Situación problema: Configuración idónea caldera-turbinas

Taller de termodinámica

Primera ley de la termodinámica

Situación problema: Configuración idónea caldera-turbinas

Docente: Hermes Ramírez

Alumno: Eder Gonzalez

Universidad del Norte

Barranquilla, Atlántico, Colombia

Octubre de 2018

Taller de Termodinámica

Hoy en día las actividades que realiza el hombre son cada vez más complejas. El ser humano en su necesidad de avanzar ha creado procesos que trabajan en su beneficio. Las creaciones del hombre le generan ganancias de tipo material, emocional, intelectual y  todo tipo de riquezas. En adición, estos mismos requieren inversiones y tienen costos, ya sea monetarios o de valor humano. En el área de la ingeniería, las actividades que envuelven procesos termodinámicos son  de vital importancia y requieren de un estudio minucioso. En dicho análisis, se pueden determinar factores clave como los costos de un proceso y que tan beneficioso es este. A continuación, se analizara una situación problema que envuelve la termodinámica, así como también, el carácter monetario asociado a dicho proceso, con el fin de evidenciar el hecho de que la termodinámica es un área de qué se debe tener en cuenta a la hora de llevar a cabo muchos de los procedimientos de la industria.

Para el desarrollo de este taller se hizo uso de los conceptos de termodinámica dados por el profesor en clase, así como también, por el libro guía. Adicionalmente se consulto acerca del concepto de huella de carbono y emisión de CO2.

Huella de carbono: La huella de carbono hace referencia a las emociones de gases de efecto invernadero que se producen, ya sea por un individuo, un proceso, o un objeto. El cálculo del impacto que cierto ente tiene sobre la atmosfera en términos de CO2 se puede calcular teniendo en cuenta una gran variedad de factores.

Para efectos de la situación solo se tuvo en cuenta el factor de emisión de los combustibles para determinar, en función del flujo de masa, el impacto que uno u otro tiene sobre la atmosfera. El factor de emisión no es más que una relación establecida entre una cantidad neta de emisiones de CO2 y una actividad, que puede ser combustión, transporte de masa, extracción, entre otros.

El análisis y desarrollo de la situación de llevo a cabo de la siguiente manera:

Se comienza por analizar el estado final del vapor que sale de la turbina, el cual corresponde a una mezcla saturada de los cuales se tiene los siguientes datos:

X=0.8; T=30°C.

Usando la tabla A-4 se obtienen:

P= 4.2469 kPa; se procede a hallar la entalpia en este estado, denominada como h3.

[pic 1]

Seguidamente se analiza la eficiencia para una combinación dada de turbinas:

[pic 2]

Capn: Capacidad de una n-esima turbina. [MW]

ηn: Eficiencia de una n-esima turbina.

También se tiene que la eficiencia de las turbinas es:

[pic 3]

A demás:

[pic 4]

Donde h2 es la entalpia del líquido que esta entre la caldera y las turbinas.

Se sobre entiende que el flujo de masa neto es la suma de los flujos correspondientes a cada turbina.

[pic 5]

Para h1 se sabe que es agua líquida a una presión de 4200 kPa. Se toman datos de la fase liquida en la mezcla saturada y se interpola entre los valores correspondientes a 4322.9 kPa y 3976.2 kPa arrojando como resultado que h1 =1101.45 kJ/kg.

Se procede a hallar el flujo de calor producido por la combustión en la caldera:

[pic 6]

Para el próximo análisis de los costos se necesita el flujo de masa del combustible:

[pic 7]

La inversión inicial de capital está dada por el precio de las turbinas:

[pic 8]

Precion: precio en COP de una n-esima turbina.

El costo de operación del sistema se ve afectado por el precio por unidad de masa del combustible y el precio de operación por unidad de potencia y tiempo.

[pic 9]

[pic 10]

Ccombustible[COP/kg]

El flujo de masa está en kg/s.

Coperacion[COP/kWh]

cn= costo de operación de una n-esima turbina

Las ganancias generadas se hallan restando los costos de operación a lo que se gana por vender el trabajo eléctrico

[pic 11]

Al final, el tiempo t en el que se recupera la inversión se obtiene al dividir la inversión entre las ganancias:

[pic 12]

Para calcular la eficiencia de una determinada combinación se usa la siguiente fórmula:

[pic 13]

Por último, la huella de carbono de cada combinación se halla haciendo uso de una calculadora online de emisiones de carbono, que contiene los valores dependiendo del tipo de combustible. Como ya se indicó antes, se relaciona un factor de emisión con una actividad específica, en este caso la combustión, de modo que el flujo de masa de combustible y el tipo del mismo condicionara las emisiones de CO2 en el proceso.

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