energia y eficiencia energetica
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8/17/2019 Energia y Eficiencia Energetica
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Energía y eficienciaenergética en procesGustavo Restrepo IQ, PhD
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Contenido
1. Energía y recursos energéticos
2. Balances de energía y criterios de uso eficiente de la energía
3. Sistemas de generación y distribución de energía
4. Eficiencia en la producción y distribución de energía térmica
5. Eficiencia en el suministro y consumo de energía eléctrica
6. Gestión energética
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Gustavo Restrepo
Instituto de energía energética deMoscú – MEI
Doctor en Ciencias de la Ingeniería
Ingeniería termoenergética industrial
Universidad Nacional de Colombia
Ingeniero Químico
Tiger engineeringIngeniero de Procesos
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Procedimiento/metodología
Presentación 60 minutos
Preguntas 20 minutos
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¿Eficiencia energética?
Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e
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Energía y recursosenergéticosEnergía y eficiencia energética en procesos
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Concepto de energía
“Propiedaddelamateriaqueindicasucapacidadparasufrircambios”
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Fuentes y vectores de energía Sol
Combustibles
BiomasaTurba
Gas
natural Carbón
Petróleo
Luz solar
Viento
Olas
Ciclo delagua
Tierra
Agua termal Uranio
Hidroeléctrica
Termoeléctrica
Celdasolar
Planta nuclearPlanta
geotérmicaMolino
Caldera HornoRefineríaPlantade gas
GLP
Baterías
Sintegas
Energíaeléctrica
Airecomprimido
Aguacaliente
Vapor
Gasolina
Diésel
Hidrógeno
Gasnatural
Aceitecombustible
Humos
Radiación
CompresorCargador
Refinería
Etanol
Biodiésel
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Balance energético mundial 2012 [IEA]
-
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Fuentes primarias de energía y consumo 2012 [IEA]
31%
29%
21%
10%
1%
2% 5% 1%
Fuentes primarias de energía
Crudo Carbón
Gas natural Biocombustibles y residuos
Geotérmica Hidroeléctrica
Nuclear Otros
28%
28%
23%
8%
2% 11%
Consumo de energía por sector
Industria Transporte Res idencial
Comercio Agrícola Otros
-
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Vectores de energía por sector 2012 [IEA]
0%
12%
29%
20%
7%
27%
5%
Sector industrial
Total: 2542 Mtep
93%
0%4% 2% 1%
Sector transporte
Total: 2507
40%
21%
5%
0% 0
Sector r
Total: 2
12%
4%
24%
3%
51%
5% 0% 1%
Sector comercial
Total: 721 Mtep
57%
6%
4%
5%
1%
24%
3%
Sector Agrícola
Total: 186 Mtep
-
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Generación de energía eléctrica mundial 2012 [IEA]
5% 1%
47%
23%
3%
1%
1%
6%13%
Fuentes primarias - generación eléctrica
Total: 5083 Mtep
Derivados del petróleo Crudo Carbón
Gas natural Biocombustibles y residuos Geotérmica
Solar/olas/eólica Hidroeléctrica Nuclear
2299
45%
Generación de energía eléctrica (
Pérdidas Energía eléctrica
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Generación de energía eléctrica por países 2012 [IEA]
18%
4%
58%
3%
0%10%
7%
Argentina
Total: 25.4 Mtep / Eficiencia: 46%
2%
2%
Total: 1
1%
11%
24%
7%
57%
Colombia
Total: 7.25 Mtep / Eficiencia: 74%
2%
34%
18%
33%
0%
13%
Dinamarca
Total: 7.16 Mtep / Eficiencia: 82%
1%
50%
13%
10%
5%
1%
20%
Alemania
Total: 132.8 Mtep / Eficiencia: 49%
4%
0%
18%
61%
1%0%
4%
12%
Rusia
Total: 396.6 Mtep / Eficiencia: 62%
1%
43%
25%
3%
1%
1%3%
23%
EU
Total: 892 Mtep / Eficiencia: 42%
-
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Consumo de energía percapita vs PIB percapita 2012
RCh
Din
AleJap
Cor
Hol
Nor
Sue
EU
Arg
Aus
Bra
Can
Chl
ChnColCR
Fra
Ind
Ita
KazMex
NZ
Pan
Per
Rus
Sui
GB
Ven
SAf
-
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
