En esta primera parte se hace un análisis de las estrategias utilizadas para conseguir calor y frío y cómo se ha evolucionado para que esto no incremente el consumo de energía ni afecte al planeta.
por René Ruano Domínguez*
Por el peso que tienen en el consumo mundial energético, nos proponemos, al abordar estos conocimientos de ingeniería, una meta muy ambiciosa: Crear un conjunto de informaciones y procesadores de cálculo para conocer, aplicar y poder realizar tareas de selección, diseño, proyectos, mantenimientos y modernizaciones de sistemas que requieren aislamiento térmico.
Introducción
El calor o el frío no es más que una sensación que experimentamos los humanos al ponernos en contacto con un ambiente donde la temperatura sea superior o inferior a la del cuerpo humano. Es una forma de energía y puede producir trabajo. Está muy ligada con la supervivencia humana, y es totalmente necesaria en la vida presente y para el desarrollo futuro.
Una de las formas en que se genera el calor es durante el proceso químico llamado combustión, al quemarse los combustibles. Los combustibles son portadores energéticos que tienen potencial para quemarse en presencia del gas oxígeno o una atmósfera que lo contenga, como es el aire ambiente.
La gran mayoría del total de las toneladas o barriles de petróleo fósil equivalentes que se extraen anualmente en el Mundo, de una u otra forma son quemados en los diferentes procesos energéticos. Para tener una idea de los volúmenes anuales de combustibles fósiles que emplean los 7.000 millones de seres humanos que ya somos, la cifra es cercana a las 12.000 millones de toneladas (unos 85 millones de barriles diarios), 1.715 kg anuales promedio per cápita.
El combustible equivalente al quemarse en presencia de aire atmosférico u oxígeno forma gas CO2 y agua, además de otros gases nocivos y contaminantes. El CO2, como todos sabemos, es el principal causante del efecto invernadero y del calentamiento global. Cada kilogramo de combustible equivalente que se quema tiene asociada una masa de emisión de CO2 que supera en más del doble al kilogramo quemado.
Así que si queremos estimar qué cantidad de CO2 se emite a la atmósfera, basta con multiplicar la masa de los combustibles destinados a quemarse por 2,3 - 2,7 kg de CO2/kg, intervalo de los indicadores de emisión para los diferentes tipos de combustibles existentes. Para un consumo mundial de 12.000 millones de toneladas de combustible, podemos afirmar que el volumen de CO2 que se ha emitido a la atmósfera es cerca de 30.000 millones de toneladas.
Lo malo de este análisis o cálculo, es que llegamos a la conclusión de que las unidades de calor o frío generadas procedentes de los combustibles fósiles son responsables directas de las emisiones de CO2 a la atmósfera. Lo bueno es que no todo el calor o frío generado que hoy se emplea en el planeta procede de la quema de combustibles fósiles. Tenemos presentes procesos que utilizan las energías renovables, biocombustibles y la energía atómica, para generarlo.
Dentro de ellos están los siguientes:
a) Los Colectores y los Concentradores Solares que captan la energía solar y la transforman en calor.
b) Los Colectores PV, los Generadores Eólicos, las Centrales Hidroeléctricas y Geotérmicas, son procesos que emplean fuentes renovables para generar electricidad, considerando que la electricidad a su vez se puede transformar en calor.
c) Las Centrales Atómicas, que emplean la energía nuclear para generar calor.
d) Los procesos que emplean biocombustibles o bioenergías, que generan el calor con un nivel de emisiones neto inferior a su similar fósil.
En la actualidad se desarrollan las alternativas que emplean las fuentes renovables con el fin de ir sustituyendo las fuentes fósiles, pero aún prima la utilización de la energía contaminadora como fuente para generar el calor, por ser esta última más barata.
De no existir la manera de generar calor o frío mediante los procesos renovables y limpios, la situación sería mucho más grave, por lo que existen soluciones para salir adelante, solo tenemos que potenciarlas y multiplicarlas.
Como conclusión de esta introducción, la gran mayoría del calor que utilizamos proviene de los combustibles fósiles, los que a su vez tienen asociados volúmenes importantes de emisiones de CO2. Así que si queremos proteger el medio ambiente, tenemos que cuidar celosamente cada unidad de combustible fósil para producir calor o frío y cada unidad de calor o frío, una vez generado.
El Aislamiento Térmico es el medio eficaz para conservar el calor y el frío, reduciendo sus pérdidas. De ahí la importancia de estos conocimientos y su aplicación práctica.
Algunas definiciones
- La temperatura mide el nivel de agitación de las partículas en un cuerpo e inducidamente la cantidad de calor que fue suministrada para agitar su composición atómica. Se expresa en ºC, ºK o ºF.
- El Joule (SIU) la caloría (STU) y el Btu, son unidades que miden el calor y relacionan la
masa de los cuerpos con su temperatura.
- El calor puede medirse en cantidad y calidad:
a) La cantidad de calor se mide por las unidades en Joule, calorías o Btu que contiene
un cuerpo físico (sólido, líquido o gaseoso) determinado.
b) La calidad del calor se mide por las unidades de temperatura que alcanza el cuerpo
sólido, líquido o gaseoso.
Así podemos tener un cuerpo físico que contienen mucha cantidad de calor, pero de baja calidad, o lo inverso.
- La calidad de la energía es la que califica si una corriente u fluido térmico puede generar trabajo o no. En la medida que su temperatura es mayor, relativa a la temperatura ambiente, mayor cantidad de trabajo podrá generar.
- La potencia es la cantidad de energía liberada o generada en la unidad de tiempo. Sus unidades son el W o kW y el HP.
- El poder calorífico es la cantidad de energía liberada o generada por la unidad de masa. Sus unidades son Joule o kilojoule/kg o Btu/kg. En los combustibles se miden dos poderes caloríficos, el inferior, que considera que el agua contenida en el combustible se evapora y el superior, que asume el agua como condensada.
- El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de 1kg de un cuerpo físico.
- El calor latente es la cantidad de calor absorbido o cedido por un cuerpo durante el proceso de cambio de estado, manteniéndose constante la temperatura. Cuando el cambio es de sólido a líquido, se define como calor de fusión. Cuando el cambio es de líquido a vapor, se conoce como calor de vaporización, y cuando el vapor se condensa y pasa a líquido, es calor de condensación.
El calor sensible es el calor absorbido o cedido por un cuerpo cuando en el proceso existen variaciones de temperaturas.
Calores específicos de algunas sustancias (Tabla 1):
Poderes caloríficos de los portadores energéticos más utilizados. (Poder
Calorífico Inferior) - Tabla 2:
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