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EXAMEN TRANSVERSAL

ESCUELA DE INGENIERÍA, VALPARAÍSO “cogeneración en correo hospitalario”

Integrantes: José Córdova Vicente Gallardo Rodrigo Jofre

Profesor: Mauricio Gómez

Sección: EEP6101 – 002D

Valparaíso, 11 diciembre de 2018

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2. Introducción. La eficiencia energética es un importante y un alto aporte a la reducción de costos energéticos como también ayuda a innovar mediante nuevas tecnologías. La cogeneración es una tecnología atractiva y alcanzable en lo que respecta a eficiencia energética, dando a conocer los beneficios en los suministros eléctricos sin embargo la generación no se realiza al 100% este método conlleva perdidas al momento de la generación. Esta tecnología engloba los conceptos y tecnologías en las cuales el calor y la potencia eléctrica son conjuntamente generadas por una sola unidad y utilizadas por uno o varios consumidores. En el siguiente informe se identificará la zona donde se realizarán las mejoras de eficiencia en cogeneración, donde se darán a conocer las propuestas de solución de mejoras el consumo energético. Se determinará el sistema termodinámico de cogeneración, se calcularán los procesos poli trópicos de equipo de generación, se analizarán los resultados obtenidos donde se le dará al cliente la acción más rentable para él. También se dará a conocer la aplicación de la norma ISO 50001, se verificará el rendimiento del ciclo de máquinas térmicas, entre otros puntos que se darán a conocer en el informe.

El sistema a mejorar es la cogeneración aplicada mediante calderas aplicando un sistema de ciclo combinado para la generación de energía aprovechable en un sistema de correo de transporte.

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EXAMEN TRANSVERSAL 3. Problemática.

La problemática surge por el gasto energético, además de la contaminación que se genera por los gases de combustión que se producen dentro de la caldera, que son expulsados al medio ambiente. 4. Descripción de proyecto. Este proyecto se realizará en el hospital Base de Valdivia, consta con un total de 13 calderas de combustión a gas, 11 de ellas para la condensación de alta eficiencia y 2 calderas eficientes de generación de vapor. Este proyecto consta del aprovechamiento del vapor y gases de combustión mediante una rama de la cogeneración conocida como ciclo combinado producidas por calderas ya que este tipo de generación produce liberación de vapores a través de la quema de combustibles, para ello hay diferentes alternativas que son principalmente tener un economizador, utilizar un precalentador de aire y tener una tecnología de condensado, todas estas opciones tienen un potencial de ahorro de 3-15%, esto quiere decir que elegir alguna de estas formas puede ser una de las mejores opciones, pero en este proyecto elegimos otra alternativa estudiada para utilizar estos gases perdidos para emplearlos en sistemas hospitalarios en cogeneración , ya que en estos sistemas son altamente utilizados para el abastecimiento de energía para el desligamiento del sistema de electricidad siendo beneficioso para el ahorro en los gastos energéticos, debido a que el gas de combustión que sale de ella con una temperatura mayor a la temperatura ambiente implicando una pérdida de energía. En este proyecto la función que se le dará a esta energía perdida será la de transformar a energía mecánica para el movimiento de turbinas ancladas al generador mecánico para originar energía reutilizable en un correo neumático que se utilizará en un hospital para cumplir la función de llevar en su interior documentación hospitalaria, medicamentos, muestras o materiales quirúrgicos, así ayudando a beneficiar la rapidez, eficaz de estos materiales que son muy utilizados en los hospitales.

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5. Objetivos. 5.1 Objetivo general. 

Aprovechar la producción de vapores producidas en calderas de cogeneración aplicando ciclo combinado para generar energía e identificar la zona en donde es posible aprovechar y mejorar la eficiencia energética aplicada en una caldera desde la perspectiva de la automatización y control de procesos.

5.2 Objetivos específicos. 

Propuesta de soluciones técnicas para mejorar el consumo de energía perdida y utilizando está energía para el movimiento mecánico de un correo neumático.



Evaluación de un estudio financiero a soluciones propuestas para ver si es económicamente viable la implementación.



Elaboración de aplicaciones de eficiencia energética para asesorar al cliente sobre la opción que más le conviene.



Mediciones de variables energéticas en una instalación para determinar su línea base de consumo.



Reducir el efecto invernadero, aprovechando el gas de combustión para generar electricidad.

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EXAMEN TRANSVERSAL 6. ¿Qué es la cogeneración?

Beneficios producidos por la cogeneración. 

Alta eficiencia energética: con menor cantidad de energía se pueden llevar a cabo los mismos procesos que se realizaban previamente.



Ahorro de energía primaria: si el nivel productivo no cambia, la cogeneración se presenta como una medida de ahorro de energía.



Eliminación de pérdidas por transmisión en la red.



Generación distribuida de electricidad: al generar electricidad, se podría dejar de depender parcialmente de la red principal de electricidad, y de sus precios.



Reducción de emisiones: al aumentar la eficiencia de los procesos, se reduce la cantidad de contaminantes generados (CO2, SO2, NOX) por cada unidad de producción.



Seguridad y robustez del abastecimiento energético.



Competitividad del mercado, por reducción de costos de producción.

Cogeneración: planta de generación combinada de electricidad y calor.

Figura N°X : Planta de generación combinada de electricidad y calor.

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EXAMEN TRANSVERSAL Producción separada: planta convencional de electricidad y caldera.

Figura N°X : Planta convencional de electricidad y caldera.

Tipo de combustible, tecnología y procesos de conversión de energía por cogeneración.

Figura N°X : Planta cogeneración.

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EXAMEN TRANSVERSAL 6.1 Cogeneración: generación de energía por ciclo combinado

Un ciclo combinado hace referencia a un sistema que trabaja en conjunto con una turbina de gas y una de vapor. Su modo de operación consiste en que el HRSG de la cogeneración con turbina de gas, cumpla al mismo tiempo la función de la caldera en un ciclo de vapor, es decir, que la salida de vapor de dicho intercambiador de calor ingresa a las turbinas de condensado y contrapresión. cómo se puede apreciar la generación de energía eléctrica es mucho mayor, ya que cada turbina aporta una parte. También hay que indicar que este sistema combinado es posible, ya que los ciclos simples trabajan en distintos rangos de temperatura y permiten operar al generador de vapor.

