Informe Parcial segundo corte

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PARCIAL CORTE 2
HERNAN DARIO HERNANDEZ ESCUDERO
Ing. JESUS DAVID RHENALS JULIO
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
INGENIERIA MECÁNICA
MONTERÍA 2023-I
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.
Solución punto 1.
Los datos iniciales son:
Luego se definen ciertas condiciones y se hallan las variables restantes y la eficiencia térmica en el ciclo.
Luego, se hallan los trabajos en turbina y compresor
Así, se prosigue a modificar el ciclo Brayton de manera que aumente la eficiencia de este.
Despues, se calculan las temperaturas del ciclo ideal modificado, a demás de la eficiencia.
Finalmente se hallan los costos de los nuevos elementos incorporados al ciclo, los cuales fueron 1 turbina de gas, 1 compresor y 3 cámaras de mezclado.
El total invertido y destinado a la mejora de la eficiencia fue 114,5 MCOP.
Para la relación potencia neta/costo se realizo un grafica que evidencie lo requerido.
Tabla 1.
Grafica 1. Potencia neta vs inversión
De igual forma, para la relación eficiencia/costo se tiene:
Tabla 2.
Gráfica 2. Inversión vs eficiencia
Punto 2.
2. [25%] Se tiene un motor que opera según el ciclo Diesel, con las siguientes características: 
• Relación de compresión: 18:1
 • Temperatura del aire de admisión: 300 K 
• Presión del aire de admisión: 1 bar
 • Eficiencia térmica del ciclo: 42% 
• Precio del combustible diésel: $1.80 por litro 
• Consumo de combustible: 0.23 litros por kWh generado
 • Costo de mantenimiento anual del motor: $30,000 
• Se requiere calcular el costo de generación de energía por kWh considerando los parámetros del ciclo Diesel mencionados.
Consideraciones adicionales: 
• La planta generará 1,500,000 kWh de electricidad al año.
 • El año tiene 365 días.
Usted debe calcular el costo de generación de energía y el costo anual de combustible. Grafique además el diagrama termodinámico del ciclo y evalúe el impacto del incremento de la relación de compresión sobre el costo de consumo de combustible y de generación considerando que por cada una unidad de aumento de la relación de compresión el motor aumenta su costo en un 17%.
Solución punto 2.
Definimos las constantes a temperatura ambiente. La relación de corte se escogió por los valores típicos en los ciclo Diesel.
Los datos iniciales del problema son:
Procedemos a calcular las temperaturas en todos los procesos usando las relaciones isentrópicas de los gases ideales:
Para el proceso 1-2 de compresión isentrópica.
Para el proceso 2-3.
Para el proceso 3-4.
Hallamos los calores de entrada y salida.
Para calcular los costos utilizamos los siguientes datos:
Los resultados obtenidos fueron:
Teniendo en cuenta que por cada una unidad de aumento de la relación de compresión el motor aumenta su costo en un 17%.
En primer lugar, evaluando el impacto del incremento de la relación de compresión sobre el costo de consumo de combustible, obtuvimos la siguiente gráfica:
Tabla 3.
Grafica 3. R vs costo de combustible.
Y luego, evaluando contra el costo de generación:
Tabla 4.
Gráfica 4. R vs costo de generación energia.
Código en EES para el ejercicio 1 
"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
Código en EES para el ejercicio 2.
"Definimos las constantes a temperatura ambiente"
r=18
R_air=0,28
k=1,4
c_p=1,005
c_v=0,718
"La eficiencia termica de ciclo es"
eta_t=0,42
"Asumimos una relacion de corte"
rc=4
"Datos iniciales"
P[1]=100[kPa]
T[1]=300 [K]
"Procedemos a calcular las temperaturas en todos los porocesos usando las relaciones isentrópicas de los gases ideales"
"Para el proceso 1-2 de compresion isentrópica"
v_1= (R_air*T[1])/P[1]
T[2]= T[1]*((r)^(k-1))
P[2]=P[1]*(r)^k
v_2=(v_1)/r
"Para el proceso 2-3"
P[3]=P[2] 
v_3= (rc)*(v_2)
T[3]= T[2]*(rc)
"Para el proceso 3-4 de expansion insentrópica"
v_4=v_1
T[4]= T[3]*((v_3)/(v_4))^(k-1)
P[4]= ((v_3)/(v_4))^k
"Hallamos los calores de entrada y salida"
q_int= c_p*(T[3]-T[2])
q_out=c_v*(T[4]-T[1]) 
w_neto= (q_int)-(q_out)
"Calculando los costos"
Consumo_combustible=0,23 [litros/kWh]
Precio_combustible= 1,80 [$/litro]
Costo_mantenimiento_anual=30,000 [$]
kWh_generados_año=1500000 [kWh]
Costo_combustible= (Consumo_combustible)*(Precio_combustible)
Costo_mantenimiento_kWh= (Costo_mantenimiento_anual)/(kWh_generados_año)
Costo_generacion_total_kWh= (Costo_mantenimiento_kWh)+(Costo_combustible)
Costo_combustible_año=(Consumo_combustible)*(Precio_combustible)*(kWh_generados_año)
"para Graficar"
c_combustible=Costo_combustible+(r_unidad*0,17)
r_unidad=0
C_generacion_total_kWh= (Costo_mantenimiento_kWh)+(c_combustible)