Oposiciones Secundaria Tecnología_Tema1

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Temario de Oposiciones para porfesor de Tecnología. Tema 1.

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Oposiciones Secundaria Tecnología_Tema1

  1. 1. Relación de autoresJ. ANTONIO MARTÍNEZ GEAIngeniero Técnico Agrícola, especialidad en Hidráulica y Construcciones.Profesor de Enseñanza Secundaria.FRANCISCO MANJÓN-CABEZA MUÑOZIngeniero Técnico Industrial en Electricidad, especialidad en Electrónica.Profesor de Enseñanza Secundaria.JOSÉ A. MARTÍNEZ ASÍSIngeniero Técnico Industrial en Electricidad, especialidad en Electrónica.Profesor de Enseñanza Secundaria.MANUEL ÁNGEL VILLAR MARTÍNEZIngeniero Técnico Industrial, especialidad en Electrónica.Catedrático en Enseñanza Secundaria.
  2. 2. Presentación El libro que tiene en las manos, amable lector, corresponde al primer volumen del temariode Oposiciones para el Cuerpo de Profesores de Educación Secundaria de la especialidad deTecnología, que Editorial MAD pone, por primera vez, a disposición de todos aquellos queaspiren a conseguir una excelente preparación que garantice, en la medida de lo posible, suéxito en las oposiciones. A la hora de escribir un temario de oposiciones de gran calidad el criterio básico ha deser redactar cada tema con la finalidad de que el opositor no tenga necesidad de acudir aninguna otra obra de consulta, es decir, que encuentre en el propio temario absolutamente todoel material que necesita. La premura con que siempre se estudia una oposición (pese a que sele dedique más de un año) hace necesaria que toda la materia esté presentada de forma claraal mismo tiempo que sistemática y rigurosamente expuesta, conjugando esto con un nivel decomprensión que no haga que el opositor deba realizar un doble esfuerzo: entender el tema, yentender al redactor del tema. Siempre hemos optado por lo primero. Por lo demás, hemosprocurado no verter opiniones personales en el temario, haciéndolo lo más "objetivo" posible. A menudo se afirma que es ideal que cada opositor se elabore su propio temario. O almenos esto es lo que muchos piensan. Estimamos que no es exactamente así, por variosmotivos: un opositor no tiene tiempo (a no ser que dedique tres o cuatro años en exclusividad)para redactar o elaborar cada tema de forma que tengan suficiente calidad; además, unopositor "novato" no siempre sabe lo que se espera de él en una oposición; no siempre essencillo captar exactamente el sentido de cada tema (muy a menudo se observa a opositoresque tienen ante los tribunales un planteamiento manifiestamente errado del mismo), etc. Poreso, disponer de un temario sobradamente contrastado por sus resultados y que ha sidocontinuamente renovado y actualizado, otorga al futuro profesor de Tecnología la garantía decontar con un material que le ahorre múltiples esfuerzos y que le asegure una excelentepreparación. Nuestra experiencia durante bastantes años en el campo de la preparación de opositoresnos ha permitido comprobar, por haber tenido alumnos de todas las Comunidades Autónomasdel Estado, que, por lo general, aproximadamente una cuarta parte de los temas son "nuevos"(en su contenido) tanto para los recién licenciados como para muchos doctorados, al no haberestudiado los aspectos, fundamentales de esos ternas durante su formación como alumnos enlas diferentes universidades. Por eso este temario incorpora no sólo todo el material (y deforma abundante) necesario para la comprensión del tema, sino también la definición clara decualquier concepto tecnológico relevante que aparezca, así como las aclaraciones cuando seapertinente y también muchos otros datos que posibiliten la comprensión de cada tema. Espreferible que los datos y las explicaciones sobreabunden a que sean demasiado escasos; elopositor siempre podrá "recortar" el tema o sintetizar lo que estime más relevante. Esto no essólo conveniente, sino también muy recomendable. Por lo demás, el temario ha sidocontinuamente actualizado, tanto en su redacción como en su bibliografía. Los temas han sido redactados con una extensión que permita que el opositor puedaconstruir con suma facilidad su "propio" tema, es decir, que personalice dicho tema sinnecesidad de acudir a ninguna otra fuente bibliográfica (con la consiguiente pérdida detiempo), con el convencimiento de que encontrará una abundancia de datos que permita quecada cual aborde los epígrafes concretos que estime más oportunos o sobre los que poseamayor conocimiento. Ese pequeño esfuerzo personal que cada cual debe realizar es una
  3. 3. garantía de haber "personalizado" el tema, cosa que es muy bien valorada por los tribunalesde oposición, evitando el riesgo de "clonación", tan frecuente cuando se parte de un temario deextensión escasa o de dudosa calidad y que tan mala impresión causa en los tribunales. Esapersonalización puede conseguirse, una vez leído todo el tema con detenimiento, subrayando lofundamental (estudiando después sobre todo lo subrayado) o extrayendo en forma de resumenlo subrayado. Aquí el opositor podrá hacer hincapié en los epígrafes que estime más oportunos,no refiriéndose directamente a algunos otros; pero también éstos tienen su importancia, pues,en definitiva, y en buena medida, la plaza se decide en el diálogo con el tribunal, y aquí elopositor puede ser cuestionado por aspectos que no ha expuesto en concreto y que,normalmente, están incorporados en el tema que aquí ofrecemos y que no podríamos asumir silos temas fueran más breves. Los índices sistemáticos anteceden a la exposición directa del tema. Estos índices son unapretado esquema de todo el tema. Normalmente, a partir de esos índices podrá el opositorrealizar el breve guión (habitualmente más breve que dicho índice) que los tribunales suelendejar como apoyatura en la fase de exposición oral. La bibliografía que ofrecemos es abundante, y ha sido seleccionada atendiendo a loscriterios siguientes: 1. Pertinencia: hemos utilizado y citado las obras más pertinentes para la elaboración de cada tema. 2. Claridad: se hace constar el nombre del autor, el título de la obra, la editorial donde se encuentra, la ciudad donde se publicó y el año de publicación. 3. Rigor: no sólo se citan obras de divulgación, sino también obras especializadas. 4. Actualidad y accesibilidad: por lo general, apenas he citado bibliografía que se encuentre descatalogada o que sea difícil de encontrar. Los resultados obtenidos durante bastantes años por muchos de nuestros alumnos han sidoextraordinarios, y han logrado en diferentes convocatorias y en tribunales de oposición tantodel "territorio MEC" como de las diferentes Comunidades Autónomas, varios números uno ymuchísimos aprobados con plaza. Esto siempre nos ha estimulado a seguir actualizando y"puliendo" los temas, así como animando a los opositores a conseguir la preparación de lamayor calidad posible, con la confianza en que su esfuerzo finalmente tendrá el resultadoanhelado. Mariano Moreno Villa. TRIVIUM. Centro de Oposiciones de Murcia.
  4. 4. IndiceTema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía ........... 5Tema 2. Transporte y distribución de la energía .................................................. 47Tema 3. El consumo de energía en España y en el mundo. Criterios y técnicasde ahorro energético. Energías alternativos ............................................................ 83Tema 4. Impacto ambiental de la actividad tecnológica y la explotación derecursos. Técnicas de tratamiento y reciclaje de residuos ...................................... 113Tema 5. El desarrollo científico y técnico a lo largo de la historia: contextosocial y logros característicos ................................................................................. 163Tema 6. Condiciones y consecuencias económicas y sociales del desarrollotecnológico .............................................................................................................. 205Tema 7. La influencia del desarrollo tecnológico en la organización técnica ysocial del trabajo ..................................................................................................... 247Tema 8. El desarrollo del transporte, las comunicaciones, el tratamiento y latransmisión de la información ................................................................................. 289Tema 9. Sistemas informáticos: estructura, elementos componentes y sufunción en el conjunto. Programas: tipos y características ..................................... 319Tema 10. El proceso de diseño de bienes en la industria. Características de unproyecto técnico escolar .......................................................................................... 353
  5. 5. Tema 11. El proceso de producción agropecuaria. Características de unproyecto agrícola escolar ........................................................................................ 391Tema 12. Tratamientos de los alimentos. Técnicas de manipulación,conservación y transporte ....................................................................................... 427Tema 13. La distribución y comercialización de los productos. El mercado ysus leyes básicas ...................................................................................................... 469Tema 14. Métodos de expresión, exploración y evaluación de ideas en eldesarrollo de proyectos técnicos ............................................................................. 513Tema 15. Técnicas de planificación, organización y seguimiento de laproducción. La planificación en el ámbito escolar ................................................. 547Tema 16. Administración de recursos y gestión de medios en los sistemasorganizativos de la empresa .................................................................................... 593Tema 17. Riesgos derivados del manejo de herramientas, máquinas ymateriales técnicos. Elementos y medidas de protección ....................................... 637Tema 18. Factores que intervienen en los accidentes y criterios de reducción deriesgos en el taller ................................................................................................... 683Tema 19. Normas de salud y seguridad en el taller. Criterios de actuación yprimeros auxilios en caso de accidente ................................................................... 721
