El botijo, una obra de ingeniería

2 06 2008

No se si muchos de vosotros sabéis como funciona un botijo, lo que si sabéis es que enfría el agua pero a expensas de evaporarla. Lo que a lo mejor no conocéis es que es una pequeña obra de ingeniería que requiere de procesos de transferencia de calor y materia, y la temida termodinámica.

Según la RAE el botijo es una vasija de barro poroso que se usa para refrescar el agua. Pero es algo más que eso.

El funcionamiento del botijo se debe al enfriamiento que se produce al evaporar el agua que contiene en su interior. La temperatura más baja a la que puede llegar el aire que se evapora determina la temperatura mínima a la que puede llegar el agua. Es decir, el agua pasa a través de los poros de la arcilla y al entrar en contacto con el exterior esta se evapora, enfriando el agua que contiene el botijo. 

Para que un botijo funcione debe poder transpirar el agua y estar en un ambiente seco. Por lo que en las zonas húmedas esta pequeña obra no es muy eficiente. Se curioso





Enfriamiento de bebidas ultrarápido

5 04 2007
Quereis saber un método para enfriar rápidamente vuestros refrescos? Pues la manera de hacerlo es poner agua en un recipiente, añadirle cubitos y sal (mucha sal, hasta saturar el agua). Vereis como se enfrían más rápido las bebidas.
La explicación radica en la capacidad calorífica (Cp) del elemento refrigerante. La capacidad calorífica es la energía necesaria para aumentar (o disminuir) 1ºC de temperatura 1kg de una sustancia, se mide en kJ/kg·ºC. Cuando tu pones una lata en el congelador, está en contacto con aire a unos -20ºC, pero el aire es muy mal conductor térmico (Cp=1 kJ/kg·ºC). Pero si sumerges la lata en un recipiente con agua (Cp=4.1 kJ/kg·ºC) y le añadimos cubitos enfriará mucho más rápido que como si estuviera en el congelador, la Cp es unas 4 veces mayor.
Si aún deseamos enfriar más rápido hay que añadir sal en abundancia al recipiente con agua, tanta hasta saturar el líquido, de esta manera conseguiremos aumentar aún más la Cp del líquido y por consiguiente reducir el tiempo que lleva enfriar la lata.




Las centrales de ciclo combinado

17 03 2007
Otra petición que me hizo Kike es que explicara el funcionamiento de una central de ciclo combinado y que hablara un poco de las emisiones de gases de efecto invernadero que esta tiene respecto a otro tipo de centrales. Pues ahí voy! Para ello he rescatado los temidos libros de termodinámica que tengo para profundizar un poco más en el tema.
Una central de ciclo combinado es una central térmica (me autocorrijo, Kike) que usa como combustible el gas natural en vez de fuelóleo o carbón, ya de entrada el gas natural tiene menos contenido en azufre que los otros dos combusibles y, por tanto, generará menos gases contaminantes (concretamente SOx, responsable de la lluvia ácida). Entonces el ciclo combinado ofrece ventajas tanto medioambientales como de rendimiento ya que con la misma cantidad de combustible se produce una mayor cantidad de electricidad. Los rendimientos de una central térmica convencional están alrededor del 33% mientras que las de ciclo combinado llegan hasta el 57%, esto quiere decir que de 100 unidades de combustible que entran, 57 se convierten en electricidad (imaginad lo ineficiente que es un motor térmico!). Paso a la demostración.

El proceso
El ciclo combinado se basa en la unión de dos ciclos de potencia (ciclos de producción de energía) de manera que el calor que genera uno lo aprovecha el otro ciclo. En concreto, se utiliza un ciclo de potencia de gas y un ciclo de potencia de vapor.


En lo que hace referencia al ciclo de gas (o también ciclo superior) se lleva a cabo una combustión, esto es combustible (gas natural) + aire. El aire se capta de la atmosfera (punto 1) y pasa por un compresor, este lo que hace es aumentar la presión del aire y elevar su temperatura según la ley de los gases ideales (punto 2). Al elevar la temperatura del aire de entrada se necesita menos combustible para llevar a cabo la combustión. En una combustión se genera CO2, vapor de agua, SOx y NOx, nitrógeno y oxígeno (gases de escape). Los gases de escape están a una temperatura muy elevada (punto 3)(unos 1350 ºC, actualmente la limitación la ponen los materiales con los que se construyen los equipos) y se hacen pasar por una turbina que disminuye la presión y con ello la temperatura, sobre unos 600 ºC (punto 4). Esta turbina se acopla a un alternador y ya tenemos el primer punto de producción de electricidad.
Los gases de escape se hacen pasar por un intercambiador de calor (es un equipo que permite el intercambio de calor entre un fluido caliente y un fluido frío (con estos equipos se hacen subir y bajar temperaturas de las corrientes en las industrias!) lo que hace que disminuya su temperatura para poder ser emitidos por la chimenea a la atmosfera (punto 5). Aquí ya interviene el segundo ciclo, el de vapor.
Al enfriar los gases de escape en el intercambiador, se cede calor a otra corriente que es la de agua, con lo que se aumenta su temperatura y se genera vapor de agua (punto 7). Este vapor entra en una turbina de vapor que hace disminuir su presión y su temperatura (punto 8), y a la vez, obtener energía. Acoplando esta turbina a un alternador ya tenemos el segundo punto de generación de electricidad.
El vapor que sale de la turbina se condensa (punto 9), con la ayuda de agua de refrigeración, y se le vuelve a subir la presión mediante una bomba (punto 6) para volver a empezar el ciclo.


Los rendimientos
Ahora la demostración de porque tiene más rendimiento una central de ciclo combinado. Si definimos el rendimiento como el cociente entre la energía producida y la energía necesaria para llevarla a cabo, esto es R = Eproducida / Enecesaria, tenemos que en nuestro ciclo convencional de gas o de vapor los rendimientos serian, Rgas = Wgas/Qe y Rvapor = Wvapor/Qe. Mientras que en el ciclo combinado el rendimiento nos quedaría, Rcc = (Wgas + Wvapor) /Qe. De ahí que con la misma cantidad de combustible se obtenga más electricidad.

Medio ambiente
Como he dicho anteriormente, al emplear un combustible más limpio se generarán menos emisiones de SOx a la atmosfera. Con las centrales de ciclo combinado se pueden llegar a reducir hasta un 50% las emisiones de CO2 (345gr/kWh frente a 820-940gr/kWh), un 100% las de SOx y un 80% las de NOx. Aunque sigue empleando combustible fósil, la energía que genera es más verde y limpia que no la que generan otro tipo de centrales térmicas.


El tema de generación de energía es un tema complicado porque sobretodo genera controversia social. Se tendría que tender a la generación de energía mediante fuentes renovables, pero siempre habrá sectores de población que se opondrán. Por ejemplo, la energía eólica es muy limpia, pero donde la ubicamos? Si ponemos molinos en las montañas nos cargaremos a la fauna avícola. Si los ponemos en el mar, como los paises nórdicos, nos cargamos a la fauna marina. Otro tanto con la energía solar, para generar suficiente energía se necesitan grandes extensiones de terreno para ubicar las placas, con el coste que eso conlleva, tanto económico como ambiental. Pasemos a la nuclear, por muchos considerada peligrosísima (porque solo se acuerdan de Chernobyl) cuando en realidad una central nuclear es el sitio más seguro que pueda haber. La energía nuclear es una energía muy limpia, no emite gases de efecto invernadero y se necesita muy poco combustible para generar energía, pero hay un gran problema, qué hacemos con los residuos? Tienen períodos de desactivación muy largos y son peligrosos y radiactivos.
En fin, en mi opinión hay mucho ciudadano con el síndrome CAVE (Citizens Against Virtually Everything, ciudadanos que están aparentemente contra todo) y pocos que realmente se estrujen los sesos para encontrar soluciones al problema energético de este país. Amén hermanos.





¿Qué es un BLEVE?

19 02 2007
Hoy voy a hablar de algo de química y que saben bien los bomberos y los que transportan mercancías peligrosas, del BLEVE (Boiling Liquid Expansion Vapour Explosion). La traducción de este fenómeno sería algo así como “expansión explosiva del vapor de un líquido en ebullición”. Es un caso especial de estallido, cuando se almacena en un depósito un líquido bajo presión.

Al almacenar un líquido a presión elevada, la temperatura de almacenamiento suele ser bastante mayor que su temperatura de ebullición. Si el recipiente se rompe, o se produce una fuga, el líquido almacenado en su interior entra rápidamente en ebullición (se hace vapor), ya que la temperatura exterior del depósito es mucho más elevada que la de ebullición de la sustancia. Este cambio masivo a la fase vapor provoca la explosión del depósito porque se supera su resistencia mecánica. Al romperse el depósito se genera una onda de presión que hace saltar por los aires trozos del depósito y demás piezas unidas a él. Hasta aquí sería un estallido, pero, y si el líquido es inflamable?


Si lo que está almacenado en el depósito es un líquido inflamable, se produce una ignición de la nube de vapor y se forma una bola de fuego que crece y crece a medida que arde todo el vapor. La razón por la que se produce la ignición es porque tenemos los tres vértices del triángulo del fuego: combustible, comburente y fuente de ignición. El combustible es el líquido inflamable, el comburente es el propio oxígeno de la atmosfera y la fuente de ignición puede ser una chispa, una llama o simplemente un tubo de escape incandescente. Así que voilà, FUEGO.


Normalmente la causa más frecuente de un BLEVE se debe a un incendio externo que envuelve al depósito, debilita mecánicamente el depósito, se produce una fisura o rotura, una depresurización (recordad que está almacenado a presión), ondas de presión y el BLEVE.

A continuación os pongo unos vídeos demostrativos de lo que os he explicado. En el primero se puede ver la bola de fuego característica.

En el segundo vídeo, una recopilación de BLEVE’s (ojo con las últimas explosiones, las tremendas ondas de presión).
En el tercero, unas pruebas controladas (fijaos en la proyección de partes del depósito).
Y el último, y no menos impactante, los bomberos en acción tratando de enfriar la cisterna, pero ocurre lo inevitable.
Un BLEVE fue la causa de la desgracia que ocurrió en el camping dels Alfacs de San Carles de la Ràpita (Tarragona) en 1978, donde murieron 217 personas. A raíz de este accidente se instalaron válvulas de alivio a los depósitos.

Más info: Universidad de Zaragoza + Bomberiles