TRABAJO ENCARGADO

Ejemplo 1: Ciclo Rankine Bsico

a) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presin del condensador es 80 kPa. El caldero trabaja a una presin de 3 MPa y genera vapor a 400C. El flujo msico es de 1 kg/s. Especificar la termodinmica de las etapas del ciclo. Analizar el efecto de la temperatura del vapor sobrecalentado sobre la eficiencia del ciclo.Solucin: Abrimos una hoja nueva en el programa termograf v5.7 y para el siguiente problema seria Ts( temperatura vs entropa) seguidamente indicamos el tipo de gas en este caso gas real ; tambin indicamos el tipo de sustancia (agua) segn el problema ; variamos las unidades segn el problema para la presin en bar , temperatura en C , volumen en ltr,el flujo masico en kg/s ya que por defecto nos dan en kg y eso se puede realizar llendo a la pestaa anlisis-anlisis de unidades- potencia Seguidamente insertamos un nuevo ciclo (ciclo de rankine ideal de potencia) indicamos los puntos de una forma ordenada eh ingresamos lo datos para el condensador 80KPa que en bar seria 0.8 bar y para el caldero 3MPa que en bar seria 30bar y en el estado dos tiene un temperatura de 400C y el flujo masico que seria 1 kg/s.

El cual la eficiencia del ciclo seria de 26.5%y la potencia 750.266 KW Al aumentar la temperatura el ciclo tiene una mayor eficiencia tal como muestra siguiente grfico.

b) En base al proceso anterior, cul sera la mnima calidad de vapor descargado por la turbina?

Es 0.91

c) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presin del condensador es 1 psia. El caldero trabaja a una presin de 1250 psia y genera vapor a 1000F. El flujo msico es de 14 lb/s. Especificar la termodinmica de las etapas del ciclo.Solucin: al igual que en el ejemplo 1a seguimos los mismos pasos variando las unidades de presin en psia y de temperatura en F y el flujo masico en lb/s

la eficiencia del ciclo es de 41.2% y la potencia es de 8220.04 BTU/s

d) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presin del condensador es 10 kPa. El caldero trabaja a una presin de 6 MPa y genera vapor a 600C. El flujo msico es de 80 kg/s. Especificar la termodinmica de las etapas del ciclo.Solucin: al igual que en el ejemplo 1a seguimos los mismos pasos cambiando los datos.

la eficiencia del ciclo es de 39.9% y la potencia es de 1.105e5 KW

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

Ejemplo 2: Ciclo Rankine

a) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presin del condensador es 80 kPa. El caldero trabaja a una presin de 3 MPa y genera vapor a 400C. El flujo msico es de 1 kg/s. La bomba tiene una eficiencia de 85% y la turbina de 88%.

Especificar la termodinmica de las etapas del ciclo. Analizar la eficiencia del ciclo en funcin de la eficiencia de la turbina.Solucin: Abrimos una hoja nueva en el programa termograf v5.7 y seleccionamos el siguiente diagrama Ts( temperatura vs entropa) seguidamente indicamos el tipo de gas en este caso gas real ; tambin indicamos el tipo de sustancia (agua) segn el problema ; variamos las unidades segn el problema para la presin en bar , temperatura en C , volumen en ltr,el flujo masico en kg/s ya que por defecto nos dan en kg y eso se puede realizar yendo a la pestaa anlisis-anlisis de unidades- potencia Seguidamente insertamos un nuevo ciclo (ciclo de rankine ideal de potencia) indicamos los puntos de una forma ordenada eh ingresamos lo datos para el condensador 80KPa que en bar seria 0.8 bar y para el caldero 3MPa que en bar seria 30bar y en el estado dos tiene un temperatura de 400C y el flujo masico que seria 1 kg/s. Para poder modificar la eficiencia de la bomba y la turbina nos vamos al proceso 4-1 en el caso de la bomba men proceso y seleccionamos irreversible bomba de la misma manera para la turbina seleccionamos el proceso 2-3 y bomba men proceso y seleccionamos irreversible turbina y modificamos por la eficiencia que nos brinca el problema.

El ciclo tiene un eficiencia de 23.3% y tiene una potencia de 659.336 kW

Con estos resultados podemos analizar que mientras menor sea la eficiencia turbina menor va ser la eficiencia del ciclo.