60,000
70,000
80,000
90,000
100,000
110,000
0 1 2 3 4 5 6 7
P
I B
p e r c a p i t a
( U S $ )
Consumo total de energía per capita (Мtep)
2 12
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Balances de energía ycriterios de uso eficientde la energíaEnergía y eficiencia energética en procesos
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Unidades de energía
• Combustibles (poder calorífico inferior)- Gas natural: MJ/sm3; Btu/sft3
- Petróleo y derivados: MJ/t; MJ/m3; Btu/bbl
- Carbón: MJ/kg; Btu/lb
• Flujo de calor: MJ/h; kcal/h
• Energía eléctrica: kW-h; MJ; Btu
• Potencia: kW; hp
• Tonelada equivalente de petróleo: tep (IEA)
• Barril equivalente de petróleo: bep (EU)
• Tonelada de combustible equivalente: tec(Rusia)
Equivalencias
1 tep =
7.11 bep
41.89 G
11.63 M
1.43 tec
-
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Poder calorífico de combustibles
Combustible MJ/kg Btu/lb tep/t tec/t bep
Carbón 19 - 29.3 8168 – 12610 0.45 – 0.70 0.65 – 1.0 3.22 –
Turba 9.3 3998 0.22 0.32 1.5
MJ/kg MBtu/bbl tep/t tec/t bep/
Petróleo 41.9 6.31 1.00 1.43 1.0
Crudo combustible 40 5.12 0.95 1.36 0.8
Gasolina 42.1 4.82 1.00 1.44 0.7
Diésel 42.5 5.25 1.01 1.45 0.8
MJ/sm3 Btu/sft3 tep/t tec/t bep/M
Gas natural 34.5 926 0.58 0.83 172.
-
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1ª Ley de la termodinámica
Э =
Эú +
Э +
ЭBalance general de proceso
SISTEMA CERRADO
SISTEMA ABIERTO
-
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FLUIDO CALIENTE
FLUIDO FRÍO
Balance de energía (1ª Ley)Sistema hidráulico
Transferencia de calor
ℎ
ℎ
ℎ
ℎ
ℎ
ℎ
Reactor
ℎ
ℎ
∆ℎ
-
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PROCESO
Eficiencia (1ª Ley)
Э =
Э +
Э +
ЭЭ Э
Э
Э
Coeficiente de acción útil o “eficiencia” ηI
Eficiencia energética según la 1ª Ley de la Termodinámica
=íℎí
= Э + Э
Э
PROCESO
Э
Э
Э
Э
Diagrama de Sankey
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2ª Ley de la Termodinámica
Máquina de térmica ideal
= + = −
-
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2ª Ley de la TermodinámicaMáquina de térmica ideal
Máquina de térmica real
= +
=
= 1 −
-
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Eficiencia (2ª Ley)Coeficiente de desviación del caso ideal, “eficiencia según la Segunda Ley” ηII
=
áó
=
1 −
< 1 −
-
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-
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Componentes de la exergía
Exergía de la materia• Térmica
• Mecánica
• de Reacción
• de Concentración
Exergía del flujo de energía
• de flujo de Calor
• de flujo de Radiación
Exergía de flujo de materia
• = − −
Exergía de flujo de calor
•
= 1 −
Exergía del trabajo
• =
-
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Exergía vs Energía
Exergía, E
• Su valor depende de las propiedades dela materia o flujo de energía y de lascondiciones del entorno
• Es igual a cero cuando el sistema está enequilibrio con el entorno
• Se destruye en procesos reales
Energía, Э• Es una propiedad asociada a la
al flujo de energía
• Siempre es diferente de cero
• Siempre se conserva
Э
Э
-
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PROCESO
Eficiencia exergética
>
Coeficiente exergético de acción útil o “eficiencia exergética” ηE
=íí
=
= +
-
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Eficiencia energética de procesos (1ª L
Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e
99%
10 W
10%
100 W
101 W
98%
103 W
10%
1031 W
95%
1085 W
95%
1142 W
99%
1154 W =10
1154 =0.87%
f é (
-
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Eficiencia energética de procesos (2ª L
Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e
10 W103 W
=10%1031 W
=10
1154 =0.87%1154 W
_ =20+ 273 130 + 273 =27.3%
=10%24.8% =36.7%
f é d
-
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Eficiencia exergética de procesos
Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e
10 W
=10
1154 =0.871154 W
1142 W
800°C
E = 830 W
1085 W
800°C
E = 789 W
1031 W
130°C
E = 281 W
103 W
=1085 1− 20+273800+273
1142 =69.1%
=281789 =35.7%
= 103281 =36.7%
100 W
-
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Sistemas de generaci
y distribución deenergíaEnergía y eficiencia energética en procesos
S i i t f d í l
-
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Suministro y formas de energía en plan
Combustibles fósiles
Caldera
Compresor
Refrigeración
Ilumunación
Agua caliente Vapor
Energía
eléctrica
Airecomprimido
Energía
eléctrica
Agua
Agua
PLANTA
Gases
RadiaciónGenerador Agua de
enfriamiento
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Eficiencia en la
producción y distribude energía térmicaEnergía y eficiencia energética en procesos
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Sistema de producción y distribución de va
Combustible
Gases decombustión
Agua desuministro
Caldera
Desaireador
Puntosconsum
Tratamientode agua
Colector decondensados
Si t d d ió di t ib ió d
-
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Sistema de producción y distribución de va
Combustible
Gases decombustión
Agua desuministro
Caldera
Desaireador
Puntos dconsum
Tratamientode agua
Colector decondensados
Tratamiento deficiente:
• Deterioro de la caldera
• Incrustaciones en
superficies de transferencia
de calor
Recuperación parcial o nula
• Mayor consumo de
combustible
• Mayores costos de
tratamiento
Diseño deficiente de la red:
• Topología y geometría
• Elevada formación de
condensados
Deficiente aislamiento térmico
• Pérdidas de calor al entorno
• Formación elevada de condensados
Mantenimiento ineficiente:
• Incrustaciones en
superficies de transferencia
de calor
• Combustión incompleta
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Pérdidas de calor y vapor
-
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Aislamiento térmico
Pérdidas de calor (Btu/(h*100 ft))Pérdida con
aislamiento
Costo pérdida
incremental
(US$/a)
Costo aislamiento
2" (US$/100 ft)Sin
aislamiento
Con
aislamientoDiferencia
2" 41,479 3,607 37,872 8.7% 899 668
4" 61,912 5,519 56,393 8.9% 1,339 903
8" 92,856 9,024 83,833 9.7% 1,990 1,355
-
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Sistema de producción y distribución de va
Combustible
Gases decombustión
Agua desuministro
Caldera
Desaireador
Puntos consum
Tratamientode agua
Colector decondensados
Conversión a gas
Redistribución de cargas entre unidades
Programa de mantenimiento y purgas
Optimización de aire de exceso
Recuperación de calor
Disposición correcta de ramales, válvulas
y trampas
Bolsillos para recolección de
condensados
Aislamiento térmico
Mantenimiento y reparación de fugas
Recuperación de condensados
Optimización de trampas de vapor
Control de la calidad del agua
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Ineficiencias en sistemas térmicos
-
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Ineficiencias en sistemas térmicos
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Ineficiencias en sistemas térmicos
-
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Eficiencia energética sistemas térm
Conversión de combustible
Automatización y control
Integración de flujos térmicos
Recuperación de calor
Optimización de redes y superficies de transferencia de calor
Eficiencia energética sistemas de alta temperatura (ho
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c e c a e e gét ca s ste as de a ta te pe atu a ( o
Implementación denuevas tecnologías
Reducción depérdidas de calor yemisiones de gases
calientes
Recuperación de calor
residual
Aprovechamientoexterno de calor
residual
Mejoramiento delproceso
Mejoramiento de lacombustión
Precalentamiento deaire y/o combustible
Precalentamiento dematerias primas
Recirculación delproducto del proceso
Uso energético Uso en el proceso
Fundición en continuo
Turbinas recuperadoras sin compresión
Recursos energéticos secundarios
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g
Recursos energéticossecundarios
Combustibles Presión enTérmicos
Combustión Calentamiento Enfriamiento Eléctric
Recuperación de calor
-
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Recuperación de calor
HORNO
57%
43%Energía delcombustible
100%
HORNO
35%
43%
57% Repuperación 22%
Energía del
combustible
100%
Recuperación termoquímica de calor
-
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Recuperación termoquímica de calor
HORNO
18%
43%
57% Recupera
RTQ
Energía delcombustible
100%
Integración de flujos térmicos
-
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Integración de flujos térmicos
E-203
E-202
R-201
154 250
364 100
lps
cw
E-2
R
154
E-202 278
364
TIC
250
Síntesis de redes de intercambio de calor
-
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Síntesis de redes de intercambio de calor
Optimización de superficie de intercam
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p pde calor
Zonas convectivas en hornos de proces
-
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Zonas convectivas en hornos de proces
-
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Eficiencia en el
suministro y consumode energía eléctricaEnergía y eficiencia energética en procesos
Red eléctrica
-
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Red eléctrica
G
T1 T2
RT
U
V1 V2 V3
Generación Transmisión Distribución
Sistema de suministro urbano
-
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CHE
CTE
TE TR
TE
TE TR
TR TR
GTE TR
6-15 kV
220 kV
110 kV
LTE
Anillo
urbano
Subestación
LDE
110 kV
6-10 kV
400 V
Conexión a sist
interconectad
220 kV
LTE
6-15 kV
110 kV
TE/TR
110 kV6-10 kV
Determinación de cargas de consumo eléct
-
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54/73
61.7%
2.1%
0.3%
13.2%
19.7%
0.6%
0.2% 1.4%
0.8%
Bombas ET Agitadores
PTAP OI VRU
Trat. agua Calderas Trat. lodos
Cargas de consumo eléctrico en una planta que maneja flujos líqu
Desviaciones de calidad de la energía el
-
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Desviaciones de calidad de la energía el
Desviación de la tensión eléctrica de su valor nominal
- Cambios de demanda o en la red eléctrica
Oscilación de la tensión eléctrica
- Cambios repentinos de cargas
Desviación de la frecuencia de la corriente eléctrica
- Desbalance entre generación y consumo
Asimetría de cargas en sistemas trifásicos
- Mala distribución de cargas monofásicas entrefases
Baja potencia en motor
Cambios y oscilaciones
Baja productividad
Problemas de calidad e
Reducción del tiempo d
Mayor consumo de ene
-
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Conexiones deficientes
-
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Conexiones deficientes
Fugas de aire comprimido
-
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Fugas de aire comprimido
Tamaño de la
fuga (mm)
Pérdidas de aire
(scfm)
Pérdida anual de
energía (MW-h/a)
1 2.1 3
3 40.3 34
5 57.2 73
Uso racional de la energía eléctrica
-
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gReducción de pérdidas en sistemas de distribución
Optimización de horarios de cargas eléctricas
Ecualización de demanda de energía en diferentes equipos
Reducción de pérdidas en líneas de transmisión y transformadores
Aumento del factor de potencia en redes eléctricas
Revisión de calibres de conductores
Reducción de pérdidas en equipos eléctricos
Optimización de equipos de proceso (bombas, compresores, ventiladores)
Optimización de equipos termoeléctricos
Optimización de iluminación
Optimización de redes de aire comprimido
Optimización de sistemas de refrigeración y equipos fríos
Conversión tecnológica
Eficiencia energética bombas centrífugas
-
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BEP
75%
75%
70%
65%60%
55%
70%65%
60%55%
C a b e z a