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El ciclo combinado es un método para generar energía eléctrica mediante la combustión de gas. Su procedimiento en dos fases logra producir más energía que otros métodos. Se le considera un gran tipo de producción de energía alternativa

Fase 1 Ciclo brayton (turbina de gas)

Gases transportados al recuperador pasan a la Fase 2 ciclo Rankine (turbina de vapor)

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EXAMEN TRANSVERSAL 7. Beneficios del sistema de transporte neumático.

El sistema de correo neumático se encarga de transportar un sinfín de artículos pequeños y medianos para que los médicos y el personal sanitario puedan dedicarse plenamente a los pacientes. Pero el correo neumático no solo ahorra tiempo, sino también genera espacio adicional, ya que ayuda a descentralizar los laboratorios y farmacias al mismo tiempo que facilita la reducción de las reservas de medicamentos en los almacenes descentralizados. Además, el correo neumático aumenta la eficiencia laboral a medida que elimina la necesidad de ir con recados con lo cual no se desocupan las estaciones.

8. Campo de aplicación.

La instalación del sistema es realizada en la misma construcción del hospital o después, incluso en un hospital que ya está funcionando, la instalación posterior del correo neumático no constituye ningún problema. Según las condiciones arquitectónicas dadas, se emplean estaciones para montar encima o dentro de las paredes. Naturalmente todas las demás características del sistema como medidas de carga, límites de peso o la capacidad del sistema serán adaptadas a las necesidades específicas.

9. Capacidad de cargas.

El sistema de correo neumático transporta prácticamente todo lo que cabe en un cartucho: medicamentos, muestras de laboratorio o de urgencia, conservas de sangre, radiografías, documentos y mucho más. Todas las estaciones de un hospital, como lo son el banco de sangre, el ambulatorio, la estación de cuidados intensivos, la admisión o la administración son directamente conectadas una con la otra a través del sistema de correo neumático.

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Esquema básico de un sistema de transporte neumático:

Figura N°X : Esquema básico de un sistema de transporte neumático.

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10. Elementos que componen un sistema neumático hospitalario:  GRUPO DE ASPIRACIÓN Y SOPLADO

Figura N°X : Grupo de aspiración y soplado.

       

Grupo compresor / aspirador de caudal hasta 6,3 m3/minuto. Soplante de canal lateral, por generación de impulsos y compresión de tipo helicoidal. Potencia: 3 KW. 380/220v. III+ Neutro + tierra. Protección IP.44 Bocas de entrada y salida de 65 mm. de diámetro, con boquillas elásticas de acoplamiento. Refrigeración por aletas exteriores y circuito forzado de aire. Montaje sobre bancada y apoyos anti-vibración. Cuadro metálico estanco IP 65, con contactores, equipos de control y protección magnetotérmica. Dimensiones exteriores: 577 x 490 x 460 mm.

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EXAMEN TRANSVERSAL  TRANSFER DE HASTA 16 LINEAS

Figura N°X : Elementos correo neumático.

     

Figura N°X : Elementos correo neumático.

Equipo automático permite el envío de cartuchos desde diferentes líneas de transporte de muestras. El usuario simplemente tiene que indicar la estación de destino y el sistema se encarga de establecer la ruta. Cuando se trata de una estación perteneciente a una línea diferente de la de envío, el sistema envía el cartucho al Transfer. El Transfer recibe cartuchos de las diferentes líneas de transporte de muestras y a través de un carro de desplazamiento, introduce el cartucho en la línea de destino. Este equipo puede conectar 2, 3 o 16 líneas de transporte neumático de muestras. Transfer de alta productividad por encoder que garantiza 600 movimientos/hora.

 DESVÍOS O BIFURCACIONES

Figura N°X : Desvíos o bifurcaciones.

Figura N°X : Desvíos o bifurcaciones.

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EXAMEN TRANSVERSAL        

Equipo automático que selecciona el circuito de salida. Funcionamiento totalmente automático, con mando y control desde el ordenador central. Dispone de una boca de entrada de 110mm. de diámetro, con collarín montado sobre rodamiento. Tiene dos o tres salidas según el modelo, también de 110 mm. de diámetro, con juntas de estanqueidad y acoplamientos precisos por sensores estáticos de posición. Corona de tracción con embrague y motor a 24 v . Centrado mediante cojinetes de bolas. Tubo móvil interior con desplazamiento suave para desembocar en los tubos de salida, según el circuito seleccionado. Caja metálica de Dimensiones: 700X400X290 mm.

 RED DE TUBERÍA

Figura N°X : Res de tubería.

      

Figura N°X :Tubería.

Tubo de PVC calibrado de 110 mm. de diámetro exterior y 2,3mm. de espesor de pared. Corte con utillaje especial para evitar vibraciones al paso de los cartuchos por las uniones de dos tramos de tubo. Las curvas tienen una curvatura suave de radio medio 800mm o 650mmm. Uniones por manguitos exteriores soldados. Fijación por bridas de acero galvanizado. Las líneas horizontales de tubo se instalan por encima del falso techo de cada planta. Las líneas verticales se pueden hacer a través de patinillos de instalaciones o a través de un taladro de diámetro 150mm en cualquier punto del forjado.

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11. Caldera a vapor. Es un dispositivo diseñado para generar vapor saturado, este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía, en el cual el fluido originalmente se encuentra de manera líquida, este se caliente y cambia su estado a vapor. Dentro de la caldera ocurre un proceso de combustión elevando progresivamente su presión y temperatura. Existen diferentes tipos de calderas:   

Piros tubulares. Acuotubulares. También se puede clasificar dependiendo el material, aplicación, toma de aire, entre otros aspectos.