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

Al agregar al ciclo anterior una vlvula de estrangulamiento realizo un cambio a todo el ciclo tanto que su eficiencia bajo hasta los 21.1% y su potencia en 599.072 y tambin hubo una leve reduccin de temperatura ya que eso es comn en la mayora de los gases reales a condiciones de presin y temperatura moderada.

c) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presin del condensador es 7,5 kPa. El caldero trabaja a una presin de 17 MPa y genera vapor a 550C. El flujo msico es de 80 kg/s. La bomba tiene una eficiencia de 75% y la turbina de 85%. Especificar la termodinmica de las etapas del cicloSolucin: Seguimos los mismo pasos del ejemplo 2.a variando los datos.

La eficiencia del ciclo es del 36.6% y la potencia es de 94688.3 kW

Ejemplo 3: Ciclo Rankine (Recalentamiento)

a) Determinar la eficiencia y la potencia de un ciclo Rankine usando vapor. La presin del condensador es 5 psia. El caldero trabaja a una presin de 1600 psia y genera vapor a 800F. El vapor es expandido en una turbina ideal hasta 500 psia, para luego ser recalentado hasta 800F. El flujo msico es de 800 kg/h.

Especificar la termodinmica de las etapas del ciclo.

La eficiencia del ciclo es de 36.8% y su potencia es de 9.076e5 BTU/h

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

la eficiencia bajo hasta un 28.4% y su potencia es de 6.852e5 BTU/h

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

Su eficiencia es de 28.7% y su potencia es de 31720 kW

Se puede analizar que mientras mayor sea la presin en la turbina 1 mayor es la eficiencia en el ciclo.

d) Se va a implementar un proceso de generacin de potencia, en base al ciclo Rankine. Se dispone de un caldero que genera vapor a 7 MPa y 450C. El condensador trabajar a 1 bar. El flujo msico ser de 40 kg/s. La bomba tiene una eficiencia del 80%. Se tiene dos alternativas para las turbinas: - Alternativa N1: una sola turbina (eficiencia: 80%) - Alternativa N2: tres turbinas (eficiencia: 80%). La primera descarga vapor a 300C y luego se recalienta hasta 400C. La segunda descarga vapor a 250C y se recalienta hasta 350C. Analizar ambas alternativas y proponer una de ellas.Alternativa N1:

El ciclo tiene un eficiencia de 24.4% con una solo turbinaAlternativa N2

Este ciclo tiene una eficiencia de 26.1% Analizando ambas alternativas podemos darnos cuenta que si nos vamos por la parte de calidad la alternativa 2 seria la mejor ya que tiene una mayor eficiencia pero si nos vamos por lo econmico elegira la alternativa 1 porque con solo una turbina tiene una eficiencia de 24.4% que no est muy alejado a la eficiencia de la alternativa 2 que tiene 3 turbinas.Ejemplo 4: Ciclos de Combustin Interna

a) Se tiene una mquina de Otto, que inicia su proceso de compresin a 100 kPa y 27C. Luego la mezcla combustible se comprime hasta obtener una relacin de compresin igual a 8. El calor generado por la combustin es de 700 kJ/kg de mezcla.

Determinar la eficiencia del ciclo y el trabajo generado, adems de la termodinmica de las etapas del ciclo. Para esto, considere que el fluido antes y despus de la combustin tiene un comportamiento semejante al aire. La masa del fluido es de 0,01 kg. Analizar el efecto de la relacin de compresin, sobre la eficiencia y el trabajo producido.

Solucion:

El ciclo tiene un eficiencia de 50.5% y un trabajo de 700 KJ Analizamiento del efecto de la relacin de compresin, sobre la eficiencia y el trabajo producido.Llegamos a analizar que mientras mayor sea la relacin de compresin en un ciclo de otto mayor ser su eficiencia y su trabajo tal como muestran los siguientes datos obtenidos.

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

el ciclo tiene un eficiencia de 34.9% .

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

El ciclo tiene un eficiencia de 59.9%

d) En base al enunciado del apartado (a); se considera que el proceso de combustin puede representarse mediante dos etapas. La primera es isocrica, y en ella se genera el 40% de la energa de combustin. La segunda etapa es isobrica, generndose la energa restante. Recalcular.

Ejemplo 5: Ciclos de Transferencia Externa de Calor

a) Una mquina, basada en el ciclo Stirling, opera con 0,1 kg de N2, entre 1000C y 30C. La mxima y mnima presin que se alcanza en el ciclo son 3 MPa y 500 kPa. Realizar un anlisis termodinmico del proceso. Solucin:

b ) En base al enunciado anterior, repetir el anlisis pero en base al ciclo Ericsson: solucin: