ESCUELA_DE_INGENIERIAS_INDUSTRIALES_TECN

•

Humanas / Sociais

Naho Iglesias

1/4/2024

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Ingeniería Mecánica

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UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA
ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES

TECNOLOGÍA
ENERGÉTICA

4º INGENIERÍA MECÁNICA

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

Índice de contenidos del Bloque 1: Temas 1 a 3

TEMA 1: INTRODUCCIÓN ................................................................... 1
1.1. Conceptos fundamentales .......................................................................................... 1
1.2. Rendimientos energéticos .......................................................................................... 1
1.3. Actuaciones de ahorro y eficiencia energética .............................................................. 1
1.4. El trinomio energía-medioambiente-sociedad. Emisiones de CO2 .................................... 3
1.5. Estructura energética nacional e internacional ............................................................. 3
1.6. Kyoto y el mercado Comunitario de Derechos de Emisión ............................................. 9

TEMA 2: FUENTES DE ENERGÍA Y SU APROVECHAMIENTO. ............ 11
2.1. Clasificación de las fuentes de energía. ..................................................................... 11
2.2. Fuentes renovables: Hidráulica, Solar, Eólica, Biomasa, Mareomotriz y Geotérmica. ... 11
2.3. Recursos no renovables: Carbón, Petróleo y Gas Natural. ........................................... 22
2.4. Energía Nuclear. ...................................................................................................... 23
2.5. Perspectivas de futuro de las tecnologías energéticas. ................................................ 24

TEMA 3: ENERGÍA ELÉCTRICA COMO VECTOR ENERGÉTICO ......... 25
3.1. Importancia de la Energía Eléctrica en la sociedad actual ............................................ 25
3.2. Clasificación de las plantas eléctricas......................................................................... 26
3.3. Cobertura de la demanda durante conceptos básicos.................................................. 27
3.4. Redes inteligentes ................................................................................................... 29

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

Índice de contenidos del Bloque 2: Temas 4 a 6

TEMA 4: CICLOS DE POTENCIA ........................................... 31
4.1. Esquema tecnológico de una CT con turbina de vapor. ............................... 31
4.2 Ciclo de Rankine simple y actuaciones de mejora del rendimiento térmico.... 34
4.2.2. Irreversibilidades del ciclo de Rankine .................................................... 38
4.2.3. Modificaciones al ciclo de Rankine ......................................................... 39
4.2.3.1. Recalentamiento intermedio del vapor ............................................ 39
4.2.3.2. Ciclo de Rankine con calentamiento regenerativo del agua de
alimentación.................................................................................................. 44

TEMA 6: CENTRALES DE CICLO COMBINADO ..................... 57
6.1. Introducción. .......................................................................................... 57
6.2. Clasificación de los ciclos combinados. ...................................................... 59
6.3. Ciclos de presión única. ........................................................................... 63
6.4. Ciclos de presión múltiple. ....................................................................... 73

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

TEMA 1: INTRODUCCIÓN
1.1. Conceptos fundamentales
Podemos definir la energía como la cualidad que presenta un sistema para producir trabajo. La
energía es absolutamente necesaria para todas las actividades que desarrollamos.
La energía cumple las siguientes leyes:
o Ley de conservación de la energía: en un sistema aislado, la cantidad total de energía es
constante, independientemente de las transformaciones energéticas sucedidas. Esta ley es
denominada “ley de conservación masa-energía” desde el descubrimiento de la ecuación:
E=m·x·c2
o Ley de la degradación de energía: Siendo cierta la ley anterior, es cierto que siempre que
suceden transformaciones energéticas se producen “pérdidas” (en forma de energía a baja
temperatura) muy poco aptas para producir trabajo.
El concepto de muerte térmica del universo sostiene que, toda la energía tenderá a acabar en la
forma más degradada, la energía térmica, a una temperatura cercana al cero absoluto, que
impedirá cualquier posibilidad de extracción de energía útil.
Podemos clasificar los distintos tipos de energías en: energías primarias y energías de uso final.
La energía primaria se constituye de la materia prima proporcionada por la naturaleza,
habitualmente, estas energías no se utilizan de forma directa, sino que se transforman en una
energía secundaria (mecánica, eléctrica o térmica) que el consumidor utiliza en forma de calor
(energía térmica) o trabajo (energía eléctrica), estas últimas forman las energías finales.
1.2. Rendimientos energéticos
Definimos el rendimiento como la relación entre el efecto útil y la inversión realizada. Distinguimos
dos tipos de rendimientos:
o Rendimiento instantáneo: rendimiento puntual, en unas condiciones de funcionamiento
dadas.
o Rendimiento medio: rendimiento en un cierto intervalo de tiempo, con posibles
modificaciones de las variables influyentes.
o Rendimiento Total: es una función de los rendimientos parciales de los equipos que
configuran una línea. En el rendimiento total de la línea no solo influyen los equipos a ella
unidos, también sus interconexiones.

1.3. Actuaciones de ahorro y eficiencia energética
Definimos el consumo como la relación entre la demanda y el rendimiento.
El concepto de ahorro implica la disminución de la demanda, mientras que el concepto de
eficiencia implica el aumento de los rendimientos.
Una empresa de servicios energéticos (ESE) proporciona servicios energéticos, condicionando el
pago de los mismos a la obtención real de ahorros de energía. Los servicios que puede ofrecer una
ESE son:
o Auditoría Energética
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

o Diseño del proyecto
o Construcción o instalación
o Explotación
o Operación y mantenimiento
o Control, medición y verificación
Es importante destacar que pequeños ahorros en los usos finales, se traducen en importantísimos
ahorros de energía primaria.
Desde que el combustible es obtenido hasta que es consumido se producen una serie de pérdidas
por:
 Extracción
 Preparación
 Transporte
 Almacenamiento
 G.V
 Electromecánicas
 Condensación
 Transporte al núcleo urbano
 Conversión
 Instalación
 Utilización
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

1.4. El trinomio energía-medioambiente-sociedad. Emisiones de
CO2
Más del 80% del consumo de la energía primaria mundial procede de los combustibles fósiles
(carbón, gas natural y petróleo), en idéntica situación se encuentra España. Esta dependencia de
los combustibles fósiles ha permitido el desarrollo de la sociedad en la que nos encontramos, pero
su mantenimiento es insostenible. Las razones de dicha insostenibilidad son:
 La utilización de combustibles fósiles implica el agotamiento de las reservas.
 La combustión ocasionaserias agresiones medioambientales.
 Las principales regiones productoras son áreas conflictivas.
Para un cambio del modelo energético necesitamos cumplir:
 Una utilización inteligente de los recursos disponibles (con actuaciones de ahorro y
eficiencia energética).
 Una independencia del monopolio de los recursos (con utilización de recursos autóctonos).
 Una drástica reducción en las emisiones al medioambiente (con actuaciones de limpieza de
combustibles y gases, secuestro de GEI, uso de fuentes alternativas y mantenimiento de la
energía nuclear).
 La limitación del crecimiento exponencial de la población.
Las emisiones globales de CO2 dependen de la interacción de cuatro factores:

Los factores de población y PIB per cápita no pueden modificar en un corto plazo las emisiones
globales de CO2, pero en un largo plazo sí, el bienestar económico autolimita la tasa de
crecimiento poblacional.
El último término de la ecuación se puede modificar mediante mejoras tecnológicas y uso de
fuentes renovables y/o energía nuclear, mientras que el penúltimo término se puede modificar
mediante actuaciones de ahorro y eficiencia energética.

1.5. Estructura energética nacional e internacional
 ENERGÍA PRIMARIA. ESPAÑA 2012
Se denomina energía primaria a los recursos naturales disponibles en forma directa (como la
energía hidráulica, biomasa, leña, etc.) o indirecta (después de atravesar por un proceso minero,
como por ejemplo la extracción de petróleo crudo o el gas natural) para su uso energético, sin
necesidad de someterlos a un proceso de transformación.
A continuación se presentan los datos relativos a la energía primaria en España durante el año
2012.
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

Unidad de medida: ktep1 2012 Variación
Interanual
EST.
Carbón

14.986 17,9% 11,7%
Petróleo 54.108 -7,1% 42,2%
Gas Natural

28.242 -2,6% 22,0%
Nuclear 15.994 6,3% 12,5%
Residuos no Renovables

172 -1,4% 0,1%
Saldo Eléctrico -963 83,9% -0,8%
Hidráulica

1.763 -33,0% 1,4%
Eólica 4.227 15,84% 3,3%
Biomasa, biogás y RSU

5.250 -0,9% 4,1%
Biocarburantes 2.124 23,4% 1,7%
Solar

2.397 78,2% 1,9%
Geotérmica 18 7,9% 0,01%
TOTAL

128.317 -0,8% 100,0%

A la vista de los resultados, la producción de la energía primaria en España muestra una clara
dependencia de los combustibles fósiles puesto que el carbón, el petróleo y el gas natural suponen
un 75,9% de la energía total producida en España.
A pesar de ello, tanto el petróleo como el gas natural, han sufrido una reducción interanual en su
producción, seguidas por la producción de energía nuclear.
En cuanto a la producción de energía, las energías renovables suponen una producción mísera en
comparación con la producción de las no renovables. En la producción de energías renovables, en
España, destacan la biomasa, el biogás y los RSU.
En la tabla, podemos observar que la energía solar es la que más ha crecido en la variación
interanual (78,2%). En cambio, la que más ha descendido es la energía hidráulica (33%).
Como conclusión, España sigue teniendo una gran dependencia de los combustibles fósiles, a
pesar de que las renovables estuvieron primadas durante el año 2012.

1 Ktep: kilo toneladas equivalentes de petróleo
Carbón
11,7%
Petróleo
42,2%
Gas Natural
22,0% Nuclear
12,5%
Residuos no
Renovables
0,1%
Saldo
Eléct
-0,8%
Hidráulica
1,4%
Eólica
3,3%
Biomasa, biogás y
RSU
4,1%
Biocarburantes
1,7%
Solar
1,9% Geotérmica
0,01%
Energías Renovables
12,3%
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

 ENERGÍA FINAL. ESPAÑA 2012.
La energía final es la que ya ha sido refinada y es apta para ser consumida.
A continuación se presentan los datos relativos a la energía final en España durante el año 2012.
Unidad de medida:
ktep 2012
Variación
Interanual EST.
Carbón 1.314 -29,4% 1,5%
Productos Petrolíferos 45.634 -8,7% 51,1%
Gas Natural 15.551 6,6% 17,4%
Electricidad no
renovable
13.892 -0,9% 15,6%
Electricidad renovable 6.535 -1,2% 7,3%
Renovables Térmicas 6.345 9,4% 7,1%
Biomasa y biogás 3.985 3,3% 4,5%
Biocarburantes 2.124 23,4% 2,4%
Solar Térmica 218 7,2% 0,2%
Geotérmica 18 7,9% 0,02%
TOTAL 89.270 -3,9% 100,0%

Al igual que la energía producida, la energía consumida en España proviene en más del 75% de
energía no renovable, como consecuencia, las emisiones del CO2 son muy altas.
El 51,1% de la energía final consumida en España procede de los productos petrolíferos. Aun así,
se ha reducido el consumo del carbón y de derivados del petróleo en la variación interanual.
El consumo que más ha crecido es el consumo de los biocarburantes con un aumento del 23,4%.

Carbón
1,5%
Productos
Petrolíferos
51,1%
Gas Natural
17,4%
Electricidad
no renovable
15,6%
Electricidad
renovable
7,3%
Renovables
Térmicas
7,1%
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

 RATIOS. ESPAÑA 2012
A partir de los datos observados, es conveniente hacer un sencillo cálculo para obtener los ratios
entre energía final consumida y energía primaria invertida durante el año 2012.
En la tabla siguiente se muestran, en ktep, para cada combustible, la energía final consumida en la
primera columna, la energía primaria invertida en la segunda columna y los ratios en la tercera
columna.
Energía Final Energía
Primaria
Ratio
Carbón 1.314 14986,27024 9%
Productos
Petrolíferos
45.634 54108,172 84%
Gas Natural 15.551 28.242 55%
Electricidad no
renovable
13.892 28.242 49%
Electricidad
renovable
6.535 8.386 78%
Renovables
Térmicas
6.345 9.789 65%
Biomasa y biogás 3.985 5.250 76%
Biocarburantes 2.124 2.124 100%
Solar Térmica 218 2.397 9%
TOTAL 89.270 143753,11 62%

Podemos observar que para combustibles de tipo fósil alcanzamos una mayor cuota de energía
final consumida pero a costa de una gran cantidad de energía primaria utilizada en el proceso.
Esto nos ofrece ratios bastante bajos con respecto a las energías renovables, es decir, una gran
cantidad de la energía potencialmente aprovechable de los combustibles fósiles se “pierde”
durante el proceso de obtención y distribución.
A pesar de este bajo ratio de los combustibles fósiles respecto a las energías renovables, el bajo
coste de obtención de estos combustibles con respecto a las renovables y gran cantidad de
energía obtenible de ellos los siguen manteniendo entre las formas de energías más rentables que
existen en la actualidad.
Podemos observar como para los biocarburantes los ratios son del 100%. Esto se debe a que los
biocarburantes son aprovechados directamente en la maquinaria y no sufren un proceso de
transformación.
Es destacable también el bajo ratio obtenido en las energías solares. La razón de esto es que, con
las tecnologías de que disponemos actualmente, es difícil aprovechar la gran cantidad de energía
proveniente del sol. La mayor parte de esta energía se pierde en el proceso por reflexiones y
pérdidas de calor en los mismos receptores solares.

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

 ENERGÍA PRIMARIA MUNDIAL 2012.

En el gráfico superior se muestran la evolución del consumo de los distintos tipos de energías
primarias consumidas a nivel mundial hasta el año 2012, las cantidades se expresan en millones
de toneladas equivalentes de petróleo.
Cómo podemos observar el carbón y el petróleo son las energías primarias más consumidasa nivel
mundial. En primer lugar, la producción de petróleo con aproximadamente 4.100 millones de Tep,
seguido por el carbón cuya producción fue de aproximadamente 3.300 millones de Tep.
El petróleo sustituyó al carbón como fuente principal de energía primaria a finales del siglo XIX.
Aunque la procedencia de ambos es similar, el petróleo tiene un abanico mucho más amplio de
aplicaciones tras su refino. El carbón se mantiene como segunda energía primaria en consumo,
por delante del gas natural, debido a su fácil extracción y a la gran cantidad de reservas
distribuidas por todo el mundo.
En contraposición al petróleo y al carbón tenemos las energías renovables y la energía hidráulica,
aunque su consumo ha aumentado considerablemente en los últimos años, siguen siendo una
producción ínfima de energía, ambas suponen un total de 1.100 millones de Tep
aproximadamente, es decir, su producción es equivalente a un 26,8% de producción de petróleo.
En el gráfico siguiente se muestran los porcentajes de consumo de cada energía primaria por
zona.
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

El mayor productor de carbón es Asia Pacífico con un 48% de su producción total, en energías
renovables y energía nuclear destaca Europa y Eurasia con un 10% y un 12%, respectivamente,
de su producción. Las energías hidroeléctricas suponen el 25% de la producción de energía en el
sur y centro de América y finalmente, el mayor productor de petróleo y gas natural es el Medio
Este con un 59% y un 38% de su producción total.

