El calor residual es calor producido por una máquina , u otro proceso que utiliza energía , como subproducto de realizar trabajo . Todos estos procesos desprenden algo de calor residual como resultado fundamental de las leyes de la termodinámica . El calor residual tiene menor utilidad (o en el léxico de la termodinámica una menor exergía o una mayor entropía ) que la fuente de energía original. Las fuentes de calor residual incluyen todo tipo de actividades humanas, sistemas naturales y todos los organismos; por ejemplo, las bombillas incandescentes se calientan, un refrigerador calienta el aire de una habitación, un edificio se calienta durante las horas pico, un motor de combustión interna genera altas temperaturas. Los gases de escape y los componentes electrónicos se calientan durante el funcionamiento.
En lugar de "desperdiciarse" liberándolo al ambiente, a veces el calor (o el frío) residual se puede utilizar mediante otro proceso (como el uso de refrigerante de motor caliente para calentar un vehículo), o una parte del calor que de otro modo se desperdiciaría se puede desperdiciar. reutilizarse en el mismo proceso si se agrega calor de reposición al sistema (como ocurre con la ventilación con recuperación de calor en un edificio).
El almacenamiento de energía térmica , que incluye tecnologías para la retención de calor o frío a corto y largo plazo, puede crear o mejorar la utilidad del calor (o frío) residual. Un ejemplo es el calor residual de la maquinaria de aire acondicionado almacenado en un tanque intermedio para ayudar en la calefacción nocturna. Otro es el almacenamiento de energía térmica estacional (STES) en una fundición en Suecia. El calor se almacena en el lecho de roca que rodea un grupo de pozos equipados con intercambiadores de calor y se utiliza para calentar espacios en una fábrica adyacente según sea necesario, incluso meses después. [1] Un ejemplo de uso de STES para aprovechar el calor residual natural es la Comunidad Solar Drake Landing en Alberta , Canadá, que, mediante el uso de un grupo de pozos en el lecho de roca para el almacenamiento de calor entre estaciones, obtiene el 97 por ciento de su calor durante todo el año a partir de energía solar. Colectores térmicos en las cubiertas de los garajes. [2] [3] Otra aplicación de STES es almacenar el frío invernal bajo tierra para utilizarlo como aire acondicionado en verano. [4]
A escala biológica, todos los organismos rechazan el calor residual como parte de sus procesos metabólicos y morirán si la temperatura ambiente es demasiado alta para permitirlo.
El calor residual antropogénico puede contribuir al efecto de isla de calor urbana . [5] Las mayores fuentes puntuales de calor residual provienen de las máquinas (como generadores eléctricos o procesos industriales, como la producción de acero o vidrio) y de la pérdida de calor a través de la envolvente de los edificios. La quema de combustibles para el transporte contribuye de manera importante al calor residual.
Las máquinas que convierten la energía contenida en los combustibles en trabajo mecánico o energía eléctrica producen calor como subproducto.
En la mayoría de las aplicaciones energéticas, la energía se requiere en múltiples formas. Estas formas de energía suelen incluir alguna combinación de: calefacción, ventilación y aire acondicionado , energía mecánica y energía eléctrica . A menudo, estas formas adicionales de energía son producidas por un motor térmico que funciona con una fuente de calor de alta temperatura. Un motor térmico nunca puede tener una eficiencia perfecta, según la segunda ley de la termodinámica , por lo tanto un motor térmico siempre producirá un excedente de calor a baja temperatura. Esto se conoce comúnmente como calor residual o "calor secundario" o "calor de baja calidad". Este calor es útil para la mayoría de aplicaciones de calefacción; sin embargo, a veces no resulta práctico transportar energía térmica a largas distancias, a diferencia de la electricidad o la energía combustible. La mayor proporción del calor residual total proviene de centrales eléctricas y motores de vehículos. [ cita necesaria ] Las fuentes individuales más importantes son las centrales eléctricas y las plantas industriales, como refinerías de petróleo y plantas de fabricación de acero . [ cita necesaria ]
Los sistemas de aire acondicionado convencionales son una fuente de calor residual al liberar calor residual al aire ambiente exterior mientras enfrían los espacios interiores. Esta expulsión del calor residual del aire acondicionado puede empeorar el efecto isla de calor urbano . [5] El calor residual del aire acondicionado se puede reducir mediante el uso de diseño de edificios con refrigeración pasiva y métodos de energía cero como el enfriamiento por evaporación y el enfriamiento radiativo pasivo durante el día , el último de los cuales envía el calor residual directamente al espacio exterior a través de la ventana infrarroja . [6] [7]
La eficiencia eléctrica de las centrales térmicas se define como la relación entre la energía de entrada y de salida. Por lo general, es sólo del 33% si se ignora la utilidad de la producción de calor para el calor del edificio. [8] Las imágenes muestran torres de refrigeración que permiten a las centrales eléctricas mantener el lado bajo de la diferencia de temperatura esencial para la conversión de las diferencias de calor en otras formas de energía. En cambio, el calor desechado o "residual" que se pierde en el medio ambiente puede aprovecharse.
