Calor residual para niños
El calor residual es el calor que se produce como un extra inevitable cuando las máquinas funcionan o cuando se realizan procesos que usan energía. Por ejemplo, un refrigerador calienta el aire de la habitación donde está, o un motor de coche libera calor al ambiente.
La necesidad de que muchos sistemas liberen este calor extra se debe a las leyes de la termodinámica. El calor residual tiene menos utilidad que la energía original. Este tipo de calor proviene de todas las actividades humanas, sistemas naturales y seres vivos. Incluso liberar el frío que no se necesita (como en una bomba de calor) también se considera calor residual, porque el ambiente tiene calor, pero a una temperatura más baja de lo que se considera "caliente".
En lugar de que este calor (o frío) se pierda en el ambiente, a veces se puede usar en otro proceso. También se puede reutilizar en el mismo sistema si se añade calor extra para compensar, como ocurre en los sistemas de ventilación con recuperación de calor en los edificios.
Guardar la energía térmica, ya sea por poco tiempo o por mucho, puede ayudar a usar mejor el calor residual. Un ejemplo es cuando el calor de los aires acondicionados se guarda en un tanque para calentar una casa por la noche. Otro ejemplo es el almacenamiento de energía térmica estacional (STES) en una fábrica en Suecia. Allí, el calor se guarda en las rocas bajo tierra y se usa para calentar una fábrica cercana meses después. Un ejemplo de STES que usa calor natural es la Comunidad Solar de Drake Landing en Alberta, Canadá, donde el 97% de la calefacción anual viene de colectores solares que guardan el calor bajo tierra entre estaciones. También se puede guardar el frío del invierno bajo tierra para usarlo en verano para el aire acondicionado.
Los seres vivos también liberan calor como parte de sus procesos internos. Si la temperatura del ambiente fuera tan alta que no pudieran liberar ese calor, no podrían sobrevivir.
Se cree que el calor que generamos los humanos contribuye al efecto de isla de calor urbana. Las principales fuentes de calor residual son las máquinas (como los generadores de electricidad o los procesos industriales, como la fabricación de acero o vidrio) y el calor que se escapa de los edificios. La quema de combustibles para el transporte también genera mucho calor residual.
Contenido
¿Cómo se produce el calor residual?
Las máquinas que transforman la energía de los combustibles en movimiento o electricidad siempre producen calor como un producto extra.
Fuentes de calor residual
La energía se usa de muchas formas, como para calentar, ventilar, enfriar, para el movimiento o para la electricidad. Muchas veces, estas formas de energía se producen con una máquina térmica, que usa una fuente de calor de alta temperatura. Una máquina térmica nunca puede ser 100% eficiente, según la segunda ley de la termodinámica, por lo que siempre producirá una cantidad importante de calor de baja temperatura. A esto se le llama calor residual o "calor de baja calidad". Este calor puede ser útil para calentar, pero a veces no es práctico llevarlo a largas distancias, a diferencia de la electricidad o el combustible.
Las mayores fuentes de calor residual son las centrales eléctricas y los motores de los vehículos. Las fuentes individuales más grandes son las centrales de generación de electricidad y las fábricas como las refinerías de petróleo y las acerías.
Generación de electricidad
La eficiencia eléctrica de una central termoeléctrica es la relación entre la energía que entra a la planta y la energía que produce. Esta eficiencia suele ser de alrededor del 30%.
La imagen muestra una torre de enfriamiento, que se usa en las centrales eléctricas para mantener la temperatura baja. Esto es muy importante para que el calor se pueda convertir en otras formas de energía, como electricidad. Es posible aprovechar el calor "residual" que de otra forma se perdería en el ambiente.
Procesos en la industria
Los procesos industriales como la refinación de petróleo, la producción de acero y la fabricación de vidrio generan mucho calor residual.
Electrónica
Aunque la cantidad de energía es pequeña, quitar el calor residual de los circuitos integrados y otros componentes electrónicos es un gran desafío para los ingenieros. Para esto se usan ventiladores y disipadores de calor.
Biología
Los animales, incluyendo a los humanos, producen calor como resultado de su metabolismo. En ambientes muy calurosos, este calor puede ser más de lo que necesitan los animales de sangre caliente para mantener su temperatura corporal estable. Por eso, lo eliminan con métodos como sudar o jadear.
¿Qué se hace con el calor residual?
El calor de baja temperatura tiene muy poca capacidad para realizar trabajo, por lo que se considera calor residual y se transfiere al ambiente. Económicamente, es más fácil transferir este calor al agua del mar, un lago o un río. Si no hay suficiente agua para enfriar, la planta necesita una torre de enfriamiento para liberar el calor residual a la atmósfera.