Figura N°X : Partes de una caldera.

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EXAMEN TRANSVERSAL 11.1 Principales componentes de una caldera.      

Agua de alimentación: es el agua de entrada que ingresa al sistema. Agua de condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y que representa calidad de vapor. Vapor seco: vapor de óptimas condiciones. Se almacena en una cámara. Vapor húmedo: vapor con arrastre de espuma que proviene del agua con alcalinidad elevada. Condensador: permite condensar el vapor formado por el sistema. Desaideador: expulsa los gases de combustión a la atmosfera.

11.2 Productos de combustión. Los productos de combustión se clasifican en: carbono, azufre, nitrógeno e hidrogeno. La unión de los materiales nombrados anteriormente permite los siguientes productos: anhídrido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor de agua, anhídrido sulfuroso, hidrocarburos no quemados. Los productos formados a partir de la mezcla se le conoce como los productos de combustión. Perdidas en caldera. Las principales perdidas de la caldera se producen por calor, estas pérdidas son:   

Radiación: es el calor que se escapa a través de la superficie de las paredes. Convección: se disipa por medio de fluidos de distinta temperatura. Purga: el calor que se escapa por eliminar solidos e impurezas disueltos en el agua que se han acumulado dentro de la caldera.

11.3 Eficiencia caldera. Corresponde al porcentaje o razón de vapor producido en una caldera a partir de calor administrado por el combustible quemado. 1. Calculo eficiencia: Q salida / Q entrada. 2. Calculo perdidas: Q entrada – Q salida.

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EXAMEN TRANSVERSAL 12. Tipos de presión. Se entiende como presión a la fuerza de un líquido, gas o solido que ejerce fuerza sobre una superficie, pero existen diferentes tipos de presión, las cuales son: 

Presión atmosférica: es la presión ejercida por la atmosfera terrestre medida mediante un barómetro.

 Presión de vacío: Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica. Es la diferencia entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta. 

Presión absoluta: es la presión de un fluido medido con referencia al vacío o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque en las moléculas.



Presión diferencial: es la diferencia entre dos presiones.



Presión relativa: es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y atmosférica del lugar donde se efectúa la medición.

Figura N°X : Tipos de presiones.

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13. Calculo de procesos politrópicos. Formula ecuacion de estado de los gases: pV = n * R * T Donde:  P= presión.  V= volumen.  N= número de moles.  R= Constante de gases ideales. (8.31 J/mol*°K)  T= Temperatura.

Ley de Boyle. La ley de boyle da la relación entre presión de un gas y el volumen a una temperatura constante. pV = cte Se ocupa esta ley, ya que la caldera funciona a una temperatura constante, el cual genera los gases de combustión que se van por la turbina hacia el generador para la producción de energía eléctrica y alimentación del correo neumático.

Figura N°X : Curva isoterma

También dentro de la caldera se aplica la segunda ley de Gay-Lussac, la cual nos indica que el volumen es constante, cuando se enfría la caldera o se calienta, la temperatura y lla presión cambia, entonces se aplicará la isocora. P=k*T Dentro de los procesos isocóricos al ser el mismo volumen, el trabajo siempre será 0 (W=0).

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Dentro del correo neumático ocuparemos la ley que nos indica que el volumen es constante, cambiando las presiones que se generan dentro del correo neumático. La segunda Ley de Gay-Lussac nos indica que la Isocora trabaja a volumen constante. Las presiones varían, ya que no está almacenada, para el movimiento del vapor o gases de combustión se acciona el soplador, y con válvulas se controla el recorrido de la presión junto con el recipiente. P=k*T

Figura N°X : Curva isócora.

Dentro de los procesos isocóricos al ser el mismo volumen, el trabajo siempre será 0 (W=0).

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EXAMEN TRANSVERSAL 14. Diferencias de consumo energético. Teniendo en cuenta que la potencia consumida por el correo neumático es de 3 KW en 380v/220v, al aplicar el sistema de aprovechamiento de los gases de combustión de la caldera junto con el vapor, para generar electricidad a través de las turbinas. El cliente, en este caso el hospital, se estará ahorrando esa cantidad de energía a largo plazo, ya que se necesitará una gran inversión inicial para la instalación del sistema. Primero que nada, se sabe que el correo neumático consume 3KW, este funciona 8 horas aproximadamente al día, durante todos los días del año, ya que es un hospital. Para sacar lo KWh se hace el siguiente cálculo: 3000(W)*8(h/día) = 24.000 W/(h/día) 24.000 (W/(h/día)) * 2929(h.años) = 70.080.000 Wh -> 70,080 KWh al año. Donde:  W= Watts.  H= horas.  KWh= Kilo watts por hora. Según este cálculo nos indica que por cada año el sistema de correo neumático consumirá 70,080 KWh. Sacando este total a 5 años, nos daría un total de: 70.080.000 Wh * 5 años = 350.400.000 Wh -> 350,400 KWh.

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Figura N°X : Mapa de tarifas de electricidad, año 2014.

Según esta imagen, nos indica que en Valdivia los 180 KWh está a $27.369 Dividiendo esta cifra nos dará lo siguiente: 27.369/180.000Wh = $0,15205 El Wh en Valdivia equivale a $ 0,15205 $0,15205*350.400.000Wh = $53.278.320 Este total se estará ahorrando a los 5 años. Para calcular el ahorro de un año, se divide el total en 5. $53.278.320/5 = $10.655664.