  6. 6. ÍNDICE SISTEMÁTICO INTRODUCCIÓN 1. ENERGÍA 1.1. Definición 1.2. Magnitudes asociadas 2. CLASIFICACIÓN DE LA ENERGÍA 2.1. Formas de energía 2.1.1. Interna 2.1.2. Mecánica o externa 2.2. Fuentes de energía 2.2.1. Renovables 2.2.2. No renovables 2.3. Nivel de transformación 2.3.1. Primaria 2.3.2. Secundaria o final 3. RECURSOS ENERGÉTICOS 3.1. Energías no renovables 3.1.1. Recursos fósiles 3.1.1.1. Carbón 3.1.1.2. Petróleo 3.1.1.3. Gases 3.1.2. Energía nuclear 3.1.2.1. Fisión 3.1.2.2. Fusión 3.2. Energías renovables 3.2.1. Hidráulica 3.2.2. Solar 3.2.3. Eólica 3.2.4. Geotérmica 3.2.5. Biomasa 3.2.6. Mareomotriz, de las olas y térmica marina 3.3. Ahorro energético
  7. 7. 4. PRODUCCIÓN DE DIFERENTES FORMAS DE ENERGÍA 4.1. Energía eléctrica 4.1.1. Generadores químicos 4.1.1.1. Generadores químicos primarios 4.1.1.2. Generadores químicos secundarios 4.1.2. Centrales hidráulicas 4.1.3. Centrales térmicas 4.1.4. Centrales nucleares 4.1.5. Centrales solares 4.1.6. Centrales eólicas 4.2. Energía térmica 4.2.1. Calderas 4.3. Energía mecánica 4.3.1. Motores 4.3.1.1. Motores eléctricos 4.3.1.2. Motores de combustión 4.3.2. Turbinas5. TRANSFORMACIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA 5.1. Necesidades energéticas. Utilización de la energía 5.1.1. Térmica 5.1.2. Mecánica 5.1.3. Luminosa 5.1.4. Electromagnética 5.2. Transformación de energía eléctrica en - Térmica - Mecánica - Luminosa - Electromagnética 5.3. Transformación de energía térmica en - Eléctrica - Mecánica - Luminosa BIBLIOGRAFÍA
  8. 8. INTRODUCCIÓN El crecimiento económico de una sociedad está íntimamente ligado al incrementode la producción industrial. Este incremento lleva asociado aumentos de la producciónde energía. La máquina de vapor alimentada con carbón supuso una clara modificación en lossistemas productivos (Primera Revolución Industrial), permitiendo nuevas aplicacionestecnológicas y, por tanto, incrementos espectaculares en los rendimientos productivos. La aparición, en Estados Unidos, a finales del siglo XIX de un nuevo combustible(el petróleo) trajo consigo una nueva revolución industrial (Segunda RevoluciónIndustrial), ya que el aprovechamiento del petróleo, que en ese momento era un bienabundante y barato, supuso importantes avances tecnológicos que se orientaronesencialmente a la producción de bienes de consumo. Durante el siglo XX se producen avances significativos en los procesos deproducción de energía y grandes innovaciones tecnológicas en los métodos productivosde carácter industrial y en bienes de consumo. La energía eléctrica, fácilmentetransportable a grandes distancias y de fácil aplicación, tanto en industrias como enviviendas, ha sido el motor principal de las innovaciones antes mencionadas. El impacto medio ambiental que la producción de energía supone, hace cada díamás necesario la utilización de energías "limpias". Las energías alternativas y el ahorroenergético han de permitir abandonar progresivamente procesos de producción deenergía con un alto riesgo medio ambiental.1. ENERGÍA1.1. Definición La podemos definir como la capacidad de los cuerpos para producir trabajo.Trabajo que se puede manifestar de diversas formas: trabajo mecánico, emisiónluminosa, calorífica, etc. La propiedad fundamental de la energía es: En todatransformación energética la energía total se mantiene constante. No puede habercreación o destrucción de energía, sino transferencia entre sistemas o transformación enotra forma de energía.1.2. Magnitudes asociadas La energía que posee un cuerpo se manifiesta en forma de trabajo. De formaanáloga, un trabajo realizado sobre un cuerpo se almacena en él en forma de energía.Por tanto, la energía tiene la misma unidad que la magnitud trabajo.
  9. 9. – Trabajo. El trabajo realizado por una fuerza F que produce un desplazamiento e, en la misma dirección y sentido que ella, viene dado por la expresión: T=F·e – Calor. Es la cantidad de energía transferida entre dos sistemas a causa de una diferencia de temperatura entre ambos. – Potencia. El trabajo realizado en la unidad de tiempo. – Fuerza. Es cualquier acción que modifica el estado de reposo o de movimiento de un objeto. La fuerza es un vector, lo que significa que tiene módulo, dirección y sentido. Esta fuerza total (F) que actúa sobre un objeto, la masa del objeto (m) y su aceleración (a) están relacionadas entre sí a través de la segunda ley de Newton: F = m · a. – Aceleración. La aceleración lineal es la variación de la velocidad de un objeto por unidad de tiempo (a = v/t). La velocidad se define como vector, es decir, tiene módulo, dirección y sentido. – Velocidad. Es la variación de la posición de un cuerpo por unidad de tiempo. La velocidad es un vector. La magnitud de la velocidad (v) se suele expresar como la distancia recorrida por unidad de tiempo; se expresa en kilómetros por hora o metros por segundo. Cuando la velocidad es constante se puede determinar sencillamente dividiendo la distancia recorrida entre el tiempo empleado. MAGNITUD DEFINICIÓN DE LA UNIDAD UNIDAD Es la energía necesaria para que unaTrabajo o Energía W fuerza de 1 newton desplace un Julio J objeto 1 m. Es la energía que adquiere un electrón al pasar de un punto a otroEnergía nuclear Electrón-voltio = 1,602·10-19 J eV entre los que hay una diferencia de potencial de 1 voltio. Es el trabajo realizado durante 1Energía eléctrica hora por una máquina que tiene una Kilovatio-hora = 36·105 J KWh potencia de 1 Kilovatio. Es la potencia de una máquina quePotencia P realiza el trabajo de 1 julio en un Vatio W segundo. Es la fuerza que proporciona a unFuerza F objeto de 1 Kg de masa una Newton N aceleración de 1 m/s2. Es la aceleración que tiene un móvilAceleración A que cambia su velocidad 1 m cada m/s2 segundo. Es la rapidez de un móvil queVelocidad v m/s recorre 1 m en 1 s. * Los cuadros sombreados contienen unidades definidas en el Sistema Internacional (SI)
  10. 10. Tabla de magnitudes y unidades asociadas2. CLASIFICACIÓN DE LA ENERGÍA2.1. Formas de energía Si nos atenemos a la definición dada de energía veremos que multitud de cosas oelementos presentes en la naturaleza son capaces de producir energía: el sol, el agua, elviento, el mar, etc. La energía producida por estos elementos se puede presentar dediversas formas que, de forma breve, describimos a continuación. Las diferentes formasde energía se pueden encuadrar en dos grandes bloques: energía interna y energíamecánica o externa.2.1.1. Interna Es la energía que poseen las moléculas de un cuerpo debido a su propiomovimiento y se puede clasificar en: – Cinética: es la que tienen los cuerpos por estar en movimiento. – Potencial: es la que tienen los cuerpos en función de su posición relativa.2.1.2. Mecánica o externa – Eléctrica: es la energía que poseen las cargas eléctricas en movimiento. – Electromagnética: es la energía que transportan las ondas electromagnéticas. Un ejemplo de energía electromagnética son la luz y el calor radiados por el sol. – Nuclear: es la debida a la transformación de masa en energía. – Química: es la que se absorbe o desprende cuando tiene lugar una reacción química. – Calorífica: es la energía en tránsito entre dos focos a distinta temperatura. Se la denomina calor.2.2. Fuentes de energía Fuente de energía es todo yacimiento o fenómeno (natural o artificial) del quepodemos extraer energía, concepto que no se ha de confundir con el de recursoenergético (cantidad de energía disponible en la fuente); el sol, el viento, el carbón sonejemplos de fuentes de energía. Las fuentes de energía se clasifican en función de doscriterios:
  11. 11. – Renovables y no renovables. – Nivel de transformación.2.2.1. Renovables Son aquellas cuyos recursos no se agotan en el tiempo, ya que provienen de laenergía que llega al planeta Tierra ininterrumpidamente como consecuencia de laradiación solar o de la atracción gravitatoria de otros planetas de nuestro sistema solar.Las más representativas son: – Solar – Térmica marina – Biomasa – Eólica – De las olas – Hidráulica – Geotérmica – Mareo motriz2.2.2. No renovables Son aquellas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza, por lo que seagotan cuando se utilizan. Las más características son: – El uranio. – Los recursos fósiles.2.3. Nivel de transformación La energía que consumimos pasa por diversas etapas de transformación, desde laenergía inicial o primaria tomada de la fuente hasta su posterior elaboración,transformación y uso (energía final).2.3.1. Primaria Es la que se obtiene directamente de la naturaleza; ha de someterse a un proceso detransformación y posteriormente ha de ser transportada a los lugares de utilización(industria, vivienda, alumbrado público, etc.). Ejemplos claros de energía primaria son:el petróleo, el carbón, el gas natural y la energía hidráulica.2.3.2. Secundaria o final Está en condiciones de ser directamente utilizada por el usuario. Ejemplo: laelectricidad, combustibles sólidos derivados del petróleo (gasolina, gasóleo, etc.), gasesderivados del petróleo (butano y propano).