 ENERGÍA FINAL MUNDIAL 2011.

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

La mayor cantidad de energía cantidad de energía que se consume en el mundo (≈90%) proviene
de los combustibles fósiles.
De todos los países, los máximos consumidores son China y EEUU (como cabía esperar), entre los
dos suponen un 40%.
En cambio la UE 13,8% (27 países) consume menos que los EEUU.
India, pese a tener una población similar a china en numero tiene un consumo del 5% lo que
muestra que se trata de un país menos industrializado.

1.6. Kyoto y el mercado Comunitario de Derechos de Emisión
En 1997 la Comunidad Internacional acordó en el Protocolo de Kyoto la reducción en las emisiones
de gases de efecto invernadero. Concretamente en un 5,2% para el período 2008-2012 tomando
como referencia el año 1990.
Para lograr ese fin se establecieron objetivos absolutos por países.
La entrada en vigor del Protocolo de Kyoto se produjo 90 días después de haber sido ratificado por
al menos 55 Estados partes de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio
Climático, siempre que entre los mismos sumen el 55% del conjunto de las emisiones de 1990.
Rusia lo ratificó el 5 de noviembre de 2004, con lo que la entrada en vigor del Protocolo fue el 16
de febrero de 2005.
Las naciones que han ratificado el Protocolo suman el 61,5% de las emisiones de GEI.
La puesta en marcha del Mercado Comunitario de Derechos de Emisión no requería la entrada en
vigor del Protocolo de Kyoto, al tener vida jurídica propia.
La versión definitiva fue aprobada por el Consejo de Ministros de la UE el 22 de julio de 2003 y se
publicó en el Diario Oficial de la Unión Europea el 25 de octubre de 2003.
Los Estados miembros debían poner en vigor todas las disposiciones legales para dar cumplimiento
a esta Directiva el 31 de diciembre de 2003. El funcionamiento oficial del Mercado de Derechos de
Emisión comenzó el 1 de enero de 2005.
Se contemplan un conjunto de instrumentos para facilitar el cumplimiento de los objetivos
(mecanismos de flexibilidad):

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1) Comercio de emisiones.
2) Proyectos de desarrollo
2.1) Mecanismos de desarrollo limpio (MDL): proyectos en Latinoamérica.
2.2) Proyectos de aplicación conjunta: proyectos en Europa del Este y norte
de África.
3) Sumideros de CO2
Las industrias más afectados por el protocolo de Kyoto fueron: eléctricas, papeleras, siderúrgicas,
cementeras, refinerías, vidrio y cerámica y las industrias con más de 20MW.
Por el acuerdo en Doha, Kyoto se prorroga hasta 2020, pero esta vez sin el compromiso de Rusia,
Japón y Canadá, por lo que las emisiones de CO2 de los participantes solo suponen en la actualidad
el 15% de las emisiones globales.

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

TEMA 2: FUENTES DE ENERGÍA Y SU APROVECHAMIENTO.
2.1. Clasificación de las fuentes de energía.
 Fuentes de energía renovables.
Son aquellas que se renuevan continuamente, y por ello pueden considerarse inagotables:
hidráulica, solar, eólica, biomasa, mareomotriz y geotérmica

 Fuentes de energía no renovables.
Son aquellas que se agotan al consumirse: carbón, petróleo, gas natural y E. nuclear.

2.2. Fuentes renovables: Hidráulica, Solar, Eólica, Biomasa,
Mareomotriz y Geotérmica.
a) Energía Hidráulica.
Aquella energía que podemos aprovechar debido a las energías cinética y potencial de
corrientes de agua.

Recursos hídricos:

 Potencial bruto: E. máxima teórica.
 Potencial técnicamente explotable: E. hidráulica que es posible explotar
independientemente de su coste, en función de los medios técnicos.
 Potencial económicamente explotable: E. hidráulica que es posible explotar en condiciones
de rentabilidad, en función del coste.

Para un determinado cauce se puede expresar:

b) Energía solar.
La energía solar es la que llega a la tierra, en forma de radiaciones electromagnéticas, procedentes
del sol, en donde es generada en un proceso de fusión (confinamiento gravitatorio).
Las tres formas características de aprovechamiento de la energía solar son:
 Arquitectura solar o bioarquitectura.
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

 Conversión térmica.
 Conversión fotovoltaica.

La energía incidente del Sol en 1 año, es equivalente a unas 20 veces la energía almacenada en
todas las reservas de combustibles fósiles.

 Arquitectura solar o bioarquitectura: entendemos por arquitectura solar al conjunto de
soluciones arquitectónicas que permiten la captura, almacenamiento y distribución de la
energía solar que incide sobre el edificio. Ello puede conseguirse mediante dos procesos
complementarios:
 Procedimientos pasivos con la finalidad de conseguir rendimientos máximos de los
sistemas convencionales mediante aislamientos adecuados, orientaciones óptimas,
empleo de sombras, etc.
 Procedimientos activos como el empleo de muros de inercia térmica, efecto
invernadero, cubiertas de inercia térmica.

 Conversión térmica: La conversión térmica implica la TRANSFORMACIÓN de la radiación
solar que llega a la superficie en energía térmica almacenada en un fluido adecuado (agua),
que posteriormente será empleada en diferentes aplicaciones.

Esta energía disponible puede aprovecharse para calentar un fluido de trabajo de tal forma que la
potencia útil lograda es:
Pu = ma (kg/s) x Cp (kJ/kg ºC) x DT (ºC) kW
A medida que se va generando este agua caliente no necesariamente se va consumiendo, por
tanto, debe existir un almacenamiento intermedio.

Los tres sistemas básicos de los que se compone una instalación solar a baja tª son:
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍAENERGÉTICA

1. Sistema de captación
2. Sistema de almacenamiento
3. Sistema de distribución

 Sistema de captación
Misión: captar la E. solar y transferirla al fluido utilizado.
Elemento: CALENTADOR SOLAR (PLANO)
Características: para una exposición anual máxima: Inclinación ~ latitud; orientación hacia el sur
geográfico; utiliza tanto la radiación directa como la difusa; no presentan seguimiento a la posición
del sol.
 Clasificación de las instalaciones solares.

C
R
IT
ER
IO
S
D
E
C
LA
SI
FI
C
A
C
IÓ
N

PRINCIPIO DE CIRCULACIÓN
CIRCULACIÓN NATURAL
CIRCULACIÓN FORZADA
SIST. DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
INSTAL. DIRECTAS
INSTAL. INDIRECTAS
SISTEMA DE EXPANSIÓN
ABIERTO
CERRADO
SIST. DE ENERGÍA AUX.
SIST. INSTANTANEOS
SIST. CON ACUMULACIÓN
APLICACIÓN
ACS, CALEFACCIÓN,
REFRIGERACIÓN, CLIMAT. DE
PISC.
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 Circulación natural (TERMOSIFÓN)
Son las instalaciones más sencillas. El movimiento del agua se debe a la diferencia de densidad por
el gradiente de temperatura.

Vent.: Sencillez de instalación y funcionamiento
Inc.: El depósito siempre debe ir situado encima de los calentadores. Menor eficacia de captación.

 Circulación forzada
El movimiento del agua se debe a la inclusión de una bomba.
Ventajas Inconvenientes
Vent.: Solventan los inconvenientes de los naturales
Incon.: Las ventajas de los naturales (Instalación y funcionamiento más Complejos)

 Tecnologías termosolares
1. Colectores cilindro-parabólicos.
2. Receptor central.
3. Discos parabólicos.
 La conversión fotovoltaica: Consiste en la transformación directa de la energía solar en
energía eléctrica en las células fotovoltaicas.