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15. Análisis de resultados. Según el analisis de los resultados nos indica que para una inversión que no supera ese total, es un proyecto muy factible y eficiente

16. Indicadores de evaluación económica.

17. Determinar indicadores de evaluación económica. VAN-TIR

18. Norma ISO 50001. La norma ISO 50001 se crea con el fin de proporcionar a las organizaciones un marco reconocido para la integración de la eficiencia energética en sus prácticas de gestión, esto permite implementar procesos necesarios para entender el uso de la energía, poner en marcha planes, objetivos e indicadores de eficiencia energética. Esto implica la estandarización de procedimientos y procesos que permiten dar respuesta a la reducción del consumo energético, a través de mejores prácticas y en base a normas internacionales. La norma se centra en cuatro puntos clave que son, planear, hacer, verificar y actuar, además presenta los siguientes requerimientos que se clasifican para facilitar el entendimiento y futura implementación, estos son los requerimientos modulares y estructurales. 

El requerimiento modular Corresponden a todos aquellos procedimientos que son esenciales para observar y mejorar el desempeño energético.



El requerimiento estructural Son aquellos requerimientos que proveen la estructura en torno a los requerimientos medulares y que convierten a la gestión de la energía en un proceso sistemático y controlado.

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EXAMEN TRANSVERSAL Los puntos clave como se mencionó anterior mente se dividen en cuatro, donde: 

Planear: Se centra en entender el comportamiento energético de la organización para establecer los controles y objetivos.



Hacer: Busca implementar procedimientos y procesos regulares con el fin de controlar y mejorar.



Verificar: Monitorear y medir procesos en base a las políticas, objetivos y características claves de las operaciones y reportar resultados.



Actuar: Tomar acciones para mejorar continuamente el desempeño energético en base a los resultados.

18.1 Sistemas de Gestión Energética

Un sistema de gestión energética (SGE) se basa en una red integrada de control de diferentes subsistemas que dentro del hospital serian la calefacción, la ventilación o el aire acondicionado, proveídos de dispositivos de monitorización y control. Todos estos subsistemas se pueden controlar y coordinar desde un ordenador central (PLC), lo que permite realizar ajustes en tiempo real y evitar descoordinaciones entre ellos. El SGE está programado para realizar automáticamente los ajustes necesarios para optimizar la eficiencia en el uso de la energía.

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EXAMEN TRANSVERSAL 19. Flujo recambios o remplazo de máquinas. La tecnología de ciclo combinado alimentado con gas natural que FPL utiliza en el centro de energía de West County funciona de la manera siguiente:     

Una planta de gas natural de ciclo combinado produce electricidad a partir de dos fuentes de energía en lugar de una. El ciclo combinado es de aproximadamente 30 % más eficiente que una planta de vapor tradicional. La energía se produce por la combustión de gas natural en una turbina, similar a un motor a reacción. La energía también se produce haciendo uso de los gases de escape de motores a reacción para hacer vapor. Ambas fuentes de energía impulsan las turbinas y generadores eléctricos para producir electricidad. Parámetros de HRSG (generador de vapor por recuperación de calor)

Ciclo Brayton. DIAGRAMAS T-S y P-V Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del aire que ingresa al sistema. Se genera un aumento de presión y temperatura. Proceso 2-3: Calentamiento isobárico del fluido comprimido mediante la incorporación de combustible y la ignición de la mezcla. Proceso 3-4: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina donde se entrega energía mecánica al eje de la máquina. Proceso 4-1: Enfriamiento del gas para su reutilización. En la práctica, el gas es expulsado a la atmósfera y se ingresa al sistema aire fresco. Figura N°X: Ciclo Brayton.

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EXAMEN TRANSVERSAL 20. Rendimiento del ciclo de maquina térmica.

El ciclo de Carnot se conoce como un ciclo termodinámico, el cual se genera cuando un equipo o maquina absorbe una cantidad de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y que cede calor Q2 que es de menor temperatura y produce un trabajo sobre el exterior. El rendimiento del ciclo de Carnot se define como:

Donde: 

n= Rendimiento.



T1= Temperatura 1.



T2= Temperatura 2.

 CICLOS COMBINADO GAS – VAPOR EL CICLO DE LA TURBINA DE GAS Las turbinas de gas de un ciclo combinado gas – vapor son unas turbinas que son movidas principalmente por gas siendo este un ciclo conocido como ciclo abierto y es aplicado en la termodinámica como ciclo Brayton. Las modificaciones sufridas por el fluido se visualizan en un diagrama conocido como diagrama T-S y presenta los siguientes pasos:  Etapa 1: de compresión, esta es producida por una máquina térmica conocida como compresor, isentrópica (proceso adiabático irreversible).  etapa 2: de aporte de calor a una presión constante.  Etapa3: de expansión, esta es realizada en la turbina, isentrópica o adiabática irreversible.  Etapa 4: donde se cede de calor a una presión constante.

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Figura N°X : Turbina a Gas.

Elementos que constituyen las turbinas movidas por gas. Representación gráfica del trabajo en: a) se produce un ciclo ideal isentrópico. b) se produce un ciclo real. c) acercamiento al ciclo de Carnot esto se produce a partir de la temperatura media de tanto como de foco caliente y como también de foco frío de un ciclo real. El aporte de calor puede efectuarse, bien mediante un proceso de combustión en el interior de la máquina, en lo que se denomina la cámara de combustión de la turbina de gas, o aportando gas caliente y a presión combinado con un proceso externo (gasificación integrada de carbón, lechos fluidos presurizados, etc.) La cantidad de calor 𝑄𝐶+ que aporta el foco caliente, se representa con la siguiente formula: 3

𝑄𝐶+ = ∫ 𝑇𝑑𝑆 2

Y la cantidad de calor cede el foco frio, se representa con la siguiente formula: 4

𝑄𝐹− = ∫ 𝑇𝑑𝑆 1

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El rendimiento que se produce en las turbinas de gas se pueden denotar también en función de los saltos de entalpías que se producen en las máquinas que la componen y la energía que aporta como combustible, según la formula siguiente se muestra el rendimiento de manera simplificado en las turbinas a gas:

𝜂𝑇𝐺 =

     

𝑊̇𝑇 − 𝑊̇𝐶 (𝑚̇𝑎 + 𝑚̇𝑓 ) (ℎ30 − ℎ40 ) − 𝑚̇𝑎 (ℎ20 − ℎ10 ) = 𝑚̇𝑓 𝐻𝑐 𝑚̇𝑓 𝐻𝑐

WT es la potencia generada en el proceso de expansión. Wc la potencia necesaria para comprimir el aire. mf la masa de combustible introducida en la cámara de combustión por unidad de tiempo. 𝐻𝑐 el poder calorífico inferior a presión constante del combustible 𝑚̇𝑎 la masa de aire ℎ10 , ℎ20 , ℎ30 , ℎ40 son las entalpías de parada de cada uno de los puntos por los que evoluciona el fluido en el ciclo.

Cabe destacar que las turbinas de gas que se utilizan en ciclos combinados gas-vapor tienen un diseño óptimo para obtener una densidad de potencia y una eficiencia más óptima al funcionar en conjunto al ciclo combinado. EL CICLO DE LA TURBINA DE VAPOR El ciclo que utiliza turbinas de vapor se le conoce como ciclo Rankine y se trata de la implementación del ciclo de Carnot si en el caso que se usara un fluido condensable y en el transcurso del proceso se produzcan cambios de estado o de fase. En forma simple el fluido pasa por las siguientes etapas: 

Etapa 1: donde se expande el fluido en estado de vapor, esto se produce en una máquina térmica conocida comúnmente como turbina de vapor y lo más isentrópica (adiabática irreversible) posible.



Etapa 2: A la salida de las turbinas de vapor, se sede un parte de calor del vapor a una presión constante en un condensador. Ahí se produce la condensación del vapor y se transforma al estado líquido.

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Etapa 3: Las etapas donde se eleva la presión del líquido. El proceso se realiza con el fluido en estado líquido, mediante bombas y fuera de la zona de cambio de estado. Esta es una de las diferencias más destacables con respecto al ciclo de Carnot puesto que, en estricto rigor, para que se produzca una máxima eficiencia sería necesario que se haga la compresión de un líquido en ambos estados, pero con la dificultad que conlleva realizar este tipo de compresión.



Etapa 4: aporte de calor a una presión constante. El líquido realiza una etapa de calentamiento previo en estado líquido, un proceso de cambio de estado y una elevación posterior al proceso de la temperatura del vapor en lo cual se le conoce como sobrecalentador. Motivada por querer disminuir la humedad en el vapor en las etapas de expansión de la turbina. Esta particularidad en el del ciclo de Rankine muestra una diferencia fundamental con los ciclos de Carnot.

El fluido motor empleado suele ser agua desmineralizada, fundamentalmente por su facilidad de manejo, reposición y abundancia, aunque conceptualmente no es el único y podrían emplearse otros fluidos tales como mercurio o fluidos orgánicos. La estructura básica de un ciclo agua-vapor en su versión más sencilla, así como la evolución del fluido en un diagrama T-S, se esquematiza en la Figura

a) b) c) d) e)

Caldera Turbina a vapor Condensador Bomba Generador

Representación en diagrama T-S del ciclo de las turbinas de vapor y de los equipos principales necesarios para su realización.

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EXAMEN TRANSVERSAL El rendimiento del ciclo de la turbina de vapor puede expresarse también en función de los saltos de entalpía de las máquinas que la componen y de la energía aportada en la caldera, según se muestra de forma simplificada en la fórmula siguiente

𝜂𝑇𝑉 =     

𝑊̇𝑇 − 𝑊̇𝐵 𝑚̇𝑉 (ℎ3 − ℎ4 ) − 𝑚̇𝑉 (ℎ2 − ℎ1 ) = 𝑄̇𝐶+ 𝑄̇𝐶+

𝑊̇𝑇 es la potencia generada en el proceso de expansión en la turbina de vapor 𝑊̇𝐵 la potencia necesaria para el bombeo del fluido 𝑚̇𝑉 la masa de vapor que circula en el ciclo por unidad de tiempo 𝑄̇𝐶+ el calor que pasa al ciclo por unidad de tiempo a través de las paredes de los tubos de la caldera ℎ1 , ℎ2 , ℎ3 , ℎ4 , son las entalpias de los puntos de evolución del fluido en el ciclo.

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LOS CICLOS COMBINADOS GAS-VAPOR Se puede definir un ciclo combinado como el acoplamiento de dos ciclos termodinámicos individuales, uno que opera a alta temperatura y otro con menores temperaturas de trabajo. El calor residual del proceso de generación de trabajo neto en el ciclo de alta temperatura se aprovecha en su mayor parte en un intercambiador de calor para producir trabajo en un ciclo termodinámico de baja temperatura.

Figura N°X : Ciclo combinado.

Ciclos combinados. Expresión del rendimiento Los ciclos Brayton y Rankine los cuales trabajan con fluidos diferentes gas y agua-vapor. El ciclo que trabaja con aire y gases de combustión (Brayton) funciona a mayor temperatura que el ciclo que ocupa agua-vapor (Rankine), ambos vienen acoplados por el intercambiador de calor gases/agua-vapor, que es la caldera de recuperación de calor. La unión termodinámica de estos ciclos conduce generalmente a la obtención de un rendimiento global superior a los rendimientos de los ciclos termodinámicos individuales que lo componen. La eficiencia global del ciclo combinado gas-vapor vendrá determinada por las eficiencias individuales de los ciclos Brayton y Rankine que lo componen, así como por la capacidad para realizar un adecuado trasvase del calor residual presente en el escape del ciclo Brayton al ciclo de Rankine por medio de la caldera de recuperación de calor.

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EXAMEN TRANSVERSAL En la figura se muestra de manera esquemática los flujos de energía existentes entre los distintos elementos que componen un ciclo combinado gas-vapor. La expresión del rendimiento del ciclo térmico de alta temperatura - turbina de gas- viene dado por la expresión: 𝜂𝑇𝑉 =

𝑊̇𝑇𝐺 + 𝑄̇𝑇𝐺

Esquema térmico básico y de flujos de energía de un ciclo combinado gas-vapor.

Rendimiento de los ciclos combinados gas-vapor con postcombustión El rendimiento total de un ciclo combinado con postcombustión para un esquema típico en una configuración 1 x 1 (una turbina de gas y una turbina de vapor), y de los elementos individuales que lo componen viene dado por la expresión siguiente: 𝜂𝐶𝑂𝑀𝐵 =    

𝑊̇𝑇𝐺 + 𝑊̇𝑇𝑉 + + 𝑄̇𝑇𝐺 + 𝑄̇𝐶𝑆

𝑊̇𝑇𝐺 es el trabajo producido en la turbina de gas 𝑊̇𝑇𝑉 el producido en la turbina de vapor + 𝑄̇𝑇𝐺 el calor aportado en la cámara de combustión de la turbina de gas + ̇ 𝑄𝐶𝑆 el calor aportado a la caldera en los quemadores de combustión suplementaria.

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Otro método utilizado para cálculo del rendimiento de la caldera de ciclo combinado Donde:

El rendimiento de ciclo combinado brayton viene dado por:

El rendimiento de ciclo combinado rankine viene dado por:

El rendimiento de la caldera recuperadora se obtiene como:

El rendimiento del ciclo combinado se obtiene como:

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21. Alternativas de rentabilidad.

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22. Procesos de operación del sistema de generación.

23. Técnicas de evaluación económica en el área de proyectos eléctricos.

24. Determina la energía disponible en un fluido, a partir de la ecuación general de energía.

25. Condiciones actuales de procesos productivos (según mediciones obtenidas).

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26. Mediciones con instrumentación. 26.1 Pirómetro IR1000. Se entiende como pirómetro al equipo que es capaz de captar la energía emitida por un cuerpo (temperaturas superficiales), por medio de un láser. Cabe tener en cuenta que la temperatura ambiente afecta a la precisión de este equipo, el microprocesador que se incorpora al pirómetro puede mostrar a través del display los siguientes parámetros: temperatura actual, temperatura máxima (MAX), temperatura mínima (MIN), diferencia entre temperaturas máx. y min (dIF); el promedio de las temperaturas (AVG) y el factor de emisividad (E). DATOS RELEVANTES: Se puede medir en grados Celsius (°C) y grados Fahrenheit (°F). Solo puede medir temperaturas superficiales La profundidad de campo 12:1 permite verificar rápidamente todos los tipos de entornos, rangos de temperaturas externas peligrosas o áreas remotas Rango de medición del instrumento: Grados Fahrenheit:

-58°F A 1000°F

Grados Celsius:

-50°C A 538°C

Modo del instrumento: -máximo (MAX). -mínimo (MIN). -Diferencia (DIF. MAX-MIN). -AVG (promedio). -E (factor emisividad).

Figura N°X : Pirómetro IR1000

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26.2 Cámara termográfica FIR I3. Se entiende como cámara termográfica al equipo que es capaz de mostrar en su pantalla una imagen de la radiación calorífica que emite un cuerpo (temperatura superficial). Este instrumento logra medir: Perdidas de energías, humedades, acumulación de moho, tejados con goteras, construcciones subyacentes, problemas en las instalaciones de climatización. Tan solo con apuntar y apretar produce imagines térmicas instantáneas en formato JPEG con todos los datos en temperatura necesarios. Que se puede enviar, analizar y guardar en la propia cámara o en dispositivos externos. Su modo puede ser en arcoíris o gris, el cual sus colores relevantes son: Colores rojizos: temperaturas cálidas. Colores azules-violetas: temperaturas frías. Mate. Semi brillo. Brillo.  Su resolución es de 360 pixeles (60x60)  Campo visual: 25.5° (H) X 25.5|(V)  Sensibilidad térmica (N.E.T.D.): 0.15°C Figura N°X : Cámara termográfica.

 Punto central de medida, área con temperatura Max/min, isoterma superior e inferior.  Su valor es de $ 619.000

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26.4 Espectro electromagnético. El espectro electromagnético es todo el rango de ondas o radiaciones electromagnéticas que existen en función de su longitud de onda, incluidas las ondas luminosas, según su longitud de onda o su frecuencia. Nuestros ojos funcionan como antenas receptoras de las ondas electromagnéticas que están entre un rango de ondas determinadas, el resto no podemos verlas. La luz visible está dentro del rango del espectro entre la luz o rayos infrarrojos (IR) y los ultravioleta (UV). Tiene frecuencias de aproximadamente 4×1014 a 8×1014 ciclos por segundo, o hertzios (Hz) y longitudes de onda de aproximadamente 740 nanómetros (nm) a 380 nm.

Figura N°X : Espectro electromagnético.

Son en estos rangos en los cuales trabajan los instrumentos con los cuales se realizaron los ensayos de temperatura en taller, el pirómetro y la cámara termografía

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26.5 Termocupla Las termocuplas son un sensor de temperatura, el cual es muy utilizado en la industria. Su estructura está compuesta por dos alambres de distinto material, unidos entre sí (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en las uniones de los cables se genera un voltaje pequeño, el cual es el que nos indicará en el display. Existen muchas termocuplas, pero las más comunes y utilizadas en un 90% son las tipo J y K. Las tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma y fundición de materiales a bajas temperaturas. Las tipo K se usa típicamente en fundición y hornos a menos de 1300°C. En nuestro caso, ocuparemos las termocuplas en contacto para medir temperatura sobre el cuerpo o mejor dicho puntos críticos a medir. DATOS RELEVANTES: Se puede medir en grados Celsius (°C) y grados Fahrenheit (°F). J TYPE -200 °C a 1050 °C (-328 °F a 1922 °F). K TYPE -200 °C a 1370 °C (-328 °F a 2498 °F). IP65 a prueba de polvo. Resistente al agua / salpicaduras. Pitido de advertencia con ajuste Hi / Lo , configuración de tiempo. Reloj y tiempo transcurrido. 0.1 ° resolución. Entrada diferencial de termopar.