  12. 12. 3. RECURSOS ENERGÉTICOS3.1. Energías no renovables3.1.1. Recursos fósiles3.1.1.1. Carbón Combustible sólido de origen vegetal. En el periodo carbonífero (que comenzó hace345 millones de años y duró unos 65 millones de años), grandes extensiones del planetaestaban cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en zonas pantanosas. Enlas masas vegetales sumergidas se verificaron cambios químicos producidos por laacción de bacterias y hongos, produciéndose reacciones de hidrólisis que dieron lugar,básicamente, a dos tipos de productos: – Solubles en agua o gaseosos, que se perdían en su mayor parte. – Insolubles en agua, fundamentalmente cadenas de carbono. El mecanismo de sedimentación, al que se vio sometida la materia vegetal enproceso de transformación, paralizó el proceso bacteriano, ya que a ciertasprofundidades los microorganismos dejan de existir. Finalizada la acción bacteriana, lasmaterias húmicas (turbas con alto contenido de agua) fueron sometidas a diversosfactores como: la presión, la temperatura y el tiempo. La acción de la temperaturageneraría el desprendimiento de hidrocarburos y la presión contribuiría a la desaparicióndel oxígeno y del hidrógeno concentrándose el carbono. Este proceso, en función deltiempo, daría lugar a los diferentes tipos de carbón. Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo: – La turba: es el más reciente de los carbones, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad. Su composición es de 50% de carbono, 45% de oxígeno y 5% de hidrógeno. – El lignito: es un carbón blando que como la turba pertenece a épocas posteriores al periodo carbonífero, por lo que no ha sufrido el proceso de carbonización completo. – La hulla: es un carbón duro totalmente carbonizado, su contenido calorífico es mayor que el del lignito. Son los tipos de carbón más utilizados en la industria metalúrgica y química. – La antracita: es un carbón duro con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico. Su contenido en carbono es de más del 92% en
  13. 13. carbono y de menos del 8% en materias volátiles. Sin embargo, no es tan útil como la hulla y, aparte de su uso como combustible, sólo se presta a la gasificación y a algunas aplicaciones metalúrgicas de baja calidad. Además de carbono, el carbón contiene hidrocarburos volátiles, azufre y nitrógeno,así como diferentes minerales que quedan como cenizas al quemarlo. Ciertos productos de la combustión del carbón pueden tener efectos perjudicialessobre el medio ambiente. Al quemar carbón se produce dióxido de carbono entre otroscompuestos. Debido al uso extendido del carbón y otros combustibles fósiles (como elpetróleo), la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre podría aumentarhasta el punto de provocar cambios en el clima de la Tierra. Por otra parte, el azufre y elnitrógeno del carbón forman óxidos durante la combustión que pueden contribuir a laformación de lluvia ácida. TIPO DE CARBÓN UTILIZACIÓN PODER CALORÍFICO TURBA Combustible doméstico. > 2000 cal/g Se emplea en las centrales térmicas para LIGNITO > 7750 cal/g la obtención de energía eléctrica. Se le somete a un proceso de destilación seca por el que se obtiene: amoníaco, HULLA > 7000 cal/g alquitrán, gas natural y coque. El coque se utiliza en la siderurgia. Combustible doméstico. ANTRACITA Combustible industrial principalmente < 8000 cal/g en la producción de energía eléctrica.3.1.1.2. Petróleo Es un aceite mineral de olor fuerte y color oscuro que está constituido por unamezcla de hidrocarburos acompañados de azufre, oxígeno y nitrógeno. Se encuentra engrandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materiaprima para la industria química. Además, el petróleo y sus derivados se emplean parafabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materialesde construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad. Las naciones de hoy en día dependen del petróleo y sus productos. Sin embargo, enlos últimos años ha descendido la disponibilidad mundial de esta materia, y su coste haaumentado. Es probable que, debido a su escasez, a mediados del siglo XXI el petróleono pueda ser utilizado como recurso energético. Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelencontener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno; el contenido de azufre varíaentre un 0,1% y un 5%. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. Laconsistencia del petróleo varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hastaun líquido tan espeso que apenas fluye. Por lo general hay pequeñas cantidades decompuestos gaseosos disueltos en el líquido; cuando las cantidades de estos compuestosson mayores, el yacimiento de petróleo está asociado con un depósito de gas natural.
  14. 14. Existen tres grandes categorías de petróleos crudos (denominados a vecessimplemente "crudos"): los de tipo parafínico, los de tipo asfáltico y los de base mixta.Los petróleos parafínicos están compuestos por moléculas en las que el número deátomos de hidrógeno es siempre superior en dos unidades al doble del número deátomos de carbono. Las moléculas características de los petróleos asfálticos son losnaftenos, que contienen exactamente el doble de átomos de hidrógeno que de carbono.Los petróleos de base mixta contienen hidrocarburos de ambos tipos. Existen varias hipótesis sobre la formación del petróleo, la más factible parece serla que considera que el petróleo se ha formado a partir de plancton y algas marinas quese fueron depositando en el fondo marino; algunos de estos mares desaparecieron hacemillones de años. Las sedimentaciones posteriores alcanzaron espesores de centenaresde metros sometiendo a los depósitos orgánicos mencionados a enormes presiones ytemperaturas, acabando por formarse el petróleo. Durante mucho tiempo se emplearon yacimientos superficiales de petróleo, parafines limitados como el calafateado de barcos, la impermeabilización de tejidos, etc. En1852, el físico y geólogo canadiense Abraham Gessner obtuvo una patente paraproducir, a partir de petróleo crudo, un combustible para lámparas relativamente limpioy barato, el queroseno. En 1855, el químico estadounidense Benjamín Silliman publicóun informe que indicaba la amplia gama de productos útiles que podían obtenersemediante la destilación del petróleo. El éxito de Drake, con la perforación de un pozo petrolero en Pensilvania (EstadosUnidos), marcó el comienzo del rápido crecimiento de la moderna industria petrolera.Con la invención del automóvil y las necesidades energéticas surgidas en la I GuerraMundial, la industria del petróleo se convirtió en uno de los cimientos de la sociedadindustrial. Proceso de refinado del petróleo: Una vez extraído el crudo, se trata con productos químicos y calor para eliminar elagua y los elementos sólidos y se separa el gas natural. A continuación se almacena elpetróleo en tanques desde donde se transporta a una refinería, básicamente, en barco o através de un oleoducto. Todos los campos petroleros importantes están conectados agrandes oleoductos. La operación principal del proceso de refinado es la destilación fraccionada1, quepermite obtener, a distintos niveles de temperatura una gama importante de productos: Sustancias gaseosas Sustancias líquidas Sustancias sólidas Metano Gasolinas Parafinas Etano Querosenos Alquitranes Propano Fuel Butano A partir de los productos obtenidos de la destilación fraccionada, y mediante lasoperaciones de cracking (o craqueo), polimerización y alquilación, se pueden obtenernuevos productos demandados por los mercados.1 Destilación que se basa en los distintos puntos de ebullición de los componentes.
  15. 15. Con la operación de cracking se logra romper moléculas pesadas (por ejemplo,fuel) originando múltiples moléculas ligeras, no necesariamente idénticas entre ellas(gasolinas y gases). La polimerización consiste en la unión de varias moléculas de un monómero paraformar una molécula de un polímero. Por ejemplo: a partir de etileno se obtienepolietileno. La alquilación consiste en la asociación de moléculas de un cuerpo con moléculasde otro distinto en condiciones análogas a la polimerización. Las aplicaciones del petróleo y sus derivados son importantísimas, tanto en elcampo de los suministros energéticos como en la industria química. A continuación aparece representado, de forma abreviada, el proceso de refino delpetróleo.3.1.1.3. Gases Consideramos combustible gaseoso cualquier mezcla gaseosa empleada comocombustible para proporcionar energía en usos domésticos o industriales. Los combustibles gaseosos están formados principalmente por hidrocarburos, esdecir, compuestos moleculares de carbono e hidrógeno. Las propiedades de losdiferentes gases dependen del número y disposición de los átomos de carbono e
  16. 16. hidrógeno de sus moléculas. Todos estos gases son inodoros en estado puro, igual queocurre con el monóxido de carbono (tóxico) que a veces contienen. Además de suscomponentes combustibles, la mayoría de los combustibles gaseosos contienencantidades variables de nitrógeno y agua. Los combustibles gaseosos empleados en la actualidad son el gas de hulla, obtenidopor destilación del carbón, el gas natural, extraído de yacimientos subterráneos de gas, ylos gases embotellados, compuestos por los hidrocarburos más ligeros. – Gas natural: Se entiende como gas natural las mezclas de gases combustibles hidrocarburados o no, que se encuentran en el subsuelo y que en ocasiones se hallan asociados con el petróleo. El principal constituyente del gas natural es el metano, que representa generalmente entre el 75 y el 95% del volumen total, otros hidrocarburos gaseosos con el nitrógeno y el dióxido de carbono son los otros componentes. El gas natural puede ser húmedo (si contiene hidrocarburos líquidos en suspensión) o seco (si no los contiene). El uso industrial del gas natural es posterior al uso del petróleo. El gas natural, que aparecía en casi todos los yacimientos petrolíferos, se quemaba a la salida del pozo como un residuo más. La necesidad de nuevas fuentes energéticas dio lugar al desarrollo de técnicas (licuefacción de los gases y tuberías soldadas resistentes a altas presiones) que resolvían los problemas de almacenamiento y transporte que el gas natural presentaba. – Gas de hulla: Los procesos de gasificación de hulla más importantes están destinados sobre todo a la producción del gas denominado "gas ciudad", cuyas propiedades son más o menos equivalentes a las del gas natural. El gas procedente de la hulla, además de cumplir las especificaciones de bombeo y calentado, debe satisfacer límites estrictos en cuanto al contenido de monóxido de carbono, azufre, gases inertes y agua. Para cumplir estas normas, la mayoría de los procesos de gasificación de hulla culminan con operaciones de limpieza y metanación del gas. En la actualidad se utilizan diversos métodos de hidrogasificación en los que el hidrógeno reacciona directamente con carbón para formar metano; estos procesos evitan el paso intermedio consistente en producir gas de síntesis, hidrógeno y monóxido de carbono antes de producir metano. Otros gases fabricados en el pasado a partir de carbón y coque, como el gas del alumbrado o el gas de horno de coque, apenas tienen importancia hoy día. Varios hidrocarburos como el propano, el butano y el pentano, o mezclas de esos gases, se licuan para emplearlos como combustible. Gracias a los llamados gases embotellados, que suelen almacenarse en bombonas o tanques metálicos, pueden utilizarse para usos domésticos en localidades carentes de suministro centralizado de gas. Estos gases embotellados se producen a partir del gas natural y del petróleo.
