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• MarioArellanoVilchez

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LABORATORIO DE TERMODINAMICA II Ejemplo 1: Ciclo Rankine Básico a) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presión del condensador es 80 kPa. El caldero trabaja a una presión de 3 MPa y genera vapor a 400°C. El flujo másico es de 1 kg/s. Especificar la termodinámica de las etapas del ciclo. Analizar el efecto de la temperatura del vapor sobrecalentado sobre la eficiencia del ciclo. DESARROLLO: En una hoja nueva del programa termograf v5.7, realizamos un grafico del ciclo Rankine (temperatura vs entropía)   

Tipo de gas: gas real. Tipo de sustancia: agua. Unidades: presión (bar), temperatura (ºC), volumen (L), flujo masico (kg/s).

Insertamos los ciclos indicando los puntos de forma ordenada. Ingresamos datos:    

Condensador: 80 kPa=0.8 bar Caldero: 3MPa=30bar Estado 2: 400ºC Flujo masico: 1 kg/s

DATOS TERMODINAMICOS:

  

Eficiencia del ciclo: 26.5% Potencia: -750.266 KW Al Analizar el efecto de la temperatura del vapor sobrecalentado sobre la eficiencia del ciclo se obtuvo:

b) En base al proceso anterior, ¿cuál sería la mínima calidad de vapor descargado por la turbina?

La mínima calidad de vapor es: 0.91722

c) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presión del condensador es 1 psia. El caldero trabaja a una presión de 1250 psia y genera vapor a 1000°F. El flujo másico es de 14 lb/s. Especificar la termodinámica de las etapas del ciclo. DESARROLLO: Unidades: Presión: psia Temperatura: ºF Flujo masico: lb/s

DATOS TERMODINAMICOS

 

Eficiencia del ciclo: 41.2% Potencia: -8220.04 BTU/s

d) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presión del condensador es 10 kPa. El caldero trabaja a una presión de 6 MPa y genera vapor a 600°C. El flujo másico es de 80 kg/s. Especificar la termodinámica de las etapas del ciclo. DESARROLLO: Cambiando datos obtenemos el siguiente gráfico:

DATOS TERMODINAMICOS

 

Eficiencia del ciclo: 39.9% Potencia: -1.105e5 KW

e) Determinar la eficiencia y el flujo másico de un ciclo Rankine usando vapor. La presión del condensador es 40 kPa. El caldero trabaja a una presión de 5 MPa y genera vapor a 500°C. La potencia de la turbina es 20 MW. Especificar la termodinámica de las etapas del ciclo.

DATOS TERMODINAMICOS:

Ejemplo 2: Ciclo Rankine a) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presión del condensador es 80 kPa. El caldero trabaja a una presión de 3 MPa y genera vapor a 400°C. El flujo másico es de 1 kg/s. La bomba tiene una eficiencia de 85% y la turbina de 88%. Especificar la termodinámica de las etapas del ciclo. Analizar la eficiencia del ciclo en función de la eficiencia de la turbina. DESARROLLO En una hoja nueva del programa termograf v5.7, realizamos un gráfico del ciclo Rankine (temperatura vs entropía)   

Tipo de gas: gas real. Tipo de sustancia: agua. Unidades: presión (bar), temperatura (ºC), volumen (L), flujo masico (kg/s).

Insertamos los ciclos indicando los puntos de forma ordenada. Ingresamos datos: 

Condensador: 80 kPa=0.8 bar

  

Caldero: 3MPa=30bar Estado 2: 400ºC Flujo masico: 1 kg/s

Modificamos la eficiencia de la bomba y la turbina en el proceso 4-1.

  

Eficiencia del ciclo: 23.3% Potencia: 659.336 kW Al Analizar el efecto de la temperatura del vapor sobrecalentado sobre la eficiencia del ciclo se obtuvo

A menor eficiencia de la turbina menor es la eficiencia del ciclo.

b) En base al proceso anterior, si se instala una válvula de estrangulamiento, antes del ingreso a la turbina, que reduce la presión hasta 2,5 MPa. Determinar la eficiencia, la potencia y la termodinámica de todo el proceso.

La eficiencia disminuyo hasta los 21.1% y la potencia en 5990.72, la temperatura bajo levemente.

c) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presión del condensador es 7,5 kPa. El caldero trabaja a una presión de 17 MPa y genera vapor a 550°C. El flujo másico es de 80 kg/s. La bomba tiene una eficiencia de 75% y la turbina de 85%. Especificar la termodinámica de las etapas del ciclo DESARROLLO Ingresamos los datos.