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Duración de la batería: 200 horas.

Figura N°X : Termocupla.

Batería 9V.

26.6 Mediciones. Mediciones con Pirómetro. Minuto 5

Minuto 10

Minuto 15

Minuto 20

Minuto 25

Minuto 30

Minuto 35

Minuto 40

Carcaza

27,8°C

32,8°C

37,8°C

40,6°C

43,4°C

46,8°C

48,8°C

50,2°C

Voluta

27°C

28,2°C

30,2°C

31,4°C

32,4°C

33°C

33,8°C

34°C

Tapa Trasera

29°C

41°C

44,4°C

47,6°C

51,4°C

52,2°C

55,6°C

56,8°C

Aspiración

23°C

23°C

24°C

24,6°C

25°C

25,8°C

26,9°C

27°C

Descarga

26,6°C

28°C

28,8°C

28,9°C

29,8°C

30,4°C

31,8°C

31,9°C

Tabla N°X : Mediciones pirómetro.

Mediciones con Cámara termográfica. Minuto 5

Minuto 10

Minuto 15

Minuto 20

Minuto 25

Minuto 30

Minuto 35

Minuto 40

Carcaza

27,3

33,1

34,6

41,9

45,6

49

49,4

53,4

Voluta

26,0

27,3

28,6

28,7

29,2

30,6

29,2

31,2

Tapa Trasera

28,7

32,7

39

40,8

45

47,9

48,1

51,9

Aspiración

22,3

23,2

24,5

27,7

23,1

23,3

23,7

23,1

Descarga

26,7

27,2

27,6

30,4

29

29,4

29,8

29,3

Tabla N°X : Mediciones cámara termográfica.

Mediciones con Termocupla Minuto 5

Minuto 10

Minuto 15

Minuto 20

Minuto 25

Minuto 30

Minuto 35

Minuto 40

Carcaza

27,8

32,8

37,8

40,6

43,4

46,8

48,8

50,2

Voluta

27

28,2

30,2

31,4

32,4

33

33,8

42

Tapa Trasera

29

41

44,4

47,6

51,4

52,2

55,6

56,8

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EXAMEN TRANSVERSAL Aspiración

22

23

24

24,6

25

25,8

26,9

27

Descarga

26,6

28

28,8

28,9

29,8

30,4

31,8

31,9

Tabla N°X : Mediciones termocupla.

26.7 Graficas Graficas mediciones en carcaza

Se realizaron mediciones a la carcasa del motor en pleno funcionamiento, en tiempos determinados con un intervalo de 1 minuto, con el objetivo de tabular y registrar las mediciones de dicho punto crítico y contrastar lo obtenido. Se logró observar el aumento progresivo de la temperatura en la carcasa a medida que transcurría el tiempo, llegando a un valor máximo que duplica su valor de temperatura inicial, esto debido a que el motor al estar en funcionamiento posee pérdidas de energía, esta es disipada por sus disipadores de calor ubicados estratégicamente en toda la periferia del motor, además del ventilador que contiene en su interior. El punto crítico de la carcasa es un sector muy expuesto al intercambio de calor, debido a esto es que se logra obtener un notable aumento de su temperatura, la cual en un periodo promedio de trabajo logra un valor estable de funcionamiento. Se concluye que esta temperatura evidentemente se mantuvo en aumento

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EXAMEN TRANSVERSAL debido al tiempo de funcionamiento en que se mantuvo el motor en trabajo constante, siendo esta grafica una muestra de su temperatura de operación. Graficas mediciones en la Voluta.

En este punto crítico, se pudo tabular un aumento lineal en las temperaturas de trabajo. Al transcurrir los 5 minutos iniciales de funcionamiento, la primera temperatura registrada fue de 26,6 °C y al finalizar la experiencia, la temperatura registrada fue de 31,2°C, este aumento de temperatura es causa del funcionamiento constante de las aspas que al interior de la voluta, trabajan a la velocidad nominal del motor entrega y constante roce de partículas a la misma velocidad.

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Graficas mediciones en la tapa trasera del motor.

Las temperaturas en este punto crítico, sufrieron un alza considerable en poco tiempo, cabe destacar que el motor, trabaja sin su respectivo ventilador, en consecuencia las temperaturas de trabajo se elevan con facilidad. En la tapa trasera, hay que recordar que se aloja el rodamiento, entonces la temperatura se eleva más en el centro que en os bordes de la tapa.

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Graficas mediciones en el ducto de Aspiración.

En el ducto de aspiración, se puede medir una temperatura similar a la temperatura ambiente monitoreada a lo largo de la experiencia, esto se debe que el aire al cual es succionado por el soplador, tiene una temperatura ambiente y el trabajo del motor no afecta su temperatura. En el ducto de aspiración no se tabulo una temperatura mayor a los 27°C con los diferentes equipos utilizados. Cabe destacar que el equipo con mejores resultados fue la cámara termografica en este punto.

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EXAMEN TRANSVERSAL Graficas mediciones en el ducto de Descarga.

La temperatura de descarga, se puedo registrar un aumento en comparación a la temperatura del ducto de aspiración, esto se debe a que el aire, luego de ser aspirado, el cual va a una temperatura ambiente, al momento de pasar por la voluta del soplador, este gana temperatura, por el roce con las aspas del motor. El aumento de temperatura en comparación a la aspiración, en la mayoría de los casos fue de un grado y hasta 2 grado Celsius.

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EXAMEN TRANSVERSAL 27. Impacto de integración ERNC y generación distribuida a la eficiencia energética.

En el caso del sistema que generamos se vuelva más eficiente, no utilizamos ERNC, ya que ocupamos la cogeneración para la generación y aprovechamiento de la energía eléctrica. Hoy en día las ERNC contribuyen al objetivo de la eficiencia económica. Chile tiene un enorme potencial, en conjunto de la energía solar, eólica e hidráulica, se genera un total aproximadamente de 1.865.000 MW o más, además de 4.000 MW o más entre energía geotérmica y de biomasa. Cada ERNC tienen impacto hacia el medio ambiente, la energía solar, a simple vista se ve que es una energía bastante limpia, pero tiene impacto hacia lo pecuario, ya que los paneles solares reflejan luz polarizada, lo cual atrae a los insectos acuáticos, que es el principal alimento de los peces, al no tener la alimentación de estos insectos, o sus huevos los cuales los dejan en los paneles solares, esto repercute en los peces y los depredadores de los peces, generando un daño que va en modo cadena. La energía hidroeléctrica tiene impacto a la modificación del medio ambiente, al igual que la energía solar y eólica. Dentro de la energía eólica, genera impacto por el ruido generado y la muerte aves. En relación a la eficiencia, se puede concluir que si las plantas solares, hidroeléctricos y parques eólicos son construidos en una buena ubicación donde se pueda sacar el provecho máximo de su generación, se notará en demasía la eficiencia de las ERNC, ya que como se nombró anteriormente, tendrán el aprovechamiento máximo, logrando una buena generación de energía, la cual puede alimentar a ciudades enteras.

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EXAMEN TRANSVERSAL 28. Variador de frecuencia.

Principio de funcionamiento: El VDF está formado por circuitos que incorporan transistores de potencia como el IGBT o tiristores. El objetivo general del dispositivo es transformar energía eléctrica de frecuencia industrial en energía eléctrica de frecuencia variable. La variación de frecuencia se puede lograr en dos etapas. La primera etapa es la etapa rectificadora que transforma corriente alterna a corriente continua, luego de un circuito intermediario se llega a la etapa inversora que transforma la corriente continua en corriente alterna con frecuencia y tensión regulable.

El VDF genera un ahorro de energía disminuyendo la velocidad del motor, variando la velocidad del motor se permite dos tipos de control: Esta el control manual de velocidad: el sentido de giro y la velocidad puede ser modificada manualmente. El control automático de velocidad: a través de realimentadores la velocidad puede ser ajustada automáticamente. La rectificación se produce ya que los diodos conmutan cíclicamente sobre las fases en corriente continua.

Ventajas de un variador de frecuencia.

Reduce el consumo de energía: si se implementa en un proceso el cual no es necesario que el equipo este trabajando a máxima velocidad, se puede disminuir el consumo mediante el control de velocidad de giro. Aumenta la vida útil y reducir la mantención de equipos: como el vdf controla la frecuencia y la tensión, este proporciona mayor protección frente a sobrecargas eléctricas y térmicas El variador de frecuencia permite ajustar la velocidad a los requerimientos de la carga. Aumentar la vida útil y reducir la mantención de equipos: Como el VDF controla la frecuencia y la tensión, este proporciona mayor protección frente a sobrecargas eléctricas y

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EXAMEN TRANSVERSAL térmicas, protección de fase, bajo y sobre voltaje, etc. Además, es posible evitar las partidas y frenadas bruscas mediante el control de la tensión en esas etapas.

Aplicación de VDF.

Existen diferentes aplicaciones las cuales deben ser evaluados individualmente. por ejemplo, cuando son utilizados en bombas centrifugas o ventiladores, un dispositivo ahorra energía al momento de ajustar la velocidad en un punto más eficiente. El ahorro puede llegar a ser de un 60% sobre los motores de velocidad fija con control de válvula. El ahorro es suficiente para lograr recuperar la inversión a un corto periodo de tiempo.

Este variador será utilizado en el área donde se encuentra el equipo de aspirado y soplado otorgando un mejor rendimiento al equipo.

29. Condiciones de procesos productivos (según mediciones obtenidas).

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             

Ajustes Hi/Lo: se refiere a los ajustes altos y bajos que puede tener la termocupla termopar. Velocidad síncrona: corresponde a la velocidad que alcanzara teóricamente el motor sin ninguna carga mecánica o trabajo. (como se trabajó en las mediciones). Calor: es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, es una energía en tránsito, por eso no tiene sentido hablar de calor almacenado en un cuerpo. Temperatura: es una magnitud física con la cual se puede medir el calor, cuanto mayor sea la velocidad de las partículas, mayor será su energía interna lo cual generara mayor calor. Onda electromagnética: es el número de ciclos que realiza en cada segundo, se denomina con la letra “f” y se mide en hercios (es decir en ciclos por segundo). Ondas luminosas: son ondas electromagnéticas y transversales en su mayoría, se propaga en línea recta, la onda luminosa forma parte del espectro electromagnético visible. Espectro electromagnético: es un fenómeno que genera luminosidad a determinada longitud de onda. “efectivamente lo que cambia en el medio mientras la luz se propaga son pequeños campo eléctricos y magnéticos, por eso la onda luminosa se la llama onda electromagnética. Subyacente: deriva del latín, más exactamente de la palabra “subiacentis”, que se traduce como, “el que está extendiendo por debajo. Climatización: creación de condiciones de temperatura, humedad e higiene del aire adecuadas para conseguir el confort y comodidad dentro de un habitad de trabajo o maquina industrial. Formato jpeg: archivo gráfico que se utiliza para mostrar imágenes en color de alta resolución, aplican un esquema de compresión especificado y puede reducir considerablemente los tamaños de archivos grandes asociados a imágenes en color con realismo fotográfico. Modo gris (cámara termografía): normalmente la gente las asimila con las cámaras nocturnas, pero en realidad son cámaras termografícas que identifican los cuerpos a distintas temperaturas en escala de blanco, grises y negros. Grados Celsius °C: unidad estándar para medir temperatura en el sistema métrico, que registra el punto de congelación del agua como 0° y el punto de ebullición como 100° en condiciones atmosféricas normales. Punto de ebullición: es una etapa de la trasformación de la materia que pasa de líquido a gaseoso. Sistema métrico: se refiere a que usa unidades como el metro, litro y gramo. Para medir longitud, volumen líquido y masa.

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