Existe una cierta energía que liga a los electrones de valencia con su núcleo. Si esta energía es
aportada por los fotones de luz, se romperán los enlaces y quedarán libres los electrones de
valencia. Existe una cierta energía que liga a los electrones de valencia con su núcleo. Si esta
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

energía es aportada por los fotones de luz, se romperán los enlaces y quedarán libres los
electrones de valencia.
Si se dispone de un campo eléctrico próximo a la región donde comienza la producción e- /
huecos, ocasionando que cada uno se desplace en sentidos opuestos, se logrará una generación
eléctrica. Lo anterior se consigue con uniones pn.

c) Energía Eólica.

Un aprovechamiento eólico es una transformación de la energía cinética del viento en energía
mecánica y/o eléctrica. Los vientos se originan por los movimientos de rotación y traslación de la
Tierra y por la diferencias de intensidad de la insolación en las diferentes regiones.

La cantidad de energía transferida al rotor de un aerogenerador depende de:
 la densidad del aire  el área de barrido  la velocidad del viento

d) Energía Biomasa.

Tienen como nexos comunes el derivar, directa o indirectamente, del proceso de fotosíntesis y su
corta antigüedad de formación.

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

 Clasificación desde el punto de vista legal: (RD 661/2007)
 Grupo b.6
 Subgrupo b.6.1. Cultivos energéticos
 Subgrupo b.6.2. Residuos de actividades agrícolas y jardinería
 Subgrupo b.6.3. Residuos forestales
 Grupo b.7
 Subgrupo b.7.1. Biogás de vertederos
 Subgrupo b.7.2. Biogás de digestores de: residuos industriales, lodos de depuradora,
RSU, residuos ganaderos
 Subgrupo b.7.3. Estiércoles y biocombustibles. Líquidos (mediante combustión)
 Grupo b.8
 Subgrupo b.8.1. Biomasa agroindustrial
 Subgrupo b.8.2. Biomasa de industrias forestales
 Subgrupo b.8.3. Licores negros de la industria papelera

 Tecnologías de conversión más utilizadas

C
LA
SI
FI
C
A
C
IÓ
N

Biomasa Natural
Biomasa Residual
Residuos forestales y
agrícolas
Residuos de industrias
forestales y agrícolas. RSU
Efluentes ganaderos y
lodos de depuradoras
Bio. de cultivos energéticos
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

 Los requisitos que debería satisfacer la biomasa como recurso energético son:

 El BALANCE ENERGÉTICO del sistema producción-uso debe ser positivo: E neta obtenida
de la biomasa > E invertida en el ciclo de vida de la biomasa.

 El BALANCE DE CARBONO del sistema producción-uso debe ser negativo (o al menos
cero): C liberado a la atmósfera por el sistema producción-uso de la biomasa <= C fijado
por la biomasa.

 3. La AGRICULTURA / PLANTACIONES deben ser sostenibles. Los proyectos de biomasa
deben ser sostenibles con respecto al consumo de agua, fertilizantes, balances minerales
del suelo, etc…

 EVALUACIÓN DE LAS CANTIDADES DISPONIBLES. Debe realizarse en base a: La
evolución histórica de generación de recursos, y sobre todo, las perspectivas de
futuro. Se incluye en esta fase el análisis del grado de dispersión. Deben evaluarse
las magnitudes fundamentales de:
BIOMASA
Procesos
Termoquímicos
Combustión
(E.Térmica)
Gasificación (Gas
pobre de sintesis)
Pirólisis (Diversos
combustibles)
Procesos
Bioquímicos
Fermentación
alcohólica (Etanol)
Digestión
Anaerobia(Metano)
Selección
CANTIDAD CALIDAD COSTE CONTINUIDAD
OTROS
FACTORTES EXT.
de recursos
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

 Humedad
 Poder calorífico
 Densidad aparente
 Granulometría
 Cenizas, volátiles y carbono fijo
 Contenido en metales alcalinos
 Composición de elementos químicos.

 EVALUACIÓN DE LOS COSTES DE USO. En una situación genérica debe contemplarse los
componentes del coste total:
 Coste del propio recurso = f (destino actual y competencia con otros usos)
 Coste de recogida, carga-descarga y transporte = f (tipo de recurso, caract. físicas y
distancias)
 Coste de los pre tratamientos = f (características físicas y uso final).
 EVALUACIÓN DE LA CONTINUIDAD DE SUMINISTRO. Tanto en precio como en cantidades y
calidades, recordemos que una central termoeléctrica presenta una vida útil de, al menos, 20
años.

 OTROS FACTORES EXTERNOS. Que pueden llegar a condicionar la selección de un recurso:
p.e.:
 Tratamiento de residuos contaminantes
 Limpieza de bosques-montes (prevención de incendios)
 Limpieza de terrenos de cultivos (prevención de plagas)
 Autosuministro con cultivos energéticos.

 Biomasa utilizable para usos térmicos: Los pellets, briquetas, astillas, algunos residuos
agroindustriales (como los huesos de aceituna, cáscaras, etc) y la leña.

 Pellets de biomasa: Los pellets son pequeños cilindros de biomasa compactada (con
diámetros entre 4-6 mm y longitudes no superiores a los 50 mm).
 Briquetas de biomasa: Las briquetas son, igualmente, cilindros de biomasa compactada,
pero este caso de mayor diámetro (de 50 a 150 mm) y longitud (200-400 mm) que los
pellets.
 Astillas de madera: Las astillas de madera son pequeños trozos, de longitud entre 5 y 100
mm, y cuya calidad va a depender directamente de la materia prima de la que procede y
del sistema de recogida.
 Residuos agroindustriales: Los más apropiados para su empleo como combustible en
calderas de biomasa son los procedentes de las almazaras, alcoholeras y fábricas de frutos
secos (cáscaras). Previo secado, suele tratarse de biocombustibles con una buena calidad y
precio.
 Leña: El empleo dela leña casi se reduce a estufas en geografías con una alta
disponibilidad de este recurso. Algunos de sus principales atractivos son su interesante
coste de adquisición, siempre que exista disponibilidad, y los aromas naturales
desprendidos (sobre todo en el caso de la leña de encina).

 Sistemas de almacenamiento de biomasa:

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 Almacenamientos prefabricados de contenedor exterior: Son sistemas de fácil instalación,
sin exigencias de obra, y apropiados siempre que exista espacio exterior cerca de la sala de
calderas. Su diseño debe realizarse específicamente para el producto que va a contener,
para evitar problemas en su función.

 Almacenamientos prefabricados flexibles: Son sistemas que utilizan la lona, tejidos
especiales o el polipropileno como materiales de construcción. Son de montaje simple y
rápido, económico y flexible, por lo que estos sistemas son óptimos en aquellos casos en
que exista el espacio suficiente. Además, presentan la ventaja de poder utilizar habitáculos
disponibles y adaptarlos de forma simple al almacén.

 Almacenamientos prefabricados subterráneos: Estos sistemas se emplean cuando no existe
disponibilidad de espacio para el almacenamiento de superficie. El depósito de
almacenamiento debe ser resistente a la corrosión y al paso del tiempo, debido a la
complejidad para su sustitución.

 Almacenamientos prefabricados integrados: Algunos sistemas de calefacción, normalmente
de baja potencia, disponen de un almacenamiento tipo tolva integrado en la propia caldera.
Su principal desventaja es su menor capacidad, obligando con ello a un suministro con
menores intervalos de tiempo.

 Almacenamientos de obra con suelo horizontal. Los almacenamientos con suelo horizontal
son sistemas que optimizan el volumen del silo, si bien necesitan rascadores horizontales
para la alimentación del sinfín o sistema neumático de alimentación a la caldera.