DATOS TERMODINAMICOS

 

Eficiencia del ciclo: 36.6% Potencia: 94688.3 kW

Ejemplo 3: Ciclo Rankine (Recalentamiento) a) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presión del condensador es 5 psia. El caldero trabaja a una presión de 1600 psia y genera vapor a 800°F. El vapor es expandido en una turbina ideal hasta 500 psia, para luego ser recalentado hasta 800°F. El flujo másico es de 800 kg/h. Especificar la termodinámica de las etapas del ciclo. DESARROLLO: Ingresamos datos.

DATOS TERMODINAMICOS

 

Eficiencia del ciclo: 36.8% Potencia: 9.076e5 BTU/h

b) Recalcular el problema anterior, considerando que las turbinas tienen eficiencias de 80% y 75%, mientras que la bomba 70%.

 Eficiencia bajo hasta: 28.4%  Potencia: 6.852e5 BTU/h

c) Un ciclo Rankine trabaja con una presión del condensador igual a 60 kPa. El caldero genera vapor a 4,2 MPa y 600°C. El vapor es expande en un turbina (con una eficiencia de 85%) hasta 800 kPa, y luego es recalentado hasta 550°C. Finalmente, el vapor ingresa a otra turbina (eficiencia: 80%). El flujo másico es 30 kg/s, y la bomba tiene una eficiencia del 70%. Especificar la termodinámica de las etapas del ciclo. Analizar el efecto de la presión de descarga de la primera turbina sobre la eficiencia del proceso.

DATOS TERMODINAMICOS



Eficiencia: 28.7%

 

Potencia: 31720 Kw Al analizar el efecto de la presión de descarga de la primera turbina sobre la eficiencia del proceso se obtuvo:

A mayor presión en la turbina (1), mayor será la eficiencia del ciclo. d) Se va a implementar un proceso de generación de potencia, en base al ciclo Rankine. Se dispone de un caldero que genera vapor a 7 MPa y 450°C. El condensador trabajará a 1 bar. El flujo másico será de 40 kg/s. La bomba tiene una eficiencia del 80%. Se tiene dos alternativas para las turbinas: - Alternativa N°1: una sola turbina (eficiencia: 80%) - Alternativa N°2: tres turbinas (eficiencia: 80%). La primera descarga vapor a 300°C y luego se recalienta hasta 400°C. La segunda descarga vapor a 250°C y se recalienta hasta 350°C. Analizar ambas alternativas y proponer una de ellas. Alternativa N°1:



Con una sola turbina la eficiencia del ciclo es: 24.4%

Alternativa N°2



Eficiencia del ciclo: 26.1%

Analizaremos en dos términos calidad y economía: *Para la alternativa 2, su eficiencia es mayor: calidad *Para la alternativa 1, solo una turbina tiene como eficiencia 24.4%, un porcentaje cercano al de la alternativa 2 (tres turbinas): económico

Ejemplo 4: Ciclos de Combustión Interna a) Se tiene una máquina de Otto, que inicia su proceso de compresión a 100 kPa y 27°C. Luego la mezcla combustible se comprime hasta obtener una relación de compresión igual a 8. El calor generado por la combustión es de 700 kJ/kg de mezcla. Determinar la eficiencia del ciclo y el trabajo generado, además de la termodinámica de las etapas del ciclo. Para esto, considere que el fluido antes y después de la combustión tiene un comportamiento semejante al aire. La masa del fluido es de 0,01 kg. Analizar el efecto de la relación de compresión, sobre la eficiencia y el trabajo producido.

DESARROLLO: Ingresamos datos:

DATOS TERMODINAMICOS:

 

Eficiencia del ciclo: 50.5% Trabajo: 700 KJ

Al analizar el efecto de la relación de compresión, sobre la eficiencia y el trabajo producido llegamos a la conclusión que a mayor relación de compresión en un ciclo de otto mayor será la eficiencia y el trabajo del mismo.

b) Repetir el enunciado anterior, en base al ciclo Diesel.

DATOS TERMODINAMICOS:



Eficiencia del ciclo: 34.9%

c) Repetir el enunciado anterior, en base al ciclo Atkinson.

DATOS TERMODINAMICOS:

d) En base al enunciado del apartado (a); se considera que el proceso de combustión puede representarse mediante dos etapas. La primera es isocórica, y en ella se genera

el 40% de la energía de combustión. La segunda etapa es isobárica, generándose la energía restante. Recalcular.

Ejemplo 5: Ciclos de Transferencia Externa de Calor a) Una máquina, basada en el ciclo Stirling, opera con 0,1 kg de N2, entre 1000°C y 30°C. La máxima y mínima presión que se alcanza en el ciclo son 3 MPa y 500 kPa. Realizar un análisis termodinámico del proceso. DESARROLLO: Ingresamos datos.

DATOS TERMODINAMICOS:

f) En base al enunciado anterior, repetir el análisis pero en base al ciclo Ericson:

DATOS TERMIDINAMICOS: