Ejemplo Trabajo Colaborativo 2

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Ejemplo Trabajo Colaborativo 2 Elaborado por: Ingeniero Víctor Fonseca Curso Termodinámica

Editado por: Ingeniera Carolina León.

EJEMPLO 2 - CÁLCULOS TERMODIÁMICOS DE UN SISTEMA

Ejemplo para el Trabajo Colaborativo 2

A continuación se presenta información útil para el desarrollo del segundo trabajo

colaborativo, es imprescindible realizar una lectura cuidadosa de este material antes de

iniciar con el desarrollo del proyecto.

EJEMPLO 2 CICLO TERMODINÁMICO

Presentación del Problema

En algunas plantas y para optimizar el consumo energético, se emplea vapor para generar energía

eléctrica, en turbogeneradores. El vapor a una presión alta (vapor recalentado) procede de una

caldera, entra al turbogenerador, cede energía para que se produzca trabajo y este trabajo se

convierta en energía eléctrica.

El vapor sale del turbogenerador a menor presión como vapor de baja (vapor saturado) para ser

empleado en procesos de calefacción en la planta. En algunos equipos de intercambio de calor, el

vapor cede su calor y se condensa a temperatura de saturación o a presión atmosférica y se envía

a un tanque de condensado de donde pasa a la caldera mediante una bomba. El vapor como tal o

como agua líquida, en este recorrido realiza un ciclo termodinámico,

Es de anotar que el sistema es agua, que en ciertas etapas está como líquido y en otras como

vapor.



DATOS DEL PROBLEMA.

La caldera produce vapor recalentado a una presión de 200 psi y una temperatura de 220°C, en

estas condiciones llega al turbogenerador; del turbogenerador sale con una presión de 60 psi

como vapor saturado; el vapor pasa el pasteurizador en donde cede calor y se condensa a

temperatura de saturación. El agua líquida a esta temperatura se recoge en un tanque de

condensado y por medio de una bomba se envía a la caldera. En la Tabla 1 se muestran las

condiciones iniciales del problema.

Se deben establecer los cambios termodinámicos ocurridos en el ciclo y calcular el calor y

trabajo generado o consumido en cada etapa del ciclo. Empleando una hoja Excel se puede

afirmar que la resolución del problema consiste en llenar con datos del problema, con datos

obtenidos de tablas y con cálculos apropiados la siguiente matriz:



En el ciclo se tendrán varios alrededores y consecuencialmente varios límites, pero para el

estudio los mencionaremos como equipos. Normalmente las tuberías y equipos están aislados

térmicamente y los consideramos cerrados, ya que no hay intercambio de masa (agua o vapor)

con los alrededores.

RESOLUCION DEL PROBLEMA.

Para iniciar la resolución del problema, se deben establecer y ordenar los datos disponibles,

buscar, en base a los datos, las variables disponibles y ordenarlas en una tabla como se muestra a

continuación

Análisis del ciclo.

Directamente en la hoja Excel se colocan las condiciones iniciales del ciclo. En este caso iniciamos

el ciclo en la caldera.

El ciclo se inicia con agua líquida que entra a alta presión dada por una bomba. En la caldera,

primera etapa, el agua pasa a vapor, se eleva la presión y la temperatura para tener un vapor

recalentado y a alta presión, se está realizando un proceso termodinámico multivariado. Hay

cambio de estado, se pasa de agua a vapor y consecuencialmente hay cambio de volumen, la

presión cambia e igualmente la temperatura.



En el turbogenerador el vapor al entregar energía, disminuye la presión para llegar a la condición

de vapor saturado, e igualmente la temperatura, y el volumen cambian.

En el Pasteurizador el vapor cede calor y se condensa, esta condensación lleva a que la presión,

volumen y temperatura disminuyan.

Es de anotar que el volumen de control es únicamente el volumen o mejor el peso del agua que se

emplea para pasterizar la leche cuyo calor se estableció en el ejemplo anterior.

Resolución.

Lo primero a hacer es establecer si las unidades de las variables son homogéneas y si es el caso

emplear factores de conversión.

Ya para cálculos termodinámicos se debe tener una base de cálculo, y en este caso es la cantidad

de vapor que se requiere en el pasteurizador y que realiza el ciclo. El vapor entrega calor a la leche

y la cantidad de calor debe ser igual a la que requiere la leche en este proceso.

Dadas las condiciones y cambios que sufre el vapor para calcular el calor cedido se debe emplear

la entalpia, ya que únicamente hay intercambio de calor.

Las entalpias del vapor se han obtenido de la siguiente página:

http://www.spiraxsarco.com/ar/resources/steam-tables/saturated-water.asp.

http://www.spiraxsarco.com/ar/resources/steam-tables/saturated-water.asp



En esta página se encuentran datos para diferentes zonas del diagrama de fases del agua, los

datos encontrados se muestran en la siguiente tabla:

ESTADO TEMPERATURA PRESION ENTALPIA

°C psi Kcal/kg KJ/Kg

Vapor de Alta 220,0 200 654,3 2738,9

Vapor de Baja 144,7 60 681,0 2850,9

Condensado 100,0 14,7 100,8 419,1

Condensado 100,0 200 170,2 827,2

Con estos datos se procede a la realización de cálculos haciendo uso de la misma herramienta

Excel. A continuación presentamos la tabla para determinar el vapor requerido en el

intercambiador

Teniendo la cantidad de vapor y las condiciones del Ciclo se hacen los cálculos para cada etapa con

base en los procesos realizados en cada uno de ellos.

Recordamos que en dos procesos se tiene intercambio de calor y en los otras dos se tiene

generación y consumo de trabajo. Para la primera etapa se tiene consumo de calor y los caculos se

presentan en la siguiente tabla:



Dada la consistencia de unidades (por espacio no se han colocado en las entalpias) el resultado se

obtiene en Kilojulios. En la tabla siguiente se aprecia la tabla que presenta la resolución del

problema.

El anterior desarrollo es un ejemplo de la forma en que se espera se desarrollen los cálculos para

el segundo trabajo colaborativo. Se recomienda mantener el formato presentado en cuanto a

ubicación de las columnas y demás.

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