTphAlatq −=−= &α

03/16.10

L

1cos8.1(17081

Ra1708-11.441NuL

−

+

−

+=

θθθ

θL

L

RaCosRa

CosCos

Cuando []0 es negativo, este valor implica igual a cero

KhNuL

δ=

2. El balance térmico de un colector se determina con energía absorbida durante unintervalo de tiempo de trabajo dt, o sea qabsdt, con.

qabsdt = qydt + qp dt + decDonde:qydt extraído del colector por el fluido colaportadorqp dt Pérdida por el colector hacia el ambientedec aumento de la energía ec almacenada en el colector

L

Aire calienteTa

TP

s Ra RK RC RK Ra i

Con datos meteorológicos tomados del Centro Meteorológico de la UNSAAC sehace el siguiente balance energético.

Fecha 22/06/05Presión 632hpaAltura 3387msnm,Radiación base incidente 529.3 W/m2

Vidrio ordinario 3.2mm de espesor.Transmisividad 84% - 88% (valor mayor)Reflectividad 8.0% (valor menor)Absortividad 6%

Fig. Nº 3.9: Colector solar plano de ventana doble

Primer cobertor transparenteRadiación transmitidaRadiación absorbidaRadiación reflejada

529.3 X 86529.3 X 6529.3 X 8

455.20 w/m2

31.80 w/m2

42.30 w/m2

Radiación incidida sobre el segundo cobertor transparente 529.30 w/m2

Segundo cobertor transparenteRadiación transmitidaRadiación absorbidaRadiación reflejada

455.20 X 86455.20 X 6455.20 X 8

391.50 w/m2

27.30 w/m2

36.40 w/m2

Radiación incidida sobre el colector 455.20 w/m2

El balance energético extraído por el colector que se usa pintura negra mate (fig. 3.6) a~ 25ºC y l ~ 10 mm; reflectividad 0.03 y absortividad 0,97 ,da:

Radiación transmitidaRadiación absorbidaRadiación reflejada

0.0 X 0.00.97 X 391.500.03 X 391.50

0.00 w/m2

379.80 w/m2

11.70 w/m2

Radiación absorbida por el colector 391.50 w/m2

Primer cobertor transparente

Segundo cobertor transparente

Placa absorbedor de energía

3. La eficiencia de los colectores se pueden proceder por tres casos especiales.• Rendimiento instantáneo del colector

−−==

−

)('I i

αατη TTI

FA

qf

i

Css

Ci

ΥΥ

C

fFΥΥ '

' = ;fCf ΥΥΥ

111' +=

Donde:AC= Área superficial del colectorIi = Radiación solar incidenteF’ = Eficacia del absorbedorΥ C= Coeficiente global de perdidasΥ f = Coeficiente de transferencia térmicaTa = Temperatura ambiente

fT−

= temperatura media del fluido

La ecuación de rendimiento instantáneo decrece linealmente cuando latemperatura del fluido crece tal la figura:

Fig. Nº 3.10: Rendimiento de un colector de características mínimas.

1’0 -

0’8 -

0’6 -

0’4 -

0’2 -

0 -0 0’04 0’08 0’120’16

h

Te – Ta Ii

Mostramos una prueba realizada con este sistema de calentamiento y uso de lafigura 3.10.

Cuadro N° 3.4: Valores de Temperaturas y rendimientoHora GI (W/m2) Ta(C°) Te(C°) Ts(C°) h09:0019:0011:0012:0013:0014:00

387 13 14 17 0.62 543 17 13 28 0.62 583 18 14 39 0.61 711 19 14 48 0.50 829 19 14 62 0.49 503 17 13 31 0.62

• El rendimiento medio de un periodo, t0 es:dtAI

dtq

Cit

t

0

0

0

0

∫∫

=−

Υη

• Otra definición interesante es el rendimiento óptico.

i

aeCRRSS

Ci

absb

ITTFF

AIq −

−===(

0Υ

ατατη

La potencia absorbida por el material absorbedor, es para la radiacióndirecta.

q absb =I AC ta cos ui

Donde, ui es el ángulo de incidencia, a es coeficiente de absorción del materialabsorbedor.

Fig. Nº 3.11: Variación de t a en relación al ángulo de incidencia.

[ ] [ ] )1()(1)(1)()( 2diddiddib αθαρταθαρταθτατα −−+−+=

[ ]})(/11{)1(1

)(idd

dd

i θααραρ

θτα−−

−−=

)1(1)(

dd

ddd αρ

αττα

−−=

1 -

0,9 -

0,8 -

0,7 -

0,6 -

0,5 -

0,4 -

0,3 -

0,2 -

0,1 -

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ui( º.)

)0()0( αττα

Fig. Nº 3.12: Absorción de la radiación solar por el absorbedor de un colector

El coeficiente de perdidas estimado avΥ , es:

1

11−

−−

++

+=

rvecvercvccv

av

hhhhΥ

Relación empírica debida a Klein, que permite calcular avΥ para lastemperaturas del absorbedor comprendidas entre 0 y 200ºC

( )( )NfNhN

TTTT

hfNTT

TC

N

v

ccvec

eceCs

cvee

eC

C

av

−+−+

+

+

+++

+

+−

= −−

−

−

εε

ε

σ1333,01200591,0

11

22

1

Υ

Donde:N = Número de vidrios

f = ( )Nh Ccvecveh 07866,011166,0089,01 +

−+

−−

ε

ui

t

t[1-a (ui)]t[1-a (ui)](1-ad)ed

t[1-a (ui)]ed

t[1-a (ui)]edadta(ui)

[ ] 2)1()(1 ddi eαθατ −−

[ ] 2)1()(1 ddid eαθατα −−

e = 0,43 (1-100/Tc

El coeficiente de pérdida es:i

iari l

k=Υ

Donde:li = espesor del aislanteki = conductividad térmica

Las pérdidas con las paredes laterales del colector ( )21

2132ll

llllk

b

blat

+=Υ

Donde:lb = espesor del aislante lateralkb = Conductividad térmical1l2yl3 = longitud, ancho y espesor del colector.

El coeficiente global de pérdidas por la cara posterior es: latariar ΥΥΥ +=

El coeficiente global de pérdidas incluyendo las pérdidas por el frente y por lacara posterior es: aravc ΥΥΥ +=

BIBLIOGRAFÍA

1.- Transferencia de calor. Por Yunus A. Çengel. Segunda edición 2003.Editorial McGraw-Hill-Interamericana

2.- Transferencia de calor. Por J. P. Holman. Octava edición 1998. EditorialMcGraw-Hill

3.- Fundamentos de transferencia de calor. Por Frank P. Incropera y David P.DEWitt. Cuarta edición 1999. Editorial Prentice Hall

4.- Ingeniería de la energía Solar. Por José Casanova Cólas. 1993. Editorial CajaSalamanca y Soria.

5.- Energías Renovables. Por Mario Ortega Rodríguez. Segunda edición 2003.Editorial Tomsom y Paraninfo.

6.- Tesis de Maestría “Uso de la Energía Eólica para bombeo de agua”. PorRolando Ramos Obregón.

7.- Tesis de Maestría “Diseño y Construcción de un Secador Solar”. Por CarlaSusan Sánchez Chávez.

C = 520(1-0’000051 s2 ) para 0º < s < 70º C(70) Para s /70º