Siguienrdo con la línea de mis anteriores artículos, el almacenamiento de energía en forma de calor sensible es el proceso fundamental del sistema de almacenamiento energético que en su día diseñé.
El presente artículo explica los conceptos básicos del calor sensible, y muestra unos cálculos orientativos que señalan a esta forma de energía como la ideal para llevar a cabo el almacenamiento estacional, bajo las condiciones sobre las que se pretende trabajar.
Conceptos básicos del calor sensible
Si se considera un fluido con una temperatura inferior a su temperatura crítica, capaz de condensarse y vaporizarse, pueden ser contemplados diferentes estados del mismo, dependiendo básicamente de la adición/extracción de energía que se produzca sobre él.
Calor sensible representa la energía aportada o extraída al fluido cuando se aumenta o reduce su temperatura, manteniendo su estructura interna prácticamente constante (el fluido es calentado o enfriado a presión constante).
Por lo tanto la energía Q empleada en aumentar o reducir la temperatura del fluido D T puede ser deducida de la siguiente fórmula:
Q=mCpD T
Donde
m : masa del fluido
Cp : calor específico del fluido a presión constante
D T: incremento de temperatura
Cuando calor sensible es aportado al fluido, bajo condiciones de presión constante, éste sigue la isobara de la Zona A de la figura (líquido), incrementando su temperatura hasta que alcanza su Curva Límite Inferior (CLI). En ese momento el fluido entra en la Zona B, (vapor húmedo). El entrar en esta zona supone un cambio de fase en el que energía en forma de calor latente esta también involucrada.
El fluido libera calor sensible al recorrer la isobara en sentido contrario, o lo que es lo mismo al reducir su temperatura.
De este modo energía puede ser tanto almacenada como extraída de un fluido aumentando o reduciendo su temperatura a presión constante.
Almacenamiento de calor sensible
En el proceso de almacenaje de calor sensible, energía es almacenada por el fluido al calentarlo. Cuando se trabaja con temperaturas que rondan los 30° C, el agua es el medio de almacenaje de calor sensible más atractivo, debido a su alto calor específico.
En el caso de un invernadero, es normal que se registren temperaturas superiores a las temperaturas interiores establecidas, sobretodo en los periodos calurosos del año. Para reducir su temperatura interior hasta alcanzar valores cercanos a los deseados (valores que dependerán del tipo de cultivo, día o noche, época del año…), es muy común abrir las ventanas del invernadero, e incluso las puertas en situaciones extremas. El proceso que aquí se presenta pretende almacenar toda esta energía que se «desperdicia» a través de las ventanas en los periodos calurosos del año, en forma de calor sensible usando el agua como fluido de almacenaje. A su vez esta energía sería utilizada en momentos de necesidades energéticas.
Cálculos Básicos
El almacenaje de energía en forma de calor sensible usando agua como medio es un proceso bien definido, pero por otro lado el volumen de agua a tratar podría ser un problema difícil de solucionar, por lo que unos cálculos iniciales a cerca de estos parámetros, aunque básicos, se hacen necesarios.
A continuación se procede a calcular el volumen de agua necesario para cubrir las necesidades energéticas de mantenimiento de un invernadero, para el periodo de un año. Un invernadero medio necesita 10 m3 de gas natural/m2 para mantener sus parámetros estables. Por lo tanto este valor tendrá que ser igual a la cantidad de calor sensible almacenado en el agua, durante un año.
Es importante resaltar que el fenómenos de extracción de energía del invernadero, transporte, almacenaje y posterior recuperación se realizan por medio de calentar/enfriar el agua, así que un salto de temperaturas ha de ser considerado entre el agua que entra y sale del deposito. 50K son considerados, dato que esta en los limites de lo normal, como se muestra en los experimentos de Fu Tsang et al, 1981.
Por lo tanto recordando la ecuación de calor sensible Q=mCpD T y sabiendo que la energía que se necesita es 10 m3 de gas natural/m2, se puede decir:
10 m3 of gas natural/m2=(10*30) 106 Jm-2=3 108Jm-2 =m Cp D T
Donde
-D T=50K
-Cp(Agua)= 4.18 103 J kg-1/K
-m= masa de agua (kg)
de donde se obtiene:
Esto significa que se necesitan aproximadamente 1500 kg agua/m2 de invernadero por año para mantener un invernadero con dichas necesidades energéticas (10 m3 gas natural/m2 invernadero año).
En definitiva, este sistema nos permitirá almacenar energía en los momentos que sobra y utilizarla en los momentos que se necesita, tanto para cubrir las necesidades energéticas del invernadero, como para usarla para otro tipo de procesos, trabajando con volúmenes de agua razonables.
En el siguiente artículo os mostraré el módelo empleado para aprovechar este calor sensible en un invernadero de alta tecnología, para periodos estacionales de tiempo, concretamente de verano a invierno.
Que vaya bien.
Juan Martínez Climent
MSc Agricultural Enginner WAU
Ingeniero Agrónomo UPV