González Quiroga, Arturo.
Termodinámica : Solución de casos mediante el uso de Aspenhysis® / Arturo González Quiroga, Francisco Acuña Garrido. -- Barranquilla, Col. : Editorial Universidad del Norte, 2015.
88 p. : il. ; 24 cm.
Incluye referencias bibliográficas en cada capítulo.
ISBN 978-958-741-513-1 (PDF)
ISBN 978-958-741-898-9 (epub)
1. Termodinámica--Problemas, ejercicios, etc. I. González Quiroga, Arturo. II. Acuña Garrido, Francisco. III. Tít.
(621.4021076 G643 23 ed.) (CO-BrUNB)
www.uninorte.edu.co
Km 5, vía a Puerto Colombia
A.A. 1569, Barranquilla (Colombia)
© 2014, Universidad del Norte
Arturo González Quiroga y Francisco Acuña Garrido
Coordinación editorial
Zoila Sotomayor O.
Diseño y diagramación
Munir Kharfan de los Reyes
Diseño de portada
Jorge Arenas
Corrección de textos
Henry Stein
Desarrollo ePub
Lápiz Blanco S.A.S.
Hecho en Colombia
Made in Colombia
© Reservados todos los derechos. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio reprográfico, fónico o informático así como su transmisión por cualquier medio mecánico o electrónico, fotocopias, microfilm, offset, mimeográfico u otros sin autorización previa y escrita de los titulares del copyright. La violación de dichos derechos puede constituir un delito contra la propiedad intelectual.
PRESENTACIÓN
Capítulo 1
ECUACIONES DE ESTADO CÚBICAS
Capítulo 2
EFECTO DE LA REGENERACIÓN, EL INTERENFRIAMIENTO Y EL RECALENTAMIENTO EN EL DESEMPEÑO DEL CICLO BRAYTON
Capítulo 3
COMPARACIÓN DE LA CENTRAL DE CICLO COMBINADO “TURBINA DE GAS - CICLO DE VAPOR” Y LA “TURBINA DE GAS CON INYECCIÓN DE VAPOR”
Capítulo 4
CICLOS DE POTENCIA PARA APROVECHAMIENTO DE FUENTES DE CALOR DE RECHAZO
Capítulo 5
COMPARACIÓN ENTRE CICLOS DE REFRIGERACIÓN: COMPRESIÓN DE VAPOR Vs. ABSORCIÓN
Capítulo 6
ANÁLISIS DE SISTEMAS REACTIVOS: COMBUSTIÓN
Capítulo 7
SIMULACIÓN DE UNA CALDERA RECUPERADORA
Capítulo 8
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
Capítulo 9
ANÁLISIS DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO
Capítulo 10
CAÍDA DE PRESIÓN EN TUBERÍAS EN EL TRANSPORTE DE GASES Y DE LÍQUIDOS
Capítulo 11
LICUEFACCIÓN DE GASES: SEPARACIÓN DE OXÍGENO DEL AIRE
GLOSARIO
ANEXO 1: ENTREGABLES
Este compendio de casos de estudio tiene como finalidad apoyar el curso teórico de Termodinámica II impartido a los estudiantes de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Norte. Los contenidos han surgido de la experiencia de los autores en el laboratorio virtual de termodinámica durante los últimos cuatro semestres. Se hace especial énfasis en el uso del software de simulación ASPENHYSYS® para realizar cálculos de forma rápida y centrarse en el análisis de la información obtenida.
Las prácticas se enfocan en el análisis de ciclos de potencia, ciclos de refrigeración, mezclado de gases, combustión, acondicionamiento de aire y transporte de fluidos. El desarrollo de las mismas tiene lugar de forma simultánea con el desarrollo en clase de los contenidos teóricos. A la vez que se reafirman los conceptos vistos en clase, se ofrece la oportunidad para que el estudiante explore con situaciones de final abierto que le brindan las bases para los cursos posteriores de diseño de sistemas termofluidos. Es grato ver que aun los casos más difíciles han sido resueltos por los estudiantes y que este manual ha despertado la curiosidad y la iniciativa individual.
