LABORATORIO DE BALANCE -BALANCE DE ENERGIA 1

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LABORATORIO DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA 
INTRODUCCIÓN 
 
 ANTECEDENTES: 
Las necesidades energéticas de los procesos industriales son cubiertas, en su mayor parte, 
mediante vapor de agua. El inicio de la Era Industrial se fincó en el uso masivo del vapor, 
mismo que hasta hoy no ha decaído. Ya sea que se necesite calentar, aumentar presión, generar 
energía eléctrica o mover equipos, se usa el vapor) 
 
DEFINICIÓN: 
El generador de vapor o caldera, como su nombre lo indica, es un equipo que produce vapor 
para su utilización en la planta industrial, mediante la evaporación de agua y utilizando como 
fuente de calor algún combustible. 
 
CLASIFICACIÓN: 
Los generadores de vapor industriales se clasifican comúnmente según el tipo de equipo y 
según la presión de vapor que producen. Según la presión de vapor se clasifican en: Alta 
Presión si es más de 30 atm Media Presión está entre 30 y 10 atm Baja Presión aquellas que 
tienen menos de 10 atm. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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BALANCE DE ENERGIA 
Los BE son normalmente algo más complejos que los de materia, debido a que la energía 
puede transformarse de unas formas a otras (mecánica, térmica, química, etc.), lo que obliga a 
considerar este aspecto en las ecuaciones. En general, en el PFC, los BE serán imprescindibles 
en equipos en los que el intercambio de energía sea determinante, lo que fundamentalmente 
sucederá en cambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilación, etc., es decir, cuando 
haya que calentar o enfriar un fluido. En el caso de los reactores químicos, también son 
imprescindibles los balances de energía para su diseño, ya que en cualquier caso habrá que 
asegurarse de que la temperatura del reactor permanezca dentro del intervalo deseado, 
especialmente cuando los efectos térmicos de la reacción sean importantes. En reacciones 
bioquímicas dichos efectos no suelen ser muy significativos, así que se podrán ignorar en el 
dimensionamiento preliminar de los fermentadores o reactores enzimáticos, siempre que se 
justifique. 
 
Dejando de lado el planteamiento de los BE en reactores, en la mayoría de los otros equipos, y 
a efectos de dimensionamiento preliminar, la llamada ecuación de las entalpías, que se incluye 
a continuación, suele ser suficiente para su planteamiento. 
 
Donde ms y me son los caudales másicos de entrada y salida del sistema, He y Hs las 
entalpías de los mismos, y Q el calor intercambiado por el sistema, que si es positivo será 
ganado por el sistema, y si es negativo será cedido por el mismo a los alrededores. El cálculo 
de la entalpía de cada corriente puede realizarse usando de su capacidad calorífica, y una 
temperatura de referencia, aunque si hay cambios de fase también habrá que considerar el calor 
 
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latente. Para el vapor de agua lo ideal es usar las tablas de vapor de agua saturado o recalentado, 
disponibles en bibliografía o incluso en aplicaciones on-line. 
COMPONENTES DE LA ENERGÍA TOTAL DE UN SISTEMA: 
 Energía cinética: Energía debida al movimiento del sistema respecto a un sistema de 
referencia. 
 Energía potencial: Energía debida a la posición del sistema en un campo potencial 
de fuerzas o a su configuración respecto a un estado de equilibrio. 
 Energía interna: Energía debida al movimiento de las moléculas y a la interacción 
entre ellas, que se manifiesta a través de la temperatura del sistema; no es posible 
expresarla mediante una relación de las variables de estado, ni calcularla de forma 
absoluta (sólo diferencias). 
La transferencia de energía entre un sistema cerrado y sus alrededores puede realizarse de 
dos formas: 
! Calor: Energía que fluye como resultado de una diferencia de temperatura entre el 
sistema y sus alrededores (calor positivo si lo recibe el sistema). 
! Trabajo: Energía que fluye en respuesta a la aplicación de una fuerza (trabajo positivo 
si es realizado sobre el sistema). 
ENTALPÍA 
Función de estado resultado de la combinación de la energía interna con una parte del 
trabajo que genera el sistema: 
Entalpía específica: Entalpía por unidad de masa: 
Sólo es posible calcular diferencias de entalpía, por lo que hay que establecer estados de 
referencia. 
 
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Entalpía de formación (estándar): Variación de la entalpía producida en la formación 
de un mol de un compuesto a partir de sus elementos constituyentes, en el estado estándar (298 
K y 1 atm), cuyas respectivas entalpías de formación se definen como nulas en este estado. 
Entalpía de combustión (estándar): Variación de entalpía producida en la combustión 
completa de un mol de un compuesto, en el estado estándar (298 K y 1 atm), definiendo como 
nulas las respectivas entalpías de combustión de los productos finales de oxidación. 
LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA: 
 
El balance de energía se basa en la ley de la conservación de la energía (Helmholtz,1821) 
“La energía para un proceso químico no se crea ni se destruye solamente se transforma.” 
Ecuación general 
[
 
 
 
 
 
𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 
𝑑𝑒
 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎
𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 
𝑑𝑒𝑙 
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 ]
 
 
 
 
 
=
[
 
 
 
 
 
 
 
𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
 𝑑𝑒
 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎
ℎ𝑎𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙 𝑠
𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 
𝑝𝑜𝑟 
𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙
𝑚𝑖𝑠𝑚𝑜 ]
 
 
 
 
 
 
 
−
[
 
 
 
 
 
𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 
𝑑𝑒
 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 
𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 
𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑖𝑠𝑚𝑜]
 
 
 
 
 
+ [
𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜
𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
] −
[
 
 
 
 
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜
 𝑑𝑒
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎
 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 
𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎]
 
 
 
 
 
 
Balance de energía macroscópica general 
 
𝑀1 (𝐸𝐶1 +̇ 𝐸𝑃1 + 𝐸𝑝𝑒1 + 𝑢1) − �̇�2(𝐸𝐶2 +̇ 𝐸𝑃2 + 𝐸𝑝𝑒2 + 𝑢2) + 𝑄 + 𝑊𝑆
=
𝑑(𝑀𝐸)
𝑑𝑡
[
𝐽
𝑆
= 𝑤𝑎𝑡] 
 
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�̇�1 (
𝑣21
2
+ 𝑔𝑧1 +
𝑃1
𝜌
+ 𝑢1) − �̇�2 (
𝑣22
2
+ 𝑔𝑧2 +
𝑃1
𝜌
+ 𝑢1) + 𝑄 + 𝑊𝑆 = 0 [
𝐽
𝑆
= 𝑤𝑎𝑡] 
 
TIPOS DE BALANCES 
Balances de energía entalpicos 
Existen procesos donde los términos de energía importantes tienen que ver con 
cambios de temperatura/cambio de fase/transmisión de calor. En estos casos los términos de 
energía mecánica son despreciables. Ej.: Cambiador de calor, evaporador, congelador 
Balances de energía mecánica 
Sistemas isotermos (o casi) en los que no se producen cambios de fase y la 
transferencia de calor no es importante. La pérdida de energía se convierte en calor, pero no 
es significativa. Ejemplo.: Flujo de líquidos 
Balances de energía general 
Las situaciones intermedias entre los extremos anteriores. Ejemplo: Un fluido que se 
calienta por rozamiento. 
BALANCES DE ENERGÍA PARA SISTEMAS CERRADOS 
El sistema cerrado es una región de masa constante, se denomina masa de control. A 
través de sus límites solo se permite la transferencia de energía, pero no de materia. La pared 
que rodea al sistema es impermeable. 
 
 
 
 
 
 
 
Es un sistema cerrado cuando es un proceso por lotes, se genera transferencia de energía a 
través de las fronteras en forma de trabajo o calor, más no transferencia de masa lo cual se 
resume en la siguiente ecuación: 
 
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 
Donde: 
 
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𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑈𝑖 + 𝐸𝑐𝑖 + 𝐸𝑝𝑖 
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝑈𝑓 + 𝐸𝑐𝑓 + 𝐸𝑝𝑓 
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 = 𝑄 − 𝑊 
Por lo tanto 
(𝑈𝑖 + 𝐸𝑐𝑖 + 𝐸𝑝𝑖) − (𝑈𝑓 + 𝐸𝑐𝑓 + 𝐸𝑝𝑓) = 𝑄 − 𝑊 
(𝑈𝑓 − 𝑈𝑖) + (𝐸𝑝𝑓 − 𝐸𝑝𝑖) + (𝐸𝑐𝑓 − 𝐸𝑐𝑖) = 𝑄 − 𝑊 
Siendo la forma básica de la primera ley de la termodinámica la siguiente: 
∆𝑈 + ∆𝐸𝑐 + ∆𝐸𝑝 = 𝑄 − 𝑊 
BALANCE DE ENERGIA PARA SISTEMAS ABIERTOS 
 
La mayor partede los procesos industriales tienen lugar en sistemas abiertos. Cuando se 
lleva a cabo un proceso semicontinuo o continuo se denomina un sistema abierto. es posible 
la transferencia de masa y de energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es 
necesariamente constante. Una pared también puede ser semipermeable, si permite el paso 
sólo de algunas sustancias. 
En los procesos técnicos se toma una serie de flujos continuos de masa a interacción entre 
si y con su entorno. Lo cual producen transformaciones de tipo físico y químico dando lugar 
a intercambio s energéticos de tipo mecánico o térmico. 
 
 
 
 
 
 
 
Trabajo de flujo y de flecha 
𝑊 = 𝑊𝑆 + 𝑊𝑓𝑙 
Donde. 
𝑊𝑆 = Trabajo de flecha o velocidad de trabajo realizado por el fluido del proceso sobre 
alguna parte móvil dentro del sistema. 
 
