PARCIAL 2DO CORTE DE MAQUINAS TERMICAS

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PARCIAL 2DO CORTE DE MAQUINAS TERMICAS 
 
 
 
 
ENTREGADO POR 
FERNANDO MIGUEL SOLAR DORIA 
HERNAN HERNANDEZ ESCUDERO 
 
 
 
 
PRESENTADO A 
ING. JESUS DAVID RHENALS JULIO 
 
 
 
 
 
 
MAQUINAS TERMICAS 
INGENIERIA MECANICA 
FACULTAD DE INGENIERIAS 
UNIVERSIDAD DE CORDOBA 
MONTERIA-CORDOBA 
COLOMBIA 
AÑO 2023 
 
Punto 1. 
Usted debe resolver los siguientes ejercicios en pareja y obligatoriamente usando el software 
EES. 
1. [75%] En un lugar de la mancha, de cuyo nombre no quiero acordarme… opera una central 
de generación de energía con ciclo Brayton de gas simple como se muestra en la figura. 
 
 
Los directivos de la central están dispuestos a hacer una inversión para mejorar la eficiencia 
del ciclo y para ello tienen un tope de capital de 150 MCOP, usted es contratado por la 
empresa para realizar la reforma de la planta con miras a la optimización de la eficiencia, por 
lo que debe elegir alternativas para la mejorar la eficiencia y elaborar un informe con los 
cálculos que soporten su elección. Para ello suponga que el fluido de trabajo necesario se 
tiene disponible con un costo despreciable. A continuación, se presentan las alternativas 
disponibles en el mercado con sus costos y condiciones de funcionamiento. 
 
Con cualquier alternativa que usted elija se debe gastar el 85% del presupuesto total 
disponible y el informe debe mostrar claramente alternativa planteada, condiciones de 
operación y costo, además se debe calcular la relación potencia neta/costo y la relación 
eficiencia/costo. 
 
 
 
CODIGO EN EES 
"Datos de entrada" 
P_ratio = 10 
T_1 = 303 [K] 
P_1= 100 [kPa] 
P_2= 1000 [kPa] 
P_3= 1015 [kPa] 
T_3 = 1373 [K] 
P_4= 100 [kPa] 
m_dot = 2 [kg/s] 
Eta_c = 80/100 
Eta_t = 85/100 
"Condiciones de entrada" 
h_1=ENTHALPY(Air,T=T_1) 
Z_1=CompressibilityFactor(Air,T=T_1,P=P_1) 
 
"Analisis del compresor" 
Z_2=P_ratio*Z_1 
h_s2= 580.2 
T_2s=Temperature(Air,h=h_s2) 
Eta_c =(h_s2-h_1)/(h_2-h_1) 
W_c=h_2-h_1 
 
"Calentador analisis" 
h_3=ENTHALPY(Air,T=T_3) 
Q_in= h_3-h_2 
 
"Analisis de la turbina" 
Z_3=CompressibilityFactor(Air,T=T_3,P=P_3) 
P_ratio2= P_4 /P_3 
Z_4=P_ratio2*Z_3 
h_s4=765 
T_4s=Temperature(Air,h=h_s4) 
h_4=h_3 - Eta_t*(h_3-h_s4) 
W_t=h_4-h_1 
 
"Analisis del ciclo" 
W_net=W_t-W_c 
Eta=W_net/Q_in 
Bwr=W_c/W_t 
 
 
 
 
 
 
 
 
Alternativa 1: 
 
 
Eficiencia térmica del ciclo Brayton con aire: 
 
Trabajo neto (kW): 
 
Relación potencia neta-costo: 
 
Elemento Costo (Millones de COP) 
Compresor 3,47*4=13,88 
Recalentador 8,42 
Turbina 39,6/0,4=99 
TOTAL 121,3 
 
 
𝑘𝑊
𝑀𝐶𝑂𝑃
=
342,7
121,3
= 2,82 𝑘𝑊/𝑀𝐶𝑂𝑃 
 
Relación eficiencia-costo: 
 
𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜
=
27,76
121,3
= 0,22 
 
 
 
PARAMETROS A MEJORAR PARA NUEVAS ALTERNATIVAS 
1. Mejorando la presión de entrada: 
 
Si mejoramos la presión de suministro se obtendrá un aumento en la eficiencia energética de 
27,77% a un 47,27% lo cual es una mejora significativa. 
 