 Almacenamientos de obra con suelo inclinado de un lado. Es el sistema idóneo para salas
de planta cuadrada. La inclinación dada al suelo determina la necesidad o no de
rascadores.

 Almacenamientos de obra con suelo inclinado de dos lados. Este sistema sería el apropiado
para aquellos silos de planta rectangular, dado que el rascador no podría barrer toda el
área del silo. En este caso, es muy importante la inclinación de las rampas, pues la
biomasa almacenada podría atascarse si el diseño no es el adecuado.

 Sistemas de alimentación de biomasa a la caldera.
La biomasa puede ser transportada desde el silo de almacenamiento hasta la caldera mediante
múltiples formas, dependiendo del tamaño de la instalación y características del sistema.Entre
estos sistemas se encuentran:

 Sistema manual. Este sistema es el empleado en las pequeñas instalaciones, en donde el
almacenamiento se encuentra integrado, cumpliendo simultáneamente la función de
depósito de la caldera.

 Sistema de tornillo sinfín recto. El tornillo sinfín puede encontrarse en disposición abierta,
dentro de un canal, o en disposición cerrada, dentro de un tubo. El límite de la
granulometría (para evitar atascos) queda definida por el diámetro, paso y eje del tornillo,
así como por la distancia entre el diámetro exterior del tornillo y el interior del tubo para el
caso de la disposición cerrada.

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 Sistema de tornillo sinfín en codo. Este sistema es apropiado para silos de planta
rectangular y que se ubiquen al lado de la sala de calderas. Se compone de un tornillo
sinfín de extracción y otro de subida de material.

 Sistema neumático. En el sistema neumático, una bomba aspira la biomasa del silo y la
transporta hasta la caldera. Es un sistema de los más económicos de manipulación si bien
también es de los más exigentes en cuanto a la granulometría del biocombustible.

 Tipologías de sistemas térmicos de biomasa
De forma similar a la alimentación de un sistema de climatización (calor /frío) con gas, gasóleo o
electricidad, ésta puede realizarse también con biomasa. La producción térmica se realiza a través
de:
 Estufas, cuyo campo principal de aplicación es el sector doméstico, alimentadas de leña o
pellets, y que suelen calentar (por radiación-convección) una única estancia, actuando
simultáneamente como elemento decorativo.
 Estufas de pellets: Presentan como valor añadido el ser un elemento decorativo del
hogar. Son fáciles de instalar y usar, presentan un alto grado de automatización
(algunos modelos incluso pueden activarse desde el teléfono móvil) y por supuesto, son
programables. Se encuentran en el mercado las variantes de estufas de pellets de aire,
para la calefacción directa de la estancia, y de estufas de pellets de agua, que pueden
ser empleadas para la producción de agua caliente sanitaria y/o agua de calefacción. El
rango habitual de potencia es de 5 a 15 kW.

 Calderas de baja potencia, para viviendas unifamiliares o viviendas individuales, y con
producción de agua caliente sanitaria y/o agua de calefacción.

 Calderas de alta potencia, para la alimentación a un bloque o edificio de viviendas.

 Centrales térmicas, para la alimentación de un grupo de edificios (district heating).

BIOMASA (Tecno.
posibles)
ÚNICO RECURSO
COMBUSTIÓN
DIRECTA
GASIFICACIÓN
PREVIA
BIOMASA +
COMB. CONV.
CO-
COMBUSTIÓN
COMBUSTIÓN
PARALELA
GASIFICACIÓN
PREVIA
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Dentro de las ENERGÍAS DEL MAR, existen tecnologías claramente diferenciadas, en función del
aprovechamiento energético:

 Mareomotriz: consiste en el aprovechamiento energético de las mareas. Se basa en aprovechar
el ascenso y descenso del agua del mar producido por la acción gravitatoria del Sol y la Luna.

 Energía de las corrientes: consiste en el aprovechamiento de la energía cinética contenida en
las corrientes marinas. El proceso de captación se basa en convertidores de energía cinética
similares a los aerogeneradores empleando en este caso instalaciones submarinas.

 Maremotérmica: se fundamenta en el aprovechamiento de la energía térmica del mar basado
en la diferencia de temperaturas entre la superficie del mar y las aguas profundas. El
aprovechamiento de este tipo de energía requiere que el gradiente térmico sea de al menos
20º. Las plantas maremotérmicas transforman la energía térmica en energía eléctrica
utilizando el ciclo termodinámico denominado “ciclo de Rankine” para producir energía eléctrica
cuyo foco caliente es el agua de la superficie del mar y el foco frío el agua de las
profundidades.

 Energía de las olas o Undimotriz: Es el aprovechamiento energético producido por el
movimiento de las olas. El oleaje es una consecuencia del rozamiento del aire sobre la
superficie del mar, por lo que resulta muy irregular. Ello ha llevado a la construcción de
múltiples tipos de máquinas para hacer posible su aprovechamiento.

 Potencia Osmótica: La Potencia Osmótica o energía azul es la energía obtenida por la
diferencia en la concentración de la sal entre el agua de mar y el agua de los ríos mediante los
procesos de ósmosis.

EF
LU
EN
TE
S
SÓLIDOS
Cenizas
Escorias
LÍQUIDOS Agua caliente
GASEOSOS
Aire caliente
Baja presencia de
Cl y S
Balance de CO2 (al
menos ) neutro
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e) Energía Mareomotriz
Es la energía disponible gracias a la energíacinética generada por las mareas. En esencia las
mareas se producen por la acción gravitatoria de la Luna.

f) Energía Geotérmica
Aprovechamiento del calor interno de la Tierra

2.3. Recursos no renovables: Carbón, Petróleo y Gas Natural.

a) El Carbón

El origen del carbón son los grandes depósitos vegetales enterrados en lugares pantanosos
durante el Período Carbonífero de la Era Primaria. Los diferentes carbones tienen propiedades
diferentes, pero todos ellos son ricos en carbono elemental amorfo (sin estructura cristalina
regular). El sistema de clasificación más aceptado es el propuesto por la ASTM (American Society
for Testing and Materials), basado en el grado de metamorfismo:

 ANTRACITAS: Aspecto semimetálico, negro, duro y quebradizo.

 HULLAS BITUMINOSAS: constituyen el tipo de carbón más abundante.
 HULLAS SUB BITUMINOSAS: Presentan menores poderes caloríficos que los anteriores y mayor
contenido en humedad.

LIGNITOS: A menudo presentan restos vegetales todavía visibles. Sus bajos poderes caloríficos y
alto contenido en agua hacen que el transporte a larga distancia no sea rentable.
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b) El Petróleo

El origen del petróleo es similar al del carbón, estando formado por una mezcla de hidrocarburos
alquitranosos y ceras semisólidas de estructura molecular compleja. Además contiene S, O2, N,
partículas sólidas y agua.
Este crudo se somete a refino, destilación fraccionada o cracking para obtener productos de menor
complejidad: gasolinas, kerosenos, gasóleos, fuel oíl, aceites, etc.
Las aplicaciones del petróleo (sus derivados) en la sociedad actual son innumerables:
 Como combustible en CT
 Como combustible industrial y doméstico
 Como carburante y lubricante
 Como materia prima para la industria petroquímica:
 PARAFINA: auditivos para aceites, plastificantes.
 FRACCIONES AROMATICAS PESADAS: industria del caucho
 GASOLINA LIGERA: abonos nitrogenados.
 XILENOS: fibras sintéticas, plastificantes, disolventes.
 TOLUENOS: materias plásticas, explosivos, disolventes.
 BENCENO: detergentes, aditivos, insecticidas, colorantes.
 BUTADIENO: cauchos sintéticos, materias plásticas.
 BUTILENOS: disolventes, cauchos sintéticos.
 PROPILENO: materias plásticas, detergentes, disolventes, cauchos.