  17. 17. Isótopo radiactivo del Uranio.3.1.2. Energía nuclear Es la energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidadesde energía que pueden obtenerse mediante procesos nucleares superan con mucho a lasque pueden lograrse mediante procesos químicos, que sólo implican las regionesexternas del átomo. El átomo está formado por un pequeño núcleo, cargado positivamente, rodeado deelectrones. El núcleo, que contiene la mayor parte de la masa del átomo, está compuestoa su vez de neutrones y protones, unidos por fuerzas nucleares muy intensas, muchomayores que las fuerzas eléctricas que ligan los electrones al núcleo. El número másicoA de un núcleo expresa el número de nucleones (neutrones y protones) que contiene; elnúmero atómico Z es el número de protones, partículas con carga positiva. Los núcleosse designan como X; por ejemplo, la expresión U representa el uranio 2352. 235 92 La energía de enlace de un núcleo mide la intensidad con que las fuerzas nuclearesmantienen ligados a los protones y neutrones. La energía de enlace por nucleón, esdecir, la energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón, depende delnúmero másico. Si dos núcleos ligeros se fusionan para formar un núcleo de mayor peso2
  18. 18. o si un núcleo pesado se divide en dos de menor peso, los núcleos resultantes estánligados con más fuerza, por lo que se libera energía.3.1.2.1. Fisión También se libera energía nuclear cuando se induce la fisión de un núcleo pesadocomo el U mediante la absorción de un neutrón, como en la reacción: 235 92 1 0 n+ 235 92 U → 140 55 Cs + 93 37 Rb + 3 1 0 n + 200 MeVque produce cesio 140, rubidio 93, tres neutrones y 200 MeV, o 3,2 × 10-11 J. Unareacción de fisión nuclear libera una energía 10 millones de veces mayor que unareacción química típica. El uranio presente en la naturaleza sólo contiene un 0,71% de uranio 235; el restocorresponde al isótopo no fisionable uranio 238. Una masa de uranio natural, por muygrande que sea, no puede mantener una reacción en cadena, porque sólo el uranio 235 esfácil de fisionar. Es muy improbable que un neutrón producido por fisión, con unaenergía inicial elevada de aproximadamente 1 MeV, inicie otra fisión, pero estaprobabilidad puede aumentarse cientos de veces si se frena el neutrón a través de unaserie de colisiones elásticas con núcleos ligeros como hidrógeno, deuterio o carbono. Enello se basa el diseño de los reactores de fisión empleados para producir energía.3.1.2.2. Fusión Se denomina fusión nuclear a la reacción en la que dos núcleos ligeros se unen paraformar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía. Dado quelos núcleos están cargados positivamente necesitan la aplicación de energía cinéticapara vencer las fuerzas electrostáticas de repulsión; esta energía se puede aplicar comoenergía térmica o mediante un acelerador de partículas. Estas reacciones de fusión térmica, llamadas reacciones termonucleares, seproducen en los reactores de fusión y fundamentalmente con los isótopos del hidrógeno(protio: 1 1H, deuterio: H, y tritio: H). 2 1 3 1 Las posibles reacciones nucleares de fusión son: 2 1 H+ 2 1 H → 3 1 H+ 1 1 H + 4 MeV 2 1 H+ 2 1 H → 3 2 He + 1 0 n + 3,2 MeV 2 1 H+ 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n + 17,6 MeV El aprovechamiento por el hombre de la energía de fusión pasa por la investigacióny el desarrollo de sistemas tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales:
  19. 19. calentar y confinar. Calentar para conseguir un plasma3 en donde los electrones salgande sus órbitas y donde los núcleos puedan ser controlados por un campo magnético yconfinar, para mantener la materia en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en lacavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar. Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que eldeuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural y prácticamente ilimitada en lanaturaleza. El tritio no se presenta de forma natural y además es radiactivo. Sin embargolas investigaciones están básicamente centradas en las reacciones de fusióndeuterio-tritio, debido a que libera una mayor energía y la temperatura a la que tienelugar la fusión es considerablemente menor que las otras. En 1957 el físico británicoJ.D. Lawson formuló los criterios para que un hipotético reactor de fusión produzca elsuficiente calor como para que la reacción no se apague:1. La temperatura debe alcanzar los 100 millones de grados centígrados.2. El combustible deuterio- tritio ha de tener una densidad mínima de 100 billones de partículas por centímetro cúbico.3. La energía aplicada sobre el combustible para lograr que se cumplan los dos criterios anteriores tiene que mantenerse al menos durante un segundo. Dado que el plasma es un muy buen conductor eléctrico, sometido a la acción de uncampo magnético ha de seguir las líneas de fuerza de éste. Las experiencias mássobresalientes en este campo, se han desarrollado considerando que era necesario crearun gran campo magnético. Siguiendo esa línea de trabajo las investigaciones másconocidas son: – Un grupo de físicos norteamericanos montaron el Stellarator, que consistía en una serie de bobinas electromagnéticas circulares, dispuestas uniformemente sobre una estructura en forma de rueda de coche. En su interior el plasma permanecía suspendido formando un anillo, mientras era calentado por inducción magnética o por inyección de hidrógeno. Pronto se observó que su funcionamiento era muy inestable. – Físicos soviéticos desarrollaron una jaula de confinamiento, denominada Tokamak T-3, de concepción radicalmente diferente al Stellarator. Mientras en este último el campo de confinamiento lo producen los imanes que rodean al plasma, en el Tokamak el plasma se utiliza como bobina secundaria de un transformador, de modo que el mismo genera un campo magnético a su alrededor. Las líneas magnéticas de este campo se cruzan con las del campo primario logrando una jaula magnética muy estable.3.2. Energías renovables3.2.1. Hidráulica3 Gas ionizado calentado a temperaturas superiores a 10.000ºC. Por sus características se le considera el cuarto estado de la materia
  20. 20. Energía hidráulica es la que se obtiene a partir del agua acumulada (embalsada) delos ríos o lagos. Tiene como origen el Sol ya que éste es la causa del ciclo del agua4. El aprovechamiento de esta energía se realiza en los saltos de agua de las presas. Elagua retenida, de forma artificial, en pantanos formados al cerrar mediante una presa laboca de un valle. La mayoría de las presas hidráulicas se destinan a la producción de energíaeléctrica, aunque el agua almacenada suele ser posteriormente aprovechada para riegoagrícola o abastecimiento urbano. Aunque es un recurso inagotable que la naturaleza se encarga de renovar, presentaalgunos inconvenientes: – Es estacional: el nivel de precipitaciones depende de la estación del año en que nos encontremos y de los ciclos de sequía. – Impacto medioambiental: ya que la construcción de presas supone la destrucción de zonas fértiles. – Transporte: los emplazamientos suelen estar lejanos a las zonas de consumo.3.2.2. Solar Energía solar es la energía que llega a la Tierra en forma de radiaciónelectromagnética procedente del Sol, en donde es generada por un proceso de fusiónnuclear. En el Sol se producen constantemente reacciones de fusión en las que, en unsegundo, 564 millones de toneladas de hidrógeno se fusionan dando lugar a 560millones de toneladas de helio y se libera gran cantidad de energía, esta reacción seproduce a una temperatura de 20 millones de grados. De ésta sólo una pequeña partellega a la Tierra, pues el resto es reflejado hacia el espacio exterior por la presencia de laatmósfera terrestre. La energía solar llega a la superficie de la Tierra por dos vías diferentes: – Radiación directa: objetos iluminados por el Sol. – Radiación difusa: radiación solar absorbida por el aire y el polvo atmosférico. La primera es aprovechable de forma directa. Los colectores planos y las célulasfotovoltaicas aprovechan la segunda, en alguna medida. Las ventajas de la energía solar son: – Es inagotable y no contaminante.4 El calor evapora el agua de los mares y ríos que sube a la atmósfera formando las nubes, el agua retorna a la tierra en forma de precipitaciones de agua y nieve.
  21. 21. – Mediante procesos convenientes de concentración pueden alcanzarse con ella temperaturas hasta 3000 °C, que en principio permiten poner en marcha ciclos termodinámicos de alto rendimiento. Los inconvenientes de esta fuente de energía son: – No puede ser almacenada, por lo que tiene que ser transformada inmediatamente en otra forma de energía. – Su aprovechamiento exige disponer de sistemas de captación de grandes superficies y algunos de sus componentes tienen un coste elevado. – Es discontinua y aleatoria. La energía solar que llega a la Tierra es gratuita, pero su transformación en energíaútil es muy costosa y, en muchos casos, está en fase de experimentación. El aprovechamiento de la energía solar puede hacerse por dos vías: térmica yfotovoltaica. – Vía térmica: transforma la energía proveniente del Sol en energía calorífica. Esta transformación puede darse a baja, media y alta temperaturas.  Transformación a baja temperatura: se emplea generalmente para calefacción doméstica, climatización de locales, obtención de agua caliente. Es necesario captar la energía solar, para lo que se dispone de una serie de colectores que absorben la radiación solar y la transmiten en forma de calor para alimentar el sistema de calefacción. Estos sistemas aprovechan la energía solar a temperaturas que oscilan entre 35°C y 90°C y su rendimiento es superior al 50%.  Instalaciones a media temperatura: en estas instalaciones las temperaturas que se obtienen oscilan entre 90°C y 200°C, para lo que es necesario captar la energía solar y concentrarla mediante dispositivos especiales. El rendimiento en estos casos es del 60%. Estas instalaciones constan de un conjunto de colectores de concentración de distintas formas: a) Cilíndrico-parabólica: recogen la energía solar y la trasmiten a un fluido que transforma la energía solar en calorífica. b) Heliostatos: formados generalmente por espejos orientables que concentran la radiación incidente en un punto fijo. El principal inconveniente es que utilizan sólo la radiación directa del Sol, pero no la difusa.  Instalaciones a alta temperatura: están formadas por una amplia superficie de heliostatos sostenidos por soportes que reflejan la radiación solar y la concentran en un punto receptor, alcanzando temperaturas superiores a los 200°C. El receptor transmite la radiación solar, en forma de calor, a un
  22. 22. fluido. Éste es enviado a un generador de vapor que convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario, la cual pone en movimiento un grupo generador de energía eléctrica. El rendimiento de estas instalaciones es aproximadamente del 20%. – Vía fotovoltaica: los sistemas solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de células solares o fotovoltaicas, dispuestas en paneles, que transforman directamente la energía solar en energía eléctrica. Las células fotovoltaicas son elementos fabricados con materiales semiconductores5 (silicio, germanio, arseniuro de galio, óxidos semiconductores, etc.). Los fotones solares provocan la creación de pares electrón-hueco que permiten la aparición de una corriente eléctrica en la carga conectada externamente a la célula. El desarrollo de estos sistemas se debió, en un primer momento, a la necesidad de cubrir las necesidades energéticas de los satélites artificiales mediante sistemas autónomos y de peso reducido. Las investigaciones actuales pretenden encontrar materiales que permitan la fabricación de células solares a bajo coste, para la producción de energía eléctrica y sistemas de almacenamiento de esta energía.3.2.3. Eólica La energía eólica es la energía producida por la acción del viento. Suaprovechamiento se remonta en la historia ya que fue la primera energía aprovechada5 Material en el que los enlaces de los electrones en sus átomos son relativamente débiles (entre 0,8 y 2 eV), de modo que puedan romperse al chocar con ellos los fotones de la luz solar (1,4 eV).