Caudal
Variación de frecuencia P A
-
8/17/2019 Energia y Eficiencia Energetica
61/73
M
R
S
T
RectificadorInversor
PWMEnlace DC con
filtro LC Motoreléctrico
VDF
Apertura FCV 0%
FTFC
Control de flujo por PV Control de flujo por VDF
FT FC
VDF
-
8/17/2019 Energia y Eficiencia Energetica
62/73
Gestión y auditoríaenergéticaEnergía y eficiencia energética en procesos
Sistema de gestión energética (ISO-50001)
-
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63/73
Políticaenergética
Planificaciónenergética
Aplicación yoperación
Monitoreo demedición y
análisis
No conformidades,acciones inmediatas,
correctivas ypreventivas
Auditoríainterna del
SGE
Verificación
Revisión de lagestión
Mejoramientocontinuo
Auditoría energética
-
8/17/2019 Energia y Eficiencia Energetica
64/73
Diagnósticoenergético de la
planta
Formulación de medidas demejoramiento, financiación y
programa de ejecución
Ingeniería
Construcción ypuesta en marcha
Mantenimiento
Pasaporteenergético
H i
-
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Herramientas
Datos históricos de consumo de energía eléctrica y combustibles
Diagramas de flujo de proceso
Hojas de datos de equipos
Hojas de vida de equipos
Balances de energía
Datos históricos de producciónTermografías
Registro fotográfico
Inventario de flujos energéticos de pro
-
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66/73
Inventario de flujos energéticos de pro
Inventario de flujos energéticos de pro
-
8/17/2019 Energia y Eficiencia Energetica
67/73
Inventario de flujos energéticos de pro
61.7%
2.1%
0.3%
13.2%
19.7%
0.6%
0.2%
1.4%
0.8%
Bombas ET Agitadores
PTAP OI VRU
Trat. agua Calderas Trat. lodos
1.0%
4.5%
1.0%
65.8%
183.4%
5.3%
330-P-110A/B/C 330-P-310A/B/C
321-P-110/210/310/A/B/C 321-P-130A/B/C/230A/B
352-P-110A/B/C/D 731-P-110A/B
Consumo de energía eléctrica por tipo de equipo Consumo de energía eléctrica po
Inventario de flujos energéticos de proc
-
8/17/2019 Energia y Eficiencia Energetica
68/73
Inventario de flujos energéticos de procDemanda de energía térmica por equipos Demanda de enfriamiento por eq
17.0%
7.0%
60.3%
0.8%
0.2%
0.1%0.0%
6.8%
0.8%0.3%0.4%
6.0%
0.3%
321-TK-110/210/310 321-TK-120/220 323-HE-1X0 340-TK-110/210/310
731-TK-210 731-TK-110 411-TK-110/210/310 600-HE-1X0
722-TK-110/120 722-TK-210/220 724-TK-110/120 740-PK-110
732-D-110
3.6%
0.6%
5.6%
0.1%
0.0%
90
323-ET-110/210/310/410 323-ET-120/220/3
760-AE-110 /120/130 200-PK-110
Formulación de recomendaciones de mejoramieeficiencia energética
-
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g
Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e
• Encender el bred eléctrica yde bombillo
• Si no cuenta celéctrica, mejode conversión(calor traba
Evaluación técnica de recomendaciones demejoramiento de eficiencia energética
-
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CA Bo
j g
Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e
• Encender el bombillo con lared eléctrica y cambiar el tipo
de bombillo 99%
70%
15 W
15.1 W = =1015.5 =67%
Evaluación técnica de recomendaciones demejoramiento de eficiencia energética
-
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Gas natural
Aire
Gases
Turbina de gas
j g
Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e
• Si no cuenta con energía eléctrica, mejorar el sistema de conversiónenergética (calor trabajo)
99%
15.1 W
= =1043 =2
99%15.3 W
35%
43.7 W
Evaluación técnica de recomendaciones demejoramiento de eficiencia energética
-
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Gas natural
Aire
Gases
Turbina de gas
Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e
• Si no cuenta con energía eléctrica, mejorar el sistema de conversiónenergética (calor trabajo)
99%
15.1 W
= =
10
43
99%15.3 W
35%
43.7 W41.5 W
1200°C
E = 33.3 W
95%
=15.341.5 =36.8%
-
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Energía y eficiencia energética en procesos