c) El Gas Natural

Es una mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el metano (CH4), de un
75 a un 95% en volumen.
Las aplicaciones del gas natural en la sociedad actual son también innumerables:
 Como combustible en CT
 Como combustible industrial y doméstico
 Como carburante
 Como materia prima para la industria petroquímica:
 Amoníaco
 Metanol
 Etileno
 Butadieno
 Propileno

2.4. Energía Nuclear.

Se concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo. Las fuerzas que
mantienen unidos a los nucleones son las fuerzas nucleares. A la energía acumulada por estas
fuerzas se le denomina “energía de enlace”.
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Sucede que la masa del núcleo es inferior a la suma de las masas de sus componentes,
designándose esta diferencia como “defecto másico”: ¡una parte de la masa se ha transformado
en energía de enlace! Precisamente esta es la energía que puede liberarse en una REACCIÓN
NUCLEAR.
 FISIÓN NUCLEAR : reacción en la cual un núcleo pesado al ser bombardeado con neutrones se
descompone en dos núcleos con desprendimiento de energía y la emisión de dos o más
neutrones.

 FUSIÓN NUCLEAR: reacción en la cual dos núcleos muy ligeros se unen para formar un núcleo
más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía.

2.5. Perspectivas de futuro de las tecnologías energéticas.

El G8 solicitó a la Agencia Internacional de la Energía asesoría acerca de este tema en la cumbre
de Gleneagles (2005).
Éste es un resumen de los puntos clave y proyecciones para el 2050.

¡Los nuevos edificios pueden ser un 70% más eficiente que los actuales!
 Las calderas modernas alcanzan eficiencias de hasta un 95% y por encima del 100% para las
de condensación.
 La energía solar térmica puede permitir importantes ahorros energéticos.
 Los modernos aparatos de aire acondicionado consumen hasta un 40% menos que los
modelos antiguos.
 Se ha realizado importantes esfuerzos en frigoríficos, lavadoras y lavavajillas.
 Los modernos sistemas de iluminación pueden consumir entre un 30 y un 60% menos.
 La energía consumida en stand-by representa un 10% de la electricidad residencial en la UE.
Ya existe tecnología para su reducción

¡En la industria las posibilidades de mejora de la eficiencia son enormes!
 Aumentos en la recuperación de energía en los procesos.
 Incremento del reciclaje.
 Adopción de nuevos procesos más avanzados.
 Mejora de la eficiencia en los servicios auxiliares.

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TEMA 3: ENERGÍA ELÉCTRICA COMO VECTOR ENERGÉTICO
3.1. Importancia de la Energía Eléctrica en la sociedad actual
La energía eléctrica es una de las energías finales más importantes debido a la gran cantidad de
necesidades que cubre.
Las ventajas que ofrece son las siguientes:
1. Posibilidad de una producción centralizada.
2. Facilidad en el transporte.
3. Facilidad en la conversión a otro tipo de energía.
Inconvenientes:
1. Imposibilidad de almacenamiento a gran escala.
2. Dificultad en la transformación previa a otro tipo de energías*
Esto implica que en cada momento,
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA = CONSUMO

A pesar de las limitaciones, el grupo de las ventajas es tal, que no se concibe una sociedad
desarrollada sin un uso masivo de energía eléctrica.
El consumo de EE per cápita es uno de los indicadores más fiables del grado de desarrollo
alcanzado por una sociedad....

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3.2. Clasificación de las plantas eléctricas

C
LA
SI
FI
C
A
C
IÓ
N

f(
en
er
gí
a
p
ri
m
ar
ia
)
CENTRALES
HIDROELÉCTRICAS
TRADICIONALES
MINIHIDRÁULICAS
CONVENCIONALES
DE BOMBEO
MIXTAS
C. TÉRMICAS
COMB. FÓSIL
MCE (TV / TG /
TG+TV)
MCI (MCIA / DIESEL)
NUCLEARES
PWR
BWR
C. SOLARES
TÉRMICAS
FOTOVOLTAICAS
C. EÓLICAS
C
LA
SI
FI
C
A
C
IÓ
N

(f
(m
is
ió
n
d
en
tr
o
d
el
S
EP
))

DE BASE
DE PUNTA
DE RESERVA
DE SOCORRO
DE ACUMULACIÓN
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3.3. Cobertura de la demanda durante conceptos básicos
La principal limitación de la Energía Eléctrica es que no se puede almacenar. Por tanto:
LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA = DEMANDA DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La demanda de Energía Eléctrica:
 Es el operador del mercado eléctrico.
 Es una variable, en principio, con un alto grado de incertidumbre. Sin embargo:

DEMANDA TOTAL=∑ DEMANDAS USUARIOS

La demanda de usuarios tienen unos hábitos bien definidos según el sector que se trate
(industrial, doméstico, comercial…).
Por tanto, mediante el estudio de los hábitos de los usuarios, las centrales eléctricas pueden
predecir, con cierto margen, la demanda total de Energía Eléctrica.
Algunos de los datos fundamentales de partida son:
 CURVA DE CARGA DIARIA: es la demanda de potencia (de un grupo de usuarios) a lo largo
de las diferentes horas del día.
Los principales factores que la modifican son:1. El día de la semana que se trate (Laboral/ Festivo)
2. Climatología (Temperatura)

 CURVA DE CARGA ANUAL: nos informa acerca de los niveles de potencia requeridos a lo
largo del año:

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A partir de la curva anual se definen los siguientes parámetros:
1. Energía consumida:
E=∫
2. Potencia media:
Pmed=

3. Factor de carga:
fc=

4. Potencia conectada:
Pconect= ∑Pcontratadas
5. Factor de simultaneidad:
fs=

La curva de carga anual tiene su contrapartida en la curva de producción. La diferencia
entre ambas reside en:
 Pérdidas asociadas al transporte y a la distribución.
 Autoconsumo de las centrales.
 Intercambios de EE entre diferentes SEP

 CURVA DE PRODUCCIÓN. Con respecto a ésta, se definen los siguientes parámetros:
1. Potencia instalada:
PInst= ∑Pi de los diferentes grupos
2. Potencia disponible:
PDisp=∑Pi con las que se puede contar en un momento dado (OPERATIVA)

3. Factor de servicio: fr >1
4. Factor de instalación:
fi =
fi <1
Dado que el factor de simultaneidad es menor que 1

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3.4. Redes inteligentes
Las Redes Inteligentes se definen como la integración dinámica de la generación, transmisión,
distribución y consumo de la energía, mediante el soporte de las tecnologías de la información y
comunicaciones.

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TEMA 4: CICLOS DE POTENCIA

4.1. Esquema tecnológico de una CT con turbina de
vapor.
En la actualidad no es posible la transformación directa de la energía química
contenida en un combustible a energía eléctrica (a gran escala y en condiciones de
rentabilidad).

El rendimiento total va a ser una función de los rendimientos de las sucesivas
transformaciones, siendo el más severo el impuesto por el ciclo de potencia.
El máximo rendimiento que se puede alcanzar en un motor térmico viene dado por el
2º Principio de la Termodinámica:

Donde Tf es la temperatura del foco frío y Tc la temperatura del foco caliente.
En la práctica, si admitimos que Tc fuera la magnitud de la temperatura del vapor vivo
(540ºC) y Tf la magnitud de la temperatura de condensación del vapor (30ºC),
resultaría:

Como rendimiento máximo ideal. Luego:
 Generador de vapor: 0.85
 Ciclo termodinámico: 0.63
 Generador eléctrico: 0.94

Y ello sin considerar irreversibilidades.
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En la realidad difícilmente se supera el 44%
Sistemas principales de una CT

La elección del emplazamiento dependerá:
 Facilidad en el abastecimiento de combustible.
 Disponibilidades de agua de enfriamento.
CC.TT.carbón:
 Carbón nacional: Situadas en las proximidades de las cuencas mineras.
 Carbón importado: situadas en la costa.
(DIBUJO, LARGO LARGUÍSIMO….)

Introducción. Ciclo de Carnot
 El 1er Principio de la Termodinámica establece la equivalencia entre calor y
trabajo.
 El 2º Principio nos impone una restricción en la conversión de la Et a trabajo.

Tc
Tf
Máquina Térmica

MOTOR
TÉRMICO
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Definiéndose el rendimiento térmico como:

 Ciclo de Carnot es el ciclo termodinámico asociado al motor térmico de
máximo rendimiento.

S
Procesos:
 1-2: Proceso isentrópico, en el cual la temperatura del fluido se incrementa
desde la Tf hasta la Tc, realizándose trabajo sobre el sistema.
 2-3: Proceso isotérmico reversible, en el cual se transfiere calor desde el foco
caliente hacia el sistema.
 3-4: Proceso isentrópico, en el cual la temperatura del fluido disminuye desde
la Tc a Tf obteniéndose trabajo del sistema.
 4-1: Proceso isotérmico reversible, en el cual se transfier calor desde el sistema
hacia el foco frío.
Dado que todos los procesos son reversibles y que la condición de entropía entre dos
estados viene dado por:
Resulta:

A todos los motores térmicos que trabajen entre los mismos niveles de temperatura les
corresponde el mismo rendimiento máximo:
Dificultades prácticas para seguir un ciclo de Carnot:

1
2 3
4

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1. Los procesos isotérmicos son difíciles de conseguir trabajando con un gas o
vapor sobrecalentado (el proceso debería ser instantáneo). Sin embargo, esta
dificultad se resuelve con un proceso de vaporización y otro de condensación a
parte, respectivamente.
2. Más difícil solución presentar los procesos de compresión y expansión. Las
actuales bombas y turbinas tienen limitado su correcto funcionamiento para
una cierta cantidad de vapor – agua líquida respectivamente.

4.2 Ciclo de Rankine simple y actuaciones de mejora del
rendimiento térmico.

T
Tc 2 3
1

Tf 5 4

GV
B

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Procesos:
 5-1: Proceso isentrópico de compresión del agua desde la Pcondensador hasta
la Pcaldera.
 1-2-3: Procesos de suministro de calor a p=cte hasta la transferencia del agua
líquida en vapor saturado.
 3-4: Proceso isentrópico de expansión en la turbina.
 4-5: Proceso de cesión de calor a p=cte en el condensado, hasta la
transferencia del vapor húmedo en agua líquida saturada.

Diferencias entre el ciclo de Carnot y el de Rankine:
En el ciclo de Carnot, la aportaciónde Et desde el foco caliente hacia el sistema se
realiza a temperatura constante e igual a la máxima temperatura: Tc.
En el ciclo de Rankine, la aportación de Et se realiza entre las temperaturas T1 a T3

Se define la temperatura termodinámica de aportación de Et al ciclo de Rankine
como la que se obtiene de la ecuación:

Resultado muy útil para determinar las sucesivas modificaciones de los ciclos de vapor.
4.2.1. Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento
Una vez conseguido vapor saturado y seco, y antes de ser introducido en la turbina se
le hace circular por una serie de tubos (que aprovechan las llamas y gases de
combustión) para incrementar más su temperatura.

T 4 (Tª sobrecalentado)
2 3
1

Tf 6 5

S
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Independientemente de cual sea la temperatura de sobrecalentamiento siempre
aumenta Tm, y por ello, siempre se aumenta el del ciclo.

Otra ventaja adicional del sobrecalentamiento es que se logra disminuir notablemente
la humedad en el escape de la turbina, evitando la evasión de los álabes de las últimas
etapas.

1. Influencia de la presión del condensador sobre el rendimiento
T

S
Fijadas las condiciones de entrada del vapor en la turbina (punto 4). Cuanto menor sea
la presión en el condensador, menos será la T0 y por ello aumenta el del ciclo.
Si la presión a la salida de la turbina fuese la atmosférica (Tsat (pat) ≈100ºC) y se
obtendrían rendimientos muy bajos. En consecuencia, el condensador ha de trabajar
en vacío, con presiones habituales entre 0,044 y 0,07 atm. Para CT biomasa: 0,1 bar.
Existen unas ciertas limitaciones a la magnitud de la Pcond:
1. Tªmín en el condensador =f(Tª agua refrigerante).
Pcond es una variable.
 Durante el verano: 25-30ºC
 Durante el invierno: 10º
1 ta
Río
2 ts

2. A medida que disminuye la Pcondensador, aumenta la humedad en el escape
de la turbina.
3. Al disminuir Pcond, implica aumentar el volumen específico del vapor agotado,
incrementándose el tamaño(coste) de la maquinaria.
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4. Al disminuir Pcond, implica aumentar W de las bombas de agua de alimentación
y condensado.

2. Influencia de la presión del condensador sobre el rendimiento

a) Presión
Manteniendo invariable la temperatura de entrada a la turbina, un aumento
de presión conlleva un aumento en la temperatura de vaporización (Tm) u por
tanto un aumento del
T 4´ 4
2´ 3´
1´ 2 3
1
T 6 5´ 5

S
 Inconvenientes:
 Se incrementa la humedad en el escape de la turbina
 Al aumentar la presión se aumenta la densidad del vapor y se disminuyen las
secciones de paso: álabes más pequeños y pérdidas por fugas del vapor.
 Al aumentar la presión se aumenta la inversión en equipos.
Se ha de tener presente que este aumento de la presión (con efecto beneficioso sobre
el rendimiento) es limitado, al principio son notables pero luego disminuyen.
b) Temperatura
Manteniendo fija la presión del vapor vivo, se observa como al aumentar la
temperatura de sobrecalentamiento se incrementa la temperatura media (Tm), y en
consecuencia aumenta el rendimiento térmico del ciclo (yt). Además de que se
disminuye la humedad en el escape.
El mayor inconveniente del aumento de la temperatura del vapor vivo (las
temperaturas habituales de vapor vivo son de 540 ºC) es el elevado coste de los
materiales necesarios en la instalación. Los aceros, materiales normalmente
empleados, deben ser resistentes a la oxidación a elevadas temperaturas, sobre
todo en: las superficies de los sobrecalentadores y los recalentadores, en las
toberas de vapor vivo y en la parte delantera de la turbina.
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El aumento de la temperatura también conlleva un aumento en el coste de las
turbinas. Si aumentamos la temperatura de 500 ºC a 535 ºC, la turbina se
encarece un 10%, y si alcanzamos los 565 ºC la turbina se encarece un 9% más.
De manera general, para temperaturas inferiores a 560 ºC se emplean aceros
ferríticos y para temperaturas superiores aceros austeníticos, que son más caros.
De todas formas, hemos de tener en cuenta que los valores de presión y
temperatura del vapor vivo se eligen para lograr buenos rendimientos térmicos con
bajas humedades en el escape de la turbina:

Del grafico anterior podemos concluir:
 Siempre que aumentemos la temperatura del vapor, aumenta el
rendimiento térmico
 A temperatura constante, al aumentar la presión aumenta la temperatura
hasta un cierto punto, a partir del cual, si se produce un aumento de la
presión, disminuye el rendimiento térmico.
La elección de los parámetros iniciales del vapor y la forma del ciclo dependen de:
el coste del combustible, el tamaño de la planta y la utilización anual de la potencia
instalada.
Por tanto, cuanto mayor sean estos índices, mayores son las ventajas en la
utilización de parámetros altos.
4.2.2. Irreversibilidades del ciclo de Rankine
Tanto el proceso de compresión del agua (en las bombas) como el proceso de
expansión del vapor (en la turbina) pueden ser considerados ADIABÁTICOS, pero NO
ISENTRÓPICOS. Esto es debido a que el fluido siempre sale de la máquina con una
entropía mayor:
Los rendimientos “internos” o “isentrópicos” de las bombas y la turbina se definen:

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

También hay que considerar las pérdidas de presión del fluido, como consecuencia de
la fricción a la que el fluido es sometido en su recorrido por los tubos de comunicaciónde unos elementos con otros (sobrecalentadores, tuberías del vapor vivo, etc.).
Si consideramos:
 Rendimientos internos
 Rendimientos mecánicos (pe: las perdidas por
fricción de las partes móviles)
 Otras perdidas (pe: de presión o temperatura)
Obtenemos un rendimiento de la instalación de un
40% - 42%, para un ciclo de generación de energía
eléctrica.

4.2.3. Modificaciones al ciclo de Rankine

4.2.3.1. Recalentamiento intermedio del vapor
Ya hemos visto como influyen los parámetros iniciales del vapor vivo sobre el
rendimiento térmico de la instalación: mayores valores de presión y temperatura
conducen a mayores rendimientos. Sin embargo,
trabajar con altas presiones conlleva la aparición de
humedad de escape:

Para evitar este problema se recurre a un recalentamiento intermedio del vapor:

Por lo que la expresión del rendimiento es:
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Podemos concluir que para T0 constante, al aumentar Tm se producirá un aumento
de ηt y viceversa.
Ante todo lo descrito podemos planearnos la siguiente pregunta:
Con un recalentamiento intermedio del vapor, ¿SIEMPRE se logra un
incremento del rendimiento del ciclo?

Ciclo únicamente con sobrecalentamiento.

Ciclo con recalentamiento.
Rendimiento del ciclo completo.

Ahora restamos 1:

S r
T0

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¿Cuándo sucede que ?
Puesto que T0 permanece cte., ello sucederá cuando Tm aumente. Y esto último
ocurrirá en función de la magnitud de la temperatura a la que se inicie el
recalentamiento (o lo que es igual a la temperatura a la que comience el
recalentamiento).
=f (Precalentamiento); Phabituales de recalentamiento = 15 – 25% Pvv.
En el caso considerado existe una mejora del nt del ciclo (aunque no excesiva).
Además, las pérdidas por rozamiento del vapor y las fugas del calor equivalen,
prácticamente, a la mejora conseguida.
En consecuencia, el recalentamiento intermedio del vapor se justifica únicamente en
cuanto a evitar humedades en el escape cuando se trabaja a altas presiones (grandes
unidades).
Determinación aproximada de la Tª optima del inicio del recalentamiento.
T Tr
Tr0

s r

sr0 sr S
1. El consumo de calor en el recalentamiento es:
2. El trabajo suministrado por la expansión de vapor en el ciclo complementario
es:

(*) ∫ ∫ ∫

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

3. En consecuencia, el nt del ciclo completo:

Cuando las variaciones en el numerador y denominador son iguales (con
respecto a Tr0) el nt es máximo:

De donde:

Resulta que (comparándola con el rendimiento térmico genérico):
Tcond ≡ T0
Tr0≡ Tm
Pero Tm =f (Tr0) → CÁLCULO ITERATIVO
1er CÁLCULO: Ciclo sin considerar el proceso de recalentamiento.

S
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En base a las definiciones energéticas del fluido en cada sección, calculamos el ηs.
Como
T
Tm1 ≡ Tr0

S
En base a las definiciones energéticas del fluido en cada sección, calculamos el ηT.

2º CÁLCULO:
Como expresión en la que con todos los parámetros son conocidos

Si Tm2 = tm1 tenemos la solución, si no…

3er CÁLCULO
T
Tm2 ≡ Tr0

S
En base a las definiciones energéticas del fluido en cada sección, calculamos el ηT.
Como expresión en la que con todos los parámetros son conocidos
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Si Tm3 = Tm2 tenemos la solución, si no, se repetirían los cálculos sucesivamente.

4.2.3.2. Ciclo de Rankine con calentamiento regenerativo del agua de
alimentación.
Entendemos por “recalentamiento regenerativo” del agua de alimentación al
calentamiento del agua que llega al economizador con vapor del cuerpo de turbina.
¿Qué problemas se ocasionan si no se realiza dicho calentamiento?
1. Aparición de choques térmicos importantes, puesto que el agua entraría a unos
35- 38 ºC, mientras que la Tª de saturación (a la Pcald.) es de unos 350 ºC.
2. Importantes saltos entálpicos del fluido, que se traducen en notables consumos
de combustibles.

¿Qué le sucede al ηt del ciclo?
Para responder a esta cuestión, partamos de un esquema simple con un solo
calentador de mezcla.

i 34
5
6

C M
GV
B
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Rendimiento térmico ciclo:
Vamos a expresarlo en función de αc αi:
Balance de masa – energía en el CM:

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Las cuestiones a resolver ahora son:
1. ¿Qué tipo de calentadores son los más adecuados?
2. ¿de qué forma drenamos los condensados?
Y después:
3. ¿Cuántos calentadores se deben instalar?
4. ¿Cómo repartimos de calentamiento total entre los diferentes calentadores?

a. CALENTAMIENTO REGENERATIVO CON CALENTADORES DE MEZCLA
1

2 4
3
10
5

9 8 7 6

T 1
10 2
8 9
6 7 3
5 4

S
En los calentadores de mezcla el vapor de la extracción se mezcla directamente con el
agua de alimentación, produciéndose a la salida agua líquida saturada a la presión de
la extracción.

CM
GV
B CM B B
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El agua líquida saturada a la salida del condensador pasa por la bomba de
condensados para elevar su presión a hasta igualarla a la de la extracción en 3.
La presión en 6 y 7 no puede superar la presión de 3, ya que se podría producir reflujo
hasta la turbina.
Sin embargo, el agua que entra al siguiente calentador debe presentar una presión
igual a la de la extracción en 2. Convenientemente hay que instalar un abomba
adicional.
Se comprueba asi que, además de la bomba de condensados, se requiere una bomba
adicional para cada CM (que además mueve un caudal muy importante). Por esta
razón principal, no es utiliza el recalentamiento con CM en C.T.
b. CALENTAMIENTO REGENERATIVO CON CALENTADORES DE
SUPERFICIALES
Los calentadores superficiales son calentadores de tipo carcasa y de tubo, circulando
por el interior de los tubos el fluido frio y por exterior el fluido caliente (vapor).
Este vapor cede calor al agua de alimentación, condensándose. Así, en función de
cómo se realice la salida de los condensados se distinguen entre:
b.1. Drenaje en cascada: en el cual los condensados se dirigen hacia el calentador
inmediatamente posterior, hasta llegar al condensador

2 4
3
8
5

7 6
11 9

GV
B
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T 1
8 2
7 11
6 9 12 3
5 10 4

S
Con este esquema, no se requiere una bomba adicional para cada calentador, puesto
que los condensados se dirigen hacia el calentador inferior, en el que reina una presión
menor.

b.2. bombeo de drenajes: en el cual los condensados de los calentadores se inyectan
hacia delante en la línea principal del agua de alimentación

2 4
3
10
5

9 8 7 6
12 11 14 13

GV
B
B B
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T 1
12 2
14 11
6 13 3
5 4