  23. 23. por el hombre, inicialmente como elemento motriz de las embarcaciones a vela yposteriormente en los molinos de viento con aplicaciones diversas. Esta fuente energética presenta ventajas e inconvenientes, como sucede con lamayoría de las energías renovables. Es una fuente inagotable, no contaminante y unavez realizada la fuerte inversión, necesaria para su aprovechamiento, su captación esgratuita. Sus inconvenientes fundamentales son: que la intensidad del viento depende demúltiples factores y el coste de las instalaciones.3.2.4. Geotérmica Es la energía que encierra la Tierra en forma de calor y que ha sido producidafundamentalmente en la desintegración de las sustancias radiactivas de su núcleo. Estecalor tiende a difundirse en el interior hasta escapar por la superficie de la cortezaterrestre. Esta cantidad de calor sería suficiente para cubrir las necesidades mundiales deenergía si pudiera aprovecharse. Para que esto sea posible, ha de mejorarse elaprovechamiento de este calor profundizando en la litosfera6. La energía geotérmica hasido utilizada por el hombre desde los tiempos más remotos. La temperatura se distribuye de forma irregular según las zonas de la cortezaterrestre. Las bolsadas de magma que proceden de las zonas más profundas se desplazanhacia zonas de menor presión. Al contacto con el magma las rocas se funden ydesprenden grandes cantidades de gases que tienden a salir por las grietas y las fisurasde la corteza, dando lugar a fenómenos de vulcanismo como son las erupcionesvolcánicas, salidas de gases a altas temperaturas (fumarolas y solfataras), salida de aguahirviendo y vapor (géiseres) y salida de agua caliente (fuentes termales), aunque sóloalgunas de éstas son aprovechables. El aprovechamiento de la energía geotérmica se hace a distintas temperaturas.6 La Tierra se divide en cinco partes: la atmósfera es gaseosa; la hidrosfera es líquida; la litosfera, el manto y el núcleo son sólidos. La litosfera es la capa externa de la tierra, de unos 70 a 150 Km de espesor, que engloba la corteza terrestre y la parte superficial del manto.
  24. 24. – Baja energía: se aprovecha directamente el agua caliente (a menos de 100°C) en muy variadas aplicaciones -calefacción, agua caliente doméstica, piscinas, invernaderos, secaderos, etc.-. – Media energía (90- 150°C): existe la posibilidad de producir energía eléctrica, recurriendo a un fluido intermedio para su extracción (amoníaco, freón). El rendimiento es muy bajo. – Alta energía: el vapor a presión o el agua a más de 150°C tienen un valor suficiente de fuerza motriz como para alimentar una central eléctrica. El rendimiento sigue siendo bajo. – Rocas calientes y secas: se encuentran a profundidades de hasta 6000 metros y a temperaturas de 300°C. Con ellas se puede obtener energía eléctrica, pero su explotación presenta grandes dificultades. En general la energía geotérmica, aunque ofrece grandes posibilidades deaprovechamiento, tiene enormes limitaciones: es de aplicación local, no puedetransmitirse a largas distancias y, además, en muchos casos el vapor tiene una grancantidad de humedad, por lo que existe grave riesgo de corrosión en las instalaciones.3.2.5. Biomasa Es la energía que se puede obtenerde los compuestos orgánicos formadospor procesos naturales. La energía de labiomasa se puede conseguir,fundamentalmente: – Estableciendo determinados cultivos que puedan transformarse posteriormente en combustible. – Aprovechando residuos forestales, agrícolas y domésticos, transformándolos después en combustible (biomasa residual). – Transformando química o biológicamente ciertas especies vegetales para convertirlas también en combustible (metanol y etanol). Algunos países como Brasil, para reducir su dependencia del petróleo, han puestoen funcionamiento motores que utilizan el alcohol como combustible. La biomasa residual ofrece grandes perspectivas en cuanto a su aprovechamientoenergético, ya que se produce de forma continua como consecuencia de la actividadhumana. La eliminación de residuos naturales constituye normalmente un problemacuya solución requiere grandes desembolsos. El aprovechamiento energético de losresiduos, además de proporcionar energía, ahorrará los costes de su eliminación, aunque
  25. 25. no hay que olvidar que su recogida, generalmente en terrenos difíciles, implica tambiénconsiderables inconvenientes.3.2.6. Mareomotriz, de las olas y térmica marina La energía mareomotriz es la energía desarrollada por las aguas del mar cuandoestán en movimiento. Las mareas son el resultado de la atracción gravitatoria ejercidapor el Sol y la Luna sobre nuestro planeta. En algunos lugares el desnivel de las mareasalcanza con frecuencia varios metros de diferencia entre la bajamar y la pleamar. Su utilización industrial sólo es posible en aquellas zonas costeras que reúnandeterminadas condiciones topográficas (rías, estuarios, etc.) y marítimas en las cuales elvalor de amplitud del desnivel de las mareas sea comparable a una instalaciónhidroeléctrica de escaso desnivel, pero de gran volumen de agua. El ejemplo mássignificativo de esta forma de obtener energía lo constituye la central mareomotriz deLa Rance (Francia). La forma de aprovechamiento de esta energía consiste en la elevación de un diquepara aprovechar la diferencia de nivel entre mareas. La forma más sencilla deproducción de energía eléctrica en una central mareomotriz es el sistema de efectosimple, en la pleamar se cierran las compuertas del dique y al bajar la marea se produceun desnivel de agua entrando en funcionamiento la turbina hasta que los niveles seigualan. Al objeto de obtener mayor rendimiento se utiliza el sistema de doble efecto,con lo que la producción de energía es doble. El principal inconveniente lo constituye el hecho de que se pueda impedir lamigración de determinadas especies marina en el momento del desove. El aprovechamiento energético de las olas del mar está, prácticamente, en faseexperimental. Un proyecto japonés utiliza la energía de las olas para mover una cámarade comprensión de válvulas que provoca la rotación de una turbina de aire. La utilización de la energía térmica marina o maremotérmica se fundamenta en eldesnivel térmico entre la superficie y nivel profundo del mar. Este desnivel es muchomás acusado en zonas tropicales donde puede haber diferencias de temperatura entre elfondo y la superficie de hasta 28°C. La transformación de energía térmica en eléctrica se lleva a cabo mediante el ciclotermodinámico de Rankine, que puede efectuarse de dos formas: – Ciclo abierto. Sistema a baja presión en el que el agua caliente del mar se introduce en un evaporador a baja presión (0,03 atm) provocando la ebullición del agua, el vapor generado alimenta una turbina. Esta ha de ser de gran diámetro ya que para obtener alguna potencia son necesarias grandes cantidades de vapor. – Ciclo cerrado. Se utiliza un fluido intermedio muy volátil como el amoniaco que al tomar el calor del agua marina se evapora y mueve la turbina.
  26. 26. 3.3. Ahorro energético Las últimas tendencias consideran el ahorro energético como un recurso más ya quereducir la extracción de recursos cada día menos abundantes. Ahorro energético es el esfuerzo por reducir la cantidad de energía para usosindustriales y domésticos. Aproximadamente la mitad de la energía consumida enEuropa occidental se destina a edificios domésticos y comerciales. Se debe estimular eldiseño de edificios con buen aislamiento, el uso eficaz de la energía en la iluminación,la instalación de sistemas de control de energía y la de aparatos modernos y eficacespara calefacción, aire acondicionado, cocinas y refrigeración. En el sector industrial el ahorro de electricidad puede conseguirse mediantesistemas avanzados de control de potencia, la instalación de motores eléctricosmodernos para ventiladores, bombas, mecanismos de transmisión..., y la instalación deequipos de iluminación de alta eficacia. La construcción de sistemas de Cogeneración ode Energía y Calor Combinados en los que el calor de salida de la turbina de gas o vapore incluso de los motores diesel se emplea para alimentar los generadores de electricidady suministrar vapor y calor a los distintos elementos de la fábrica. Estos sistemas tienenun rendimiento global en el uso de la energía de más del 80%. No todas las instalaciones industriales o consumidores son potencialescogeneradores. Los consumidores de energía térmica (vapor, fluido térmico, aguacaliente, gases para secado) a temperaturas inferiores a los 500 °C. También los grandesconsumidores de frío pueden utilizar sistemas de cogeneración. En los últimos años seha introducido el concepto de Trigeneración que se basa en la producción de calor,electricidad y frío. Existen diversos sistemas de plantas de cogeneración: turbina de gas en ciclosimple o en ciclo combinado, con motores alternativos, etc. La más clásica es la deturbina de gas en ciclo simple y consta básicamente de un generador eléctrico y de unsistema de recuperación de calor. La planta de Trigeneración es esencialmente unaplanta de cogeneración a la que se le ha añadido un sistema de absorción paraproducción de frío.4. PRODUCCIÓN DE DIFERENTES FORMAS DE ENERGÍA4.1. Energía eléctrica La energía eléctrica se puede obtener fundamentalmente de dos formas: mediantegeneradores químicos o generadores electromagnéticos. El uso de generadores químicos
  27. 27. se limita a receptores móviles y de bajo consumo; la mayor parte de la producción deenergía eléctrica se produce mediante generadores electromagnéticos en instalacionesque reciben el nombre de centrales eléctricas.4.1.1. Generadores químicos El físico italiano Alessandro Volta fue el precursor de los generadores químicos aldesarrollar, a inicios del siglo XIX, la llamada pila de Volta. El físico francés GeorgesLeclanché inventó, en el último tercio del mismo siglo, la pila seca, que con pequeñasvariaciones se continúa utilizando hoy en día. Los generadores químicos están constituidos por, al menos, un elemento básicodenominado celda. La conexión de dos o más celdas da lugar a los generadorescomúnmente conocidos como baterías. Las partes básicas de una celda son: electrodos y electrolito. Los electrodos de ungenerador son dos: El electrodo positivo o ánodo y el electrodo negativo o cátodo, están formados porelementos químicos en estado sólido y constituyen los elementos de conexión exterior.El electrolito7 es básicamente un conductor iónico, en el que están inmersos loselectrodos que, debido a desplazamiento de iones entre los electrodos, permite latransferencia interna de electrones. Los generadores químicos se pueden clasificar en función de múltiples variablescomo el tamaño, la tecnología de fabricación, posibilidad de recarga o el uso habitual,etc. La clasificación más general es en función de la posibilidad de recarga: – Generadores químicos primarios (admiten una sola carga en el momento de su fabricación). – Generadores químicos secundarios o acumuladores (las reacciones químicas internas son reversibles por lo que pueden ser recargadas).4.1.1.1. Generadores químicos primarios – Cinc-Carbón: Es la pila seca más utilizada hasta el momento por su bajo coste económico, aunque su uso se limita a receptores de bajo consumo, su fem es de 1,5-1,6 V. Está formada por un electrodo de carbón con un recubrimiento de peróxido de manganeso que se encarga de absorber el hidrógeno que se pueda formar. Un vaso de cinc forma el electrodo negativo y el electrolito es una solución de sal de amoníaco espesada. – Mercurio:7 Compuesto químico que puede ser de tipo ácido, básico o salino.