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𝑊𝑓𝑙 =Trabjo de flujo o trabajo realizado por el fluido en la salida del sistema menos la 
velocidad de trabajo realizado sobre el fluido en la entrada del sistema. 
A una unidad de proceso ingresa y sale un volumen de un fluido a una presión; el fluido 
que entra al sistema experimenta trabajo realizado sobre el por el fluido que se encuentra 
justo detrás, por lo tanto 
𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ∗ 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 
Y el fluido de salida realiza el trabajo sobre el flujo anterior de tal manera que: 
𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ∗ 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 
Entonces: 
𝑊𝑓𝑙 = 𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ∗ 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ∗ 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ∗ 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 
Los productos PV se suman para determinar 𝑊𝑓𝑙. 
 
EJERCICIO 
UNA CALDERA PRODUCE 2.5KG/s DE VAPOR DE AGUA A 3OO°C a 100 kPa. EL 
AGUA QUE SE USA PARA GENERAR EL VAPOR ENTRA A LA CALDERA A 25°C Y 
A UNA PRESION DE 100 kPa, SI LA EFICIENCIA TERMICA ES DE 90% Y CONSUME 
GAS NATURAL, CUANTO CUESTA OPERAR ESTE EQUIPO DURANTE 8 H0RAS DE 
OPERACIÓN, SI EL COSTO POR METRO CUBICO DE GAS NATURAL ES DE S/. 10 
SOLES. 
DATOS DE PROVEEDOR DE GAS NATURAL: 
DENSIDAD=1.6 Kilogramo por metro cúbico. 
PODER CALORIFICO INFERIOR= LHV=50 MILI JULES POR KILOGRAMO 
SOLUCION: 
 
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Estado 1 : 𝑇 = 25°𝐶 𝑃1 = 100𝑘𝑃𝑎 
liquido 
Estado 2 : 𝑇2 = 300°𝐶 𝑃2 = 100𝑘𝑃𝑎 
vapor m =1 2.5 Kg/s 
Eficiencia energética 𝜂 = 90% que es la 
relación de energía transferida al vapor 
entre energía obtenida del gas. 
Entonces Q= calor que se da vapor o 
producción de calor que produce en la 
combustión ; h=Entalpia m= Flujo masico. 
Q 2=m2(h2(salida)-h1(entrada)) 
Q ( gas natural)= m gas natural (LHV) 
 m gas =m vapor (h2-h1)/(𝜂(LHV) 
 
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Figura 1:Tabla para hallar la entalpia 1 
Figura 2:Tabla para hallar la entalpia 2 
 
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CONCLUSIÓN 
En relación con las propiedades termodinámicas, comúnmente existe confusión sobre 
cuál propiedad es extensiva y cuál es intensiva. Por ejemplo, la energía, el volumen, la 
entalpía son propiedades extensivas. El valor de dichas propiedades no sólo depende de 
la temperatura o de la presión, sino también de la masa del sistema. Consideremos la 
energía interna de una masa de dos kilogramos de aire que resulta ser dos veces la energía 
interna de solo un kilogramo de aire. Si consideramos ahora por separado medio 
kilogramo de aire y kilogramo y medio de aire, ambos con presiones y temperaturas 
iguales, al unirlos en un solo sistema el volumen y la energía interna se sumarán ya que 
son propiedades extensivas, mientras que la temperatura y la presión se mantendrán sin 
cambio (ya que no se pueden sumar) para describir al nuevo sistema que está compuesto 
por los dos kilogramos de aire. Muy a menudo resulta útil trabajar en términos de 
propiedades que no dependan de la masa o extensión del sistema, y para este propósito 
utilizamos propiedades pacificas como: el volumen específico, la energía específica, la 
entalpía específica, etc., que son los valores del volumen, de la energía, y de la entalpía 
por unidad de masa. 
BIBLIOGRAFÍA 
Calleja Pardo, G.; García Herruzo, F.; de Lucas Martínez, A.; Prats Rico, D. 
yRodríguez Maroto, J.M. (1999). "Introducción a la Ingeniería Química”. 
Síntesis.Madrid.Capítulo 7. 
Felder, R.M. y Rousseau R.W. (1991)."Principios Elementales de los 
ProcesosQuímicos". Addison Wesley Iber. Wilmington.Capítulos 7,8 y 9. 
Costa López, J.; Cervera March, S.; Cunill García, F.; Esplugas Vidal, S.; 
MansTexeidó, C. y Mata Álvarez, J. (1994). "Curso de Ingeniería Química. 
Introducción a losProcesos, las Operaciones Unitarias y los Fenómenos de 
Transporte". Reverté.Barcelona.Capítulo 4 
 Iriarte, U. (s.f.). Balances de Energia. España. 
 Plata, U. F. (s.f.). Balance de Energia. La Plata. 
 
 
 
 
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