Y por otra parte el trabajo neto aumentara de 342.7kW a 917.9kW, que es casi el triple en 
potencia lo que entrega la turbina, la forma más viable es colocando una bomba antes de 
entrar al compresor, el fluido de trabajo tendría que ser agua. 
2. Haciendo que el calentador tenga una caída de presión mayor. 
 
Vemos un aumento un poco significativo de 27,76% a 31,47% aumentado la caída de presión 
en el calentador de 15kPa a casi 100kPa. 
 
Y un aumento poco significativo en la potencia neta de 342,7kW a 453,1kW. 
3. Disminuyendo la temperatura que entra a la turbina o disminuyendo el calor que genera 
el calentador. 
 
Colocando un enfriador de gas se puede mejorar notablemente la eficiencia térmica del ciclo 
o simplemente haciendo que el calentador no consuma tanta energía. 
 
Pero el trabajo entregado tiende a ser negativo por supuesto ya que la diferencia de entropías 
y temperaturas es mínima y negativa, por lo cual queda totalmente descartado. 
4. Disminuyendo la presión de salida de la turbina. 
 
Si reducimos de 100kPa a 25kPa obtendremos aproximadamente una eficiencia térmica del 
55% que es casi el doble de la eficiencia del ciclo general. 
 
Y la potencia neta también aumenta de 342,7kW a 840kW que es mas de dos veces la potencia 
del ciclo principal, siendo una opción a tener cuenta y se podría lograr colocando una bomba. 
 
PUNTO 2 
 
"Ejercicio 1" 
 
m_dot= 2 [kg/s] 
k=1.4 
c_p=1.005 
r=P_2/P_1 
eta_c=0.80 
eta_t=0.85 
"Datos iniciales" 
 
T_1=303 [K] 
P_1=100[kPa] 
 
P_2=1000[kPa] 
T_2s=T_1*(r)^((k-1)/k) 
eta_c=(T_2s-T_1)/(T_2-T_1) 
 
P_3=985 [kPa] 
T_3= 1373 [K] 
 
P_4=P_1 
T_4s=T_3*(r)^ ((k-1)/k) 
eta_t=(T_3-T_4)/(T_3-T_4s) 
 
"Trabajo de turbinas y compresor" 
 
w_c= c_p*(T_2-T_1) 
w_t=c_p*(T_3-T_4) 
 
W_neto= (w_t)-(w_c) 
 
Q_in=c_p*(T_3-T_2) 
 
 
eta_th=W_neto/Q_in 
 
"ciclo brayton ideal con regeneración Interenfriamiento y recalentamiento" 
 
P_1i=100[kPa] 
r_i=10 
T_1i=303 [K] 
T_6i= 1373 [K] 
T_2i=T_1i*(r_i)^((k-1)/k) 
T_7i=T_6i*(r_i)^((k-1)/k) 
w_ci= 2*c_p*(T_2i-T_1i) 
w_ti=2*c_p*(T_6i-T_7i) 
W_netoi= (w_ti)-(w_ci) 
T_1i=T_3i 
T_6i=T_8i 
T_2i=T_4i 
T_2i=T_10i 
T_5i=T_7i 
T_5i=T_9i 
Q_ini=2*m_dot*c_p*(T_6i-T_5i) 
Q_outi=2*m_dot*c_p*(T_10i-T_1i) 
eta_thi=W_netoi/Q_ini 
mejora_eficiencia=eta_thi-eta_th 
"costos" 
turbina_gas=39.60/r_i 
turbiba_compresor=3.47*r_i 
camara_mezclado=0.85*3*m_dot 
costo=camara_mezclado+turbina_gas+turbiba_compresor 
inversion=mejora_eficiencia*costo 
 
 
 
Tabla 1. Generación total. 
 
 
Figura 1. Relación unidad-combustible. 
 
 
Figura 2. Relación unidad-generación total.