  28. 28. Está formado por óxidos de cinc y mercurio. Entrega una fem de 1,4 V por elemento y, a pesar de su pequeño tamaño (pila de botón), tiene un elevado rendimiento y gran estabilidad de tensión. – Óxido de plata: Estas pilas con forma de botón tienen una tensión nominal de 1,5 V y entre sus características más sobresalientes destacan una curva de descarga muy plana y la posibilidad de almacenamiento durante años.4.1.1.2. Generadores químicos secundarios El acumulador más habitual es el de electrodos de plomo, ya que se utiliza comoelemento de arranque en los automóviles; pero en los últimos años han aparecido en elmercado acumuladores que utilizan materiales como: níquel, cadmio, manganeso, etc. – Acumulador de plomo: Una batería de acumuladores de plomo está compuesta por varias parejas de láminas de bióxido de plomo y de plomo separadas mediante láminas de fibra de vidrio o similar. Las primeras constituyen el electrodo positivo y las segundas el negativo. El electrolito es una solución de ácido sulfúrico. La fem por celda o acumulador es de 2,1 V, la conexión de varios acumuladores permiten obtener baterías de fem de 12 V y 24 V, que son los valores más habituales en el mercado. Cuando el acumulador funciona los electrodos se ven sometidos a reacciones químicas que van modificándolos, de modo que cuando está descargado los dos electrodos sólo contienen sulfato de plomo. Las reacciones que tienen lugar en las placas son:  En la placa positiva: PbO2 + SO −− 4 + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O  En la placa negativa: Pb + SO −− 4 → PbSO4 + 2e-
  29. 29. Aplicando una fem, en el sentido adecuado, el acumulador se carga y los electrodos vuelven a su estado inicial. – Níquel-Cadmio: Es un elemento secundario muy conocido ya que sus características físicas le hacen adecuado para alimentar elementos móviles como: máquinas de afeitar, destornilladores, electrodomésticos, etc. Están formados por un electrodo positivo de láminas sinterizadas8 y un electrodo negativo de electrodepósito, el electrolito es potasa cáustica.4.1.2. Centrales hidráulicas Las centrales hidráulicas aprovechan, mediante un desnivel, la energía potencialcontenida en la masa de agua que transportan los ríos para convertirla en energíaeléctrica, utilizando grupos turbina-alternador. Aunque existen varios criterios para clasificar las centrales hidráulicas, atendiendoa la regularidad de las aportaciones de agua se pueden clasificar en: – Centrales fluyentes. Cuando el caudal del río garantiza aportaciones regulares de agua, ésta se puede aprovechar directamente o mediante un pequeño embalse. – Centrales con regulación. Cuando es necesario generar embalsamiento de agua mediante una presa. Los componentes fundamentales de una central hidráulica son: la presa, losaliviaderos, las tomas de agua y la sala de máquinas.8 Aglomeración de los polvos de metal por la acción del calor y la presión. Los metales sinterizados son muy porosos.
  30. 30. La presa es un elemento esencial en la mayoría de los aprovechamientos hidráulicosy sus características dependen de la orografía del terreno y del curso de agua aaprovechar. Existen dos grandes tipos: de gravedad y de bóveda. Los aliviaderos permiten liberar parte del agua retenida sin pasar por la sala demáquinas, con el fin de evitar rebosamientos en caso de avenida o atender a necesidadesde riego o suministro urbano. Las tomas de agua, situadas en la pared anterior de la presa, permiten conducir elagua a la sala de máquinas. En las tomas se colocan compuertas al objeto de controlar elcaudal de agua y rejillas que impiden la entrada de objetos extraños que puedan dañarlas turbinas. En la sala de máquinas se ubican los equipos generadores formados por gruposturbina-alternador. Las turbinas más habituales son: – Turbinas Pelton. En aprovechamientos con gran desnivel y caudal regular. – Turbinas Francis. En aprovechamientos de desnivel intermedio y caudales variables. – Turbinas Kaplan. En aprovechamientos con poco desnivel y caudales muy variables. La turbina siempre está unida mecánicamente al eje del rotor del alternador demodo que, cuando el agua choca con los álabes de la turbina, se produce un giro en elrotor y por inducción se genera una señal eléctrica de alta intensidad y media tensión enel estator. Al mismo tiempo gira el grupo excitatriz, un generador de corriente continuaque se encarga de excitar los polos del rotor del alternador. La corriente alterna generada ha de ser convertida en una señal de alta tensión,mediante un transformador, para poder ser transportada sin grandes pérdidas al punto deconsumo (normalmente situado a muchos kilómetros). Existe un tipo de central hidráulica, denominada de bombeo, que hace unaprovechamiento óptimo del recurso energético ya que no devuelve agua al río. Constade dos embalses y en las horas punta actúa como una central convencional produciendoenergía eléctrica que envía a la red y enviando el agua utilizada al embalse inferior. En
  31. 31. las horas valle bombea el agua acumulada en el embalse inferior al superior de maneraque se recupera el recurso.4.1.3. Centrales térmicas Las centrales térmicas convencionales producen energía eléctrica a partir de lacombustión de los denominados combustibles fósiles. Se denominan convencionalespara distinguirlas de otros tipos de centrales termoeléctricas (nucleares, solares) queutilizan otros tipos de combustibles. El principio de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es elmismo con independencia del combustible utilizado. La diferencia estriba en eltratamiento a que se somete al combustible antes de ser inyectado en la caldera y en losquemadores de ésta. Toda central térmica ha de disponer de sistemas de almacenamiento delcombustible que asegure la existencia de una cantidad suficiente. Cada tipo de combustible ha de ser sometido a un tratamiento previo antes de serenviado a la caldera: – El carbón ha de molerse y enviado a la caldera mediante chorros de aire precalentado. – El fuel ha de ser precalentado para su fluidificación. En la caldera, mediante los quemadores, se produce la combustión generándoseenergía calorífica. Ésta convierte en vapor a alta temperatura el agua que circula poruna extensa red de tubos ubicados en las paredes de las calderas. Este vapor entra agran presión en la turbina, que consta de tres cuerpos solidarios colocados en elsiguiente orden: – Cuerpo de alta presión. Consta de centenares de álabes de pequeño tamaño. – Cuerpo de media presión. Consta de centenares de álabes de tamaño intermedio. – Cuerpo de baja presión. Consta de álabes de mayor tamaño que los anteriores. Esta disposición permite el aprovechamiento pleno de la energía calorífica, dadoque el vapor va perdiendo presión progresivamente. El vapor, antes de entrar en laturbina, ha de ser deshumidificado par evitar la corrosión de los álabes.
  32. 32. La turbina genera energía mecánica que mueve al alternador, generando energíaeléctrica que, convenientemente transformada, se envía a la red de distribución.4.1.4. Centrales nucleares Las centrales nucleares son centrales termoeléctricas que se diferencian de lasclásicas en el combustible utilizado y en el elemento encargado del aprovechamiento delcombustible para producir vapor de agua. En las centrales nucleares la fuente de calor se consigue mediante la fisión denúcleos de uranio. La fisión nuclear, tal como se ha explicado en el apartado 3.1.2,consiste en una reacción por la cual ciertos núcleos de elementos químicos pesados seescinden o fisionan por el impacto de un neutrón, emitiendo neutrones y liberando grancantidad de energía en forma de calor. Los neutrones resultantes pueden provocar, endeterminadas condiciones, nuevas reacciones de fisión produciéndose una reacciónnuclear en cadena. Las máquinas que permiten iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena defisión nuclear se denominan reactores nucleares; esta máquina es el equivalente a lacaldera de las centrales termoeléctricas clásicas. También, por analogía con éstas,podríamos llamar "combustible nuclear" al uranio consumido en las centrales nucleares,aunque en éstas no se produzca ninguna reacción de combustión química. Los diferentes tipos de reactores nucleares existentes vienen definidos por trescomponentes principales: – El combustible. El combustible nuclear, almacenado en el núcleo del reactor, ha de ser un elemento fisionable que, en ausencia de neutrones, se mantenga estable a largo plazo. Esta condición solamente la cumplen tres isótopos: el Uranio-233, el Uranio-235, y el Plutonio-239. Sólo el Uranio-235 se encuentra en la naturaleza, aunque en baja proporción; el Uranio-233 se obtiene por bombardeo de neutrones del Torio-232 y el Plutonio-239 por bombardeo del Uranio-238; a estos dos isótopos se les conoce como isótopos fértiles. El combustible nuclear suele ser una mezcla de isótopos fisionables e isótopos fértiles.
  33. 33. – El moderador. Los neutrones emitidos en el proceso de fisión tienen una gran energía cinética; para asegurarse que dichos neutrones impacten en nuevos núcleos de uranio, es preciso reducir dicha energía o, lo que es lo mismo, "moderar" su velocidad. Esto se consigue con sustancias como el agua pesada, el carbón (grafito), el agua ligera, etc. – El refrigerante. Para extraer el calor del núcleo del reactor y transportarlo al grupo turbina-generador, se utiliza un líquido refrigerante. Éste transporta el calor generado por el núcleo hasta el grupo generador y vuelve de nuevo al núcleo para iniciar el ciclo. Atendiendo a las características de cada uno de estos tres elementos, existen lossiguientes tipos de reactores: – Reactor de agua ligera. Estos reactores utilizan como combustible el óxido de uranio isotópicamente enriquecido con un 3% de Uranio-235 y como moderador y refrigerante agua purificada. Los dos siguientes son una variante de este reactor. – Reactor de agua a presión (PWR). El combustible es óxido de uranio. El refrigerante es agua a una presión de unas 150 atmósferas, se bombea a través del núcleo del reactor donde se calienta a una temperatura superior a 300°C y, posteriormente, se bombea hasta un generador de vapor, donde mediante intercambiadores de calor calienta un circuito secundario de agua que se convierte en vapor. Este vapor se utiliza como propulsor del grupo de máquinas generadoras. El vapor, una vez condensado mediante un tercer circuito de agua, vuelve al generador de vapor. Este tercer circuito emplea agua de una fuente natural o una torre de refrigeración. – Reactor de agua en ebullición (BWR). El agua de refrigeración se mantiene a una presión menor que en el RAP, por lo que hierve dentro del núcleo. El vapor de agua producido en la vasija del reactor se dirige directamente al grupo generador, se condensa y se bombea de nuevo al reactor. El agua de refrigeración procede de una fuente independiente como en el RAP. Una característica común a todos los reactores es que, durante su funcionamiento, eincluso una vez desconectado, en su interior hay una radiactividad de miles de millonesde curios9. Para la absorción de dicha radiación se utilizan blindajes de hormigón degran espesor alrededor del reactor y del circuito primario de refrigeración. Dado que las reservas de uranio se suponen limitadas y debido al bajoaprovechamiento que del Uranio hacen los reactores mencionados anteriormente, se hanexperimentado y puesto en funcionamiento reactores autorregenerativos (tambiénconocidos como reactores reproductores o rápidos) cuya principal característica es la deproducir más combustible que el que consume mediante la absorción de los neutronessobrantes por un material fértil.9 Curio (Ci) se define como la actividad de una cantidad de sustancia radiactiva en la que se desintegran 3,7·1010 átomos por segundo. En el SI se utiliza el becquerel (Bq) 1 Ci = 3,7·1010 Bq.
  34. 34. Reactores autorregenerativos. El reactor autorregenerativo más utilizado empleaU-238 como material fértil. Cuando éste absorbe neutrones, se convierte en otromaterial fisionable (Pu-239) por un proceso nuclear conocido como desintegración . Seproduce la secuencia de reacciones nucleares siguiente: 238 32 U+ 1 0 n → 239 32 U→ 239 33 Np → 239 34 Pu El reactor autorregenerativo rápido de metal líquido (RARML) es el más habitualentre aquellos que utilizan esta tecnología. No utiliza ningún moderador, ya queprovocaría el frenado de los neutrones; los neutrones han de mantener una velocidadalta para optimizar la producción de Pu-239. El refrigerante más utilizado es el sodio(Na) líquido, ya que posee grandes propiedades de transferencia de calor. Otro tipo de reactor, cada vez menos habitual, es el refrigerado por gas. Existen tresvariantes: GCR, AGR y HTGR. TIPO DE REACTOR COMBUSTIBLE REFRIGERANTE MODERADOR PWR U Enriquecido Agua ligera Agua ligera R Presurized Water Reactor E A BWR C Boiling Water Reactor U Enriquecido Agua ligera Agua ligera T O GCR R U Natural Gas (CO2 He Aire) Grafito E Gas Cooled Reactor S AGR U Enriquecido Gas (CO2 He Aire) Grafito L Advenced Gas Reactor E HTGR N U Enriquecido Gas (He) Grafito T Higt Temper: Gas Reactor O S De agua pesada U Natural Agua pesada y ligera Agua pesada Reactor rápido Pu + U Na líquido Autorregenerativo Cuadro resumen de los tipos de centrales nucleares
  35. 35. 4.1.5. Centrales solares La energía solar puede ser aprovechada de dos formas: la térmica y la fotovoltaica.En el primer caso se transforma la energía procedente del Sol en energía calorífica paraposteriormente transformarla en energía eléctrica. En el segundo, la energía solar seconvierte directamente en energía eléctrica. – Energía solar térmica. Los sistemas de aprovechamiento de la energía solar térmica pueden ser de baja, media y alta temperatura. Los de baja temperatura no se utilizan para la producción de energía eléctrica, por lo que nos limitaremos a estudiar los de media y alta temperatura. Las instalaciones de media temperatura más habituales constan de un conjunto de colectores de concentración, generalmente de forma cilíndrico-parabólica, que recogen la energía solar y la transmiten a un fluido en forma de calor (temperaturas de 100°C a 300°C). El fluido una vez caliente, a través de un circuito primario, transporta dicha energía calorífica a una caldera, en donde es transferida a un circuito secundario. El fluido del circuito secundario, generalmente agua, se convierte en vapor y es enviado a un grupo generador (turbina y alternador) para producir energía eléctrica. Estas instalaciones suelen estar dotadas con un dispositivo capaz de almacenar energía en forma de calor, al objeto de asegurar el funcionamiento en casos de disminución de la radiación solar. Las instalaciones de alta temperatura para la producción de energía eléctrica más habituales son las de receptor central. Estas instalaciones constan de un amplio número de heliostatos10 que concentran la radiación solar en un punto receptor, que habitualmente está instalado en una torre. Estas centrales se les conoce como centrales de torre central. El receptor transmite el calor acumulado a un fluido (agua, sales fundidas, sodio, aire, etc.) que circula por el circuito primario conectado con la caldera, que convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario. El vapor mueve el grupo generador. Los heliostatos se gobiernan desde un ordenador central, mediante mecanismos electrónicos, de forma que se mueven según dos ejes de giro (altura y acimut) para, en cada momento, estar en la posición más adecuada para recibir la máxima intensidad de radiación solar. – Energía solar fotovoltaica. Los sistemas solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de elementos, llamados células solares o fotovoltaicas, dispuestos en paneles, que transforman directamente la energía solar en energía eléctrica. Existen diversos tipos de células solares: de silicio, de sulfuro de cadmio, de arseniuro de galio, etc. La célula de silicio convencional, aunque se continúe investigando con otros materiales, es la más habitual en el mercado. Está formada por un disco de silicio, impurificado con boro, de un espesor de 0,3 mm y que una de las caras se impurifica con fósforo mediante un proceso de difusión a alta temperatura, consiguiendo así una capa tipo n y otra tipo p. Cuando la luz incide sobre la cara superior de la célula se rompen enlaces,10 Grandes espejos que reflejan la radiación solar.
  36. 36. generándose pares electrón-hueco y produciéndose una pequeña corriente eléctrica. La tensión máxima en extremos de la célula puede ser de 0,6 V, por lo que se recurre a conectar en serie un número determinado de células del mismo tipo para formar un panel voltaico. Con este sistema no se alcanzan grandes potencias por lo que no suelen alimentar redes de transporte de energía eléctricas convencionales, pero existe gran número de instalaciones destinadas a suministrar energía eléctrica a núcleos aislados de las redes de transporte y distribución.4.1.6. Centrales eólicas El aprovechamiento de la energía del viento requiere de unas condiciones develocidad, continuidad, etc., que no en todos los lugares se cumplen. La "densidad depotencia"11 del viento es un dato relevante, densidades inferiores a 50 W/m 2 nojustifican la instalación de una central eólica y sólo a partir de 200 W/m 2 la instalaciónempieza a ser realmente rentable. El valor de densidad de potencia puede determinarsemediante la expresión: 1 P= d ⋅ A ⋅ V3 2 siendo: d, la densidad del aire medida en Kg/m3 A, el área barrida por el rotor en m2 V, la velocidad del viento en m/s Las máquinas utilizadas para producir electricidad se denominan aerogeneradores oturbinas eólicas; existen dos modelos: el de eje horizontal y el de eje vertical. Dado queel más generalizado es el primero, nos limitaremos a describir éste. Los elementosprincipales del modelo de eje vertical son: la hélice o rotor, la navecilla o góndola y latorre: – El rotor consta de varias palas, cuyo número puede oscilar entre dos y seis. Inicialmente fueron fabricados en acero, aunque en la actualidad se tiende a utilizar elementos más ligeros como fibras de vidrio o de carbono. El problema que plantean es que se ven sometidos a intensas cargas aerodinámicas no uniformes, sufriendo fuertes vibraciones. – La navecilla es el aerogenerador; ya en ella se encuentra el equipo mecánico y eléctrico que permite la transformación de la energía cinética adquirida por del rotor en energía eléctrica. Consta de un eje principal, adaptado al del rotor mediante un embrague, un engranaje dentro de una caja de cambios y un generador eléctrico. El control de la inclinación de las palas del rotor y posición de éste respecto al viento se hace mediante un microprocesador. Consta de un sistema de seguridad que permite tanto el bloqueo de las palas como del rotor.11 Valor máximo de la potencia que se puede conseguir por cada unidad de área barrida por el viento. Se mide en W/m2.
  37. 37. – La torre puede ser cilíndrica o tronco-cónica, tanto de hormigón como metálica. Se emplean también torres similares a las utilizadas en los tendidos eléctricos. En su diseño se han de tener en cuenta las vibraciones a que se va a ver sometida y el acoplamiento adecuado con las que experimenta el rotor. Una empresa española, en el marco de un acuerdo hispano-germano, instaló confines experimentales una central que conjugaba las tecnologías de las centrales eólicas ylas centrales termosolares, de una potencia de 100 KW. Conocida como centraleólico-solar se componía de una cubierta plástica de 40.000 m 2 de superficie(invernadero) que actuaba como colector, ya que al incidir sobre ella la radiación solarse calentaba el aire de su interior. El aire, debido al aumento de temperatura, ascendíacon fuerza por una chimenea de 200 m de altura situada en el centro del campo colector.La corriente de aire en la chimenea movía un grupo generador produciendo energíaeléctrica. Dado su carácter experimental hoy está fuera de funcionamiento.4.2. Energía térmica4.2.1. Calderas La caldera es un dispositivo utilizado para generar vapor a presión superior a laatmosférica. Consta de dos partes diferenciadas: el hogar y el vaporizador. En elprimero se consume el combustible y en el segundo el agua se convierte en vapor. Aunque a lo largo de la historia existen experiencias sobre caldera de mayor omenor eficacia, sólo la caldera Watt, construida en 1785, se puede considerar como laprecursora de las calderas modernas. Las calderas de vapor se pueden clasificar enfunción de diferentes parámetros: por la posición relativa de los gases calientes y delagua por la forma de los tubos y por el tipo de aplicación. El parámetro fundamental esel primero y en base a él se clasifican en: acuotubulares y pirotubulares. En las calderaspirotubulares los gases calientes pasan por el interior de los tubos, estando éstosrodeados de agua. En las calderas acuotubulares el agua o vapor pasa por el interior delos tubos y los gases calientes rodean a aquéllos.4.3. Energía mecánica La producción de energía mecánica se puede lograr por diversos métodos: – Motores. – Turbinas. – Cilindros alternativos de vapor.4.3.1. Motores
  38. 38. 4.3.1.1. Motores eléctricos Los motores eléctricos son máquinas rotativas que se fundamentan en el principioopuesto al de la inducción descubierto por Ampére que establece que "Si una corrientepasa a través de un conductor situado bajo la influencia de un campo magnético, ésteejerce una fuerza mecánica sobre el conductor". Los motores eléctricos pueden ser: decorriente continua y de corriente alterna. – Los motores de corriente continua son, a nivel constructivo, exactamente iguales a las dinamos. Ya que la dinamo es una máquina reversible, capaz de transformar energía en sentidos opuestos, al absorber energía mecánica produce energía eléctrica (generador) y de manera inversa transforma energía eléctrica en mecánica (motor). Debido a los problemas que el sistema de conmutación (colector de del gas) presenta y que la energía eléctrica suministrada a través de la red es de corriente alterna, el uso de los motores de corriente continua ha quedado relegado a aplicaciones de baja potencia en sistemas autónomos. – Los motores de corriente alterna se clasifican en síncronos y asíncronos, en función de que la velocidad de rotación, en régimen permanente, del órgano móvil (rotor), sea proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación de su inducido. A la velocidad de sincronismo el campo magnético giratorio creado por la corriente en el inducido gira a la misma velocidad que el creado por la corriente de excitación, resultando un par constante. – Los motores síncronos están basados en el principio de reversibilidad de los alternadores. En estos motores, al inducido se ha de aplicar una corriente alterna cuya frecuencia esté en consonancia con la velocidad y número de polos del motor para conseguir un movimiento giratorio uniforme. – Los motores asíncronos son aquellos cuyo rotor gira a una velocidad diferente de la del sincronismo con la frecuencia de la red. Este motor es el motor industrial por excelencia, debido a su sencillez constructiva y su seguridad de funcionamiento. El campo magnético variable creado en las bobinas inductoras, corta los conductores del inducido, generándose en este fuerzas electromotrices de inducción. La acción mutua del campo magnético y las corrientes en el inducido, consecuencia de la F.E.M. inducida, hacen girar el motor. Dependiendo del tipo de rotor que utilicen existen dos tipos: motores de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla y motores de rotor bobinado.
  39. 39. 4.3.1.2. Motores de combustión Los motores térmicos son máquinas que transforman la energía calorífica,proveniente de un combustible, en energía mecánica. De forma general, se puedenclasificar en: alternativos, rotativos y de chorro. En los dos primeros el movimiento delos órganos que los componen viene generado por un fluido denominado fluido activo.En función del proceso de combustión, se clasifican en: – Motores de combustión externa, cuando ésta se realiza fuera del fluido activo, mediante una caldera u otro tipo de intercambiador. – Motores de combustión interna, cuando el combustible es quemado en el mismo fluido que forma parte de los productos de la combustión. Los motores de uso más habitual son motores alternativos de combustión interna enlos que la combustión se realiza en el fluido activo, constituido por una mezcla decombustible y comburente12 que en los motores terrestres es una mezcla de aire ycombustible. Los motores alternativos, en función de cómo se provoque la combustión, sedividen en: – Motores de encendido por chispa. – Motores de encendido por comprensión. Las parte esenciales de estos motores son comunes a los dos tipos. El cilindro quees receptáculo donde se mueve el pistón en un movimiento rectilíneo alternativo. Laparte superior del cilindro está cegada por la culata, el espacio comprendido entre laculata y el pistón forma la cámara de combustión, en la que se quema la mezcla de airey combustible (fluido activo). En los motores de encendido por chispa el fluido activo se forma en el carburadory llega al cilindro a través de la válvula de aspiración. La combustión se inicia al saltarla chispa entre los electrodos de la bujía.12 Suministra el oxígeno necesario para la combustión, siendo el más habitual el aire.
  40. 40. En los motores de encendido por comprensión el combustible se introduce en elcilindro por medio de un inyector, la cantidad de combustible está regulada por labomba de inyección. La combustión es debida a la alta temperatura del aire comprimidoen el cilindro.4.3.2. Turbinas La turbina en un motor rotativo capaz de transformar en energía mecánica laenergía procedente de corriente de agua, de vapor o de gas. Su elemento esencial es unarueda o rotor dotado de palas o hélices en su circunferencia exterior, de forma que elfluido en movimiento produce una fuerza tangencial que girar el rotor. Las turbinaspueden ser: hidráulicas, de vapor y de combustión.Las turbinas hidráulicas más habituales son: – Turbinas Pelton. También denominadas de acción, se utilizan en aprovechamientos con gran desnivel y caudal regular. El agua se conduce por un canal o conducción forzada hasta una boquilla eyectora que convierte la energía cinética del agua en un chorro a presión. – Turbinas Francis. También denominadas de reacción, se utilizan en aprovechamientos de desnivel intermedio y caudales variables. Su
  41. 41. funcionamiento se basa en la expansión del agua a través de los espacios entre las palas produciendo una fuerza tangencial que pone el rotor en movimiento. – Turbinas Kaplan. Son turbinas utilizadas en aprovechamientos con poco desnivel y caudales muy variables. El ángulo de las palas se ajusta al volumen de agua permitiendo obtener rendimientos casi constantes. Las turbinas de vapor se utilizan en centrales nucleares y en aplicaciones decogeneración, suelen usarse en ciclos combinados con un generador de vapor querecupera el calor. Existen dos tipos de turbinas de vapor: las de acción y las de reacción.5. TRANSFORMACIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA La sociedad actual puede concebirse como una gran máquina que transformaenergía de alta calidad en diversas formas de energía (calor útil, luz, potencia) para crearuna enorme variedad de bienes y servicios. La mejora en el rendimiento detransformación de la energía creció en la primera mitad de siglo a un ritmo anual(3,25%) más que el ritmo de consumo de combustibles (2,7%). En la segunda mitad delsiglo la diferencia es cada vez menor, ya que el rendimiento de los combustibles esdifícil de mejorar y los nuevos bienes y servicios exigen un mayor gasto de energía. La optimización de los recursos energéticos requiere de la transformación de unasformas de energía en otras, a los aparatos o elementos capaces de tal transformación seles denominan convertidores.5.1. Necesidades energéticas. Utilización de la energía Los procesos productivos industriales, cada día más sofisticados, requieren degrandes aportes de energía en diversas formas; los equipos eléctricos y electrónicos que
  42. 42. se instalan en un hogar moderno, junto con los sistemas de calefacción y refrigeración,suponen un importante incremento de consumo de energía eléctrica y combustiblesfósiles. El gran incremento del parque automovilístico de las sociedades desarrolladassupone un elevado consumo de combustibles derivados del petróleo (gasolina y gasoil).Todos estas necesidades energéticas, y otras muchas, suponen la utilización de laenergía en sus diversas forras.5.1.1. Térmica La energía térmica, necesaria tanto para usos industriales como domésticos, laobtenemos fundamentalmente mediante calderas alimentadas con gas o electricidad.5.1.2. Mecánica La energía mecánica, necesaria tanto para usos industriales como domésticos, laobtenemos fundamentalmente mediante motores y turbinas.5.1.3. Luminosa La luz es una de las manifestaciones de la energía, como lo es el calor, laelectricidad, etc. La diferencia fundamental con algunas otras manifestacionesenergéticas es que no necesita de un medio físico para propagarse. La transmisión deenergía a través del espacio sin soporte material se denomina radiación13. La luz se produce de varias formas: – Combustión. La combustión de la materia fue el único medio de iluminación hasta que, en el año 1878, Edison construyó la primera lámpara eléctrica. – Incandescencia. Al paso de la corriente eléctrica a través de un filamento, se produce calor y una radiación luminosa. – Descarga gaseosa. Se produce emisión de radiaciones, de determinadas longitudes de onda, debido a la excitación de los electrones de las últimas capas del gas de la lámpara al chocar con otros. – Fluorescencia. Este método es similar al anterior, las radiaciones ultravioleta, al incidir sobre las sustancias fluorescentes de la lámpara, modifican la frecuencia de radiación haciéndose visibles. – Electroluminiscencia. El aumento de energía de los electrones de ciertas sustancias, supone que al retornar a su nivel normal irradian energía luminosa visible. Ejemplo: diodos LED, visualizadores o displays, etc. La tabla siguiente presenta las magnitudes fundamentales utilizadas enluminotecnia:13 Perturbaciones periódicas del estado electromagnético del espacio.

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