Los procesos industriales, como el refinado de petróleo , la fabricación de acero o de vidrio, son fuentes importantes de calor residual. [9]
Aunque pequeña en términos de energía, la eliminación del calor residual de los microchips y otros componentes electrónicos representa un importante desafío de ingeniería. Esto requiere el uso de ventiladores, disipadores , etc. para eliminar el calor.
Por ejemplo, los centros de datos utilizan componentes electrónicos que consumen electricidad para la informática, el almacenamiento y la creación de redes. El CNRS francés explica que un centro de datos es como una resistencia y la mayor parte de la energía que consume se transforma en calor y requiere sistemas de refrigeración. [10]
Los humanos, como todos los animales, producimos calor como resultado del metabolismo . En condiciones cálidas, este calor excede el nivel requerido para la homeostasis en animales de sangre caliente y se elimina mediante varios métodos de termorregulación , como la sudoración y el jadeo . Fiala et al. Modelado de termorregulación humana. [11]
El calor de baja temperatura contiene muy poca capacidad para realizar trabajo ( exergía ), por lo que el calor se califica como calor residual y se rechaza al medio ambiente. Económicamente lo más conveniente es expulsar ese calor al agua de un mar , lago o río . Si no se dispone de suficiente agua de refrigeración, la planta puede equiparse con una torre de refrigeración o un enfriador de aire para expulsar el calor residual a la atmósfera. En algunos casos es posible aprovechar el calor residual, por ejemplo en sistemas de calefacción urbana .
Existen muchos enfoques diferentes para transferir energía térmica a electricidad, y las tecnologías para hacerlo existen desde hace varias décadas.
Un enfoque establecido es utilizar un dispositivo termoeléctrico , [12] donde un cambio de temperatura a través de un material semiconductor crea un voltaje a través de un fenómeno conocido como efecto Seebeck .
Un enfoque relacionado es el uso de celdas termogalvánicas , donde una diferencia de temperatura da lugar a una corriente eléctrica en una celda electroquímica. [13]
El ciclo Rankine orgánico , ofrecido por empresas como Ormat , es un método muy conocido en el que se utiliza una sustancia orgánica como medio de trabajo en lugar de agua. El beneficio es que este proceso puede rechazar el calor a temperaturas más bajas para la producción de electricidad que el ciclo normal de vapor de agua. [14] Un ejemplo de uso del ciclo Rankine de vapor es el motor ciclón de calor residual .
El desperdicio del calor subproducto se reduce si se utiliza un sistema de cogeneración , también conocido como sistema combinado de calor y energía (CHP). Las limitaciones al uso del calor derivado surgen principalmente de los desafíos de costo/eficiencia de ingeniería al explotar eficazmente pequeñas diferencias de temperatura para generar otras formas de energía. Las aplicaciones que utilizan calor residual incluyen calefacción de piscinas y fábricas de papel . En algunos casos, la refrigeración también se puede producir mediante el uso de refrigeradores de absorción , en este caso se llama trigeneración o CCHP (combinación de refrigeración, calor y energía).