En algunos casos, se puede usar el calor residual, por ejemplo, para calentar casas mediante cogeneración. Sin embargo, estos sistemas hacen que la liberación del calor residual sea más lenta y, por lo tanto, siempre reducen la eficiencia del proceso principal de uso de la energía.
Usos del calor residual
Cogeneración y trigeneración
Se puede reducir el desperdicio de calor si se usa un sistema de cogeneración, que también se llama sistema combinado de calor y potencia (CHP). Las dificultades para usar el calor residual se deben principalmente a los costos de ingeniería y a la eficiencia para usar pequeñas diferencias de temperatura y generar otras formas de energía. Algunos usos para aprovechar el calor residual son calentar piscinas y dar calor a una fábrica de papel. Por ejemplo, en algunos casos se puede enfriar usando refrigeradores por absorción, y a este sistema se le llama trigeneración o CCHP (sistema combinado de calor, refrigeración y potencia).
Precalentamiento
El calor residual se puede usar para calentar líquidos o materiales que entran a un sistema antes de que se calienten a temperaturas más altas. Por ejemplo, el agua que sale de una planta puede dar su calor residual al agua que entra a través de un intercambiador de calor antes de calentar casas o alimentar centrales eléctricas.
Producción de electricidad con calor residual
Existen varios métodos para convertir el calor en electricidad. El ciclo Rankine con fluido orgánico es un método conocido que usa una sustancia orgánica en lugar de agua. La ventaja es que permite producir electricidad a temperaturas más bajas que el ciclo de vapor de agua común.
Otro método es el uso termoeléctrico, donde una diferencia de temperatura en un material semiconductor crea una diferencia de voltaje, un fenómeno llamado efecto Seebeck. Un método similar es el uso de celdas termogalvánicas, donde una diferencia de temperatura produce una corriente eléctrica en una celda electroquímica.
Invernaderos
El calor residual (junto con el dióxido de carbono de la combustión) puede usarse para calentar invernaderos en lugares con climas fríos.
Calor generado por humanos
Se llama calor antropogénico al calor que generamos los humanos y nuestras actividades. La Sociedad Meteorológica Norteamericana lo define como "El calor liberado a la atmósfera por las actividades humanas, que a menudo incluyen la quema de combustibles. Las fuentes son fábricas, calefacción y refrigeración de espacios, el calor que produce el cuerpo humano y los gases de escape de los vehículos. En las ciudades, esta fuente suele aportar entre 15 y 50 vatios por metro cuadrado al balance de calor local, y varios cientos de vatios por metro cuadrado en el centro de grandes ciudades en climas fríos y zonas industriales."
Se puede calcular el calor antropogénico sumando la energía usada para calentar y enfriar, operar máquinas y aparatos, transporte, procesos industriales, más el calor que emite directamente el metabolismo de los humanos.
Impacto en el ambiente
El calor generado por los humanos tiene poca influencia en las temperaturas de las zonas rurales, pero su aporte es más importante en las ciudades densas. Es una de las causas que contribuyen a las islas urbanas de calor.
El calor antropogénico contribuye mucho menos al calentamiento global que los gases de efecto invernadero. En 2005, aunque el flujo de calor residual antropogénico era alto en algunas ciudades (y puede ser alto a nivel regional, por ejemplo, +0.39 y +0.68 W/m² en Estados Unidos y Europa Occidental, respectivamente), a nivel global representó solo el 1% del flujo de energía creado por los gases de efecto invernadero de origen humano. En 2005, el flujo de calor residual global fue de 0.028 W/m². Se espera que estos números aumenten a medida que las ciudades crecen.
Aunque se ha demostrado que el calor residual afecta el clima a nivel local, las simulaciones del clima global generalmente no consideran este efecto. Los estudios climáticos muestran un calentamiento significativo a nivel continental (0.4–0.9 °C) causado por un escenario de calentamiento antropogénico para el año 2100, pero no por los valores actuales o las estimaciones para 2040. Cálculos globales simplificados con diferentes tasas de aumento de calor antropogénico muestran contribuciones detectables al calentamiento global en los próximos siglos. Por ejemplo, una tasa de crecimiento del calor residual del 2% por año podría causar un aumento de al menos 3 grados para el año 2300. Esto ha sido confirmado por cálculos con modelos más detallados.
Véase también
En inglés: Waste heat Facts for Kids
- Análisis pinch
- Calefacción urbana
- Isla de calor
- Metabolismo urbano