El material presentado se está reevaluando de forma continua para corregirlo, complementarlo y enriquecerlo con los puntos de vista de estudiantes y profesores. Se espera incorporar nuevos casos de estudio que permitan al profesor escoger las prácticas que se van a implementar durante el semestre. Se agradece de forma especial a los estudiantes que con sus preguntas y observaciones han contribuido positivamente al enriquecimiento de este curso.
Los autores
Barranquilla, junio de 2014
OBJETIVOS
• Calcular propiedades termodinámicas de fluidos puros por medio de ecuaciones de estado cúbicas.
• Comparar las predicciones de las ecuaciones de estado cúbicas para el R-134a en las regiones de saturación y de vapor sobrecalentado.
La utilidad de una ecuación de estado cúbica se sustenta en su capacidad para representar el comportamiento PVT (Presión-Volumen-Temperatura) de líquidos y vapores en un rango amplio de temperaturas y presiones. Las ecuaciones polinomiales, cúbicas en el volumen específico, ofrecen un compromiso entre generalidad y simplicidad, de forma que han sido ampliamente tratadas en la literatura. La primera ecuación de estado cúbica que se considera práctica fue propuesta por J. D. van der Waals en 1873 [1]:
Donde
P: presión
R: constante de los gases
T: temperatura absoluta
v: volumen específico
a: constante positiva
b: constante positiva
Cuando a y b son cero, la ecuación 1 se convierte en la ecuación de gas ideal.
Desde la introducción de la ecuación de van der Waals se han propuesto varias ecuaciones de estado cúbicas. Entre ellas se destacan las ecuaciones SRK (Soave-Redlich-Kwong) y PR (Peng-Robinson). En esta práctica se resolverán las ecuaciones SRK y PR para predecir el volumen de líquido saturado y el volumen de vapor saturado del refrigerante R-134a. También se resolverán las mismas ecuaciones para predecir el volumen de vapor sobrecalentado sobre una isoterma y sobre una isóbara. Al final de la práctica será evidente que las ecuaciones SRK y PR representan satisfactoriamente las propiedades PVT en la región de vapor sobrecalentado. Asimismo, que las predicciones para vapor saturado incluyen alguna desviación en la vecindad del punto crítico, mientras que las predicciones de líquido saturado se alejan significativamente de los valores reales. Como alternativa para mejorar la predicción de volumen de líquido saturado se presentará la ecuación de Rackett [1].
Los problemas de convergencia durante la solución de las ecuaciones SRK y PR se evitan cuando la ecuación se reacomoda para encontrar una raíz en particular. Se parte de la ecuación cúbica genérica
Para una ecuación conocida ε y σ son números puros, iguales para todas las sustancias. Los parámetros α(T) y b dependen de la sustancia. Es importante notar que cuando α(T)=a, ε=0 y σ=0 la ecuación cúbica genérica se convierte en la ecuación de van der Waals.
Para la raíz más grande, es decir, la de vapor saturado o de vapor sobrecalentado, la ecuación 2 se reescribe como
La solución para v se encuentra mediante un método iterativo. Una estimación inicial (o valor semilla) para v es el volumen de gas ideal.
Para la raíz más pequeña, es decir, la de líquido saturado o líquido subenfriado, la ecuación 2 se reescribe como
La solución para v se encuentra mediante un método iterativo. Una estimación inicial (o valor semilla) para v es el valor de b.
Es posible adimensionalizar las ecuaciones 3 y 4, lo cual simplifica su manejo. Las versiones adimensionalizadas de las ecuaciones 3 y 4 son las ecuaciones 5 y 6, respectivamente.
Donde
Pr: presión reducida
Tr: temperatura reducida
Los valores numéricos o la correlación correspondiente para el cálculo de los parámetros α(Tr), ε, σ, Ω y Ψ para las ecuaciones SRK y PR se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 1. Parámetros para la evaluación de las ecuaciones de estado SRK y PR en forma adimensional [1]
Donde ω es el factor acéntrico que depende de cada sustancia.
La tabla 2 resume los parámetros más importantes para el refrigerante R-134a, la sustancia de trabajo que se va a analizar en esta práctica.
Tabla 2.R-134a