El calor residual se puede utilizar en la calefacción urbana . Dependiendo de la temperatura del calor residual y del sistema de calefacción urbana, se debe utilizar una bomba de calor para alcanzar temperaturas suficientes. Una forma fácil y económica de utilizar el calor residual en sistemas de calefacción urbana fría , ya que funcionan a temperatura ambiente y, por lo tanto, incluso el calor residual de baja calidad se puede utilizar sin necesidad de una bomba de calor por parte del productor. [15]
El calor residual se puede forzar a calentar los fluidos y objetos entrantes antes de calentarlos mucho. Por ejemplo, el agua saliente puede ceder su calor residual al agua entrante en un intercambiador de calor antes de calentar viviendas o centrales eléctricas .
El calor antropogénico es el calor generado por los humanos y la actividad humana. La Sociedad Meteorológica Estadounidense lo define como "Calor liberado a la atmósfera como resultado de actividades humanas, que a menudo implican la combustión de combustibles. Las fuentes incluyen plantas industriales, calefacción y refrigeración de espacios, metabolismo humano y gases de escape de vehículos. En las ciudades, esta fuente normalmente contribuye con 15 –50 W/m 2 al balance térmico local, y varios cientos de W/m 2 en el centro de las grandes ciudades en climas fríos y zonas industriales." [16] En 2020, la liberación antropogénica total de energía anual fue de 168.000 teravatios-hora; Dada la superficie de la Tierra de 5,1×10 14 m 2 , esto equivale a una tasa media global de liberación de calor antropogénico de 0,04 W/m 2 . [17] [18]
El calor antropogénico tiene una pequeña influencia en las temperaturas rurales y se vuelve más significativa en las zonas urbanas densas . [19] Es uno de los contribuyentes a las islas de calor urbanas . Otros efectos causados por el hombre (como cambios en el albedo o pérdida de enfriamiento por evaporación) que podrían contribuir a las islas de calor urbanas no se consideran calor antropogénico según esta definición.
El calor antropogénico contribuye mucho menos al calentamiento global que los gases de efecto invernadero . [20] En 2005, el flujo de calor residual antropogénico a nivel mundial representó sólo el 1% del flujo de energía creado por los gases de efecto invernadero antropogénicos. El flujo de calor no se distribuye uniformemente: algunas regiones son más altas que otras, y significativamente más altas en ciertas áreas urbanas. Por ejemplo, el forzamiento global debido al calor residual en 2005 fue de 0,028 W/m 2 , pero fue de +0,39 y +0,68 W/m 2 para los Estados Unidos continentales y Europa occidental, respectivamente. [21]
Aunque se ha demostrado que el calor residual influye en los climas regionales, [22] el forzamiento climático derivado del calor residual normalmente no se calcula en las simulaciones climáticas globales más modernas. Los experimentos climáticos de equilibrio muestran un calentamiento de la superficie a escala continental estadísticamente significativo (0,4–0,9 °C) producido por un escenario 2100 AHF, pero no por las estimaciones actuales o para 2040. [21] Estimaciones simples a escala global con diferentes tasas de crecimiento del calor antropogénico [23] que se han actualizado recientemente [24] muestran contribuciones notables al calentamiento global en los siglos siguientes. Por ejemplo, una tasa de crecimiento del 2% anual del calor residual resultó en un aumento de 3 grados como límite inferior para el año 2300. Mientras tanto, esto ha sido confirmado por cálculos de modelos más refinados. [25]
Un artículo científico de 2008 demostró que si las emisiones de calor antropogénicas continúan aumentando al ritmo actual, se convertirán en una fuente de calentamiento tan fuerte como las emisiones de GEI en el siglo XXI. [26]
Aunque la absorción puede aumentar de forma autónoma en el futuro, depender del aire acondicionado para afrontar el riesgo es una solución potencialmente desadaptativa y expulsa el calor residual al medio ambiente, mejorando así la isla de calor urbana. efecto.
Una de esas alternativas prometedoras es el enfriamiento radiativo, que es un proceso ubicuo de pérdida de calor superficial a través de la radiación térmica.
En lugar de liberar el calor residual al aire ambiente como lo hacen los sistemas de refrigeración convencionales, el enfriamiento radiativo lo descarga pasivamente al espacio exterior.
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