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Diseño de una aplicación software para comparar el rendimiento de fluidos de trabajo en ciclo Rankine Orgánico

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Academic year: 2020

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(1)DISEÑO DE UNA APLICACIÓN SOFTWARE PARA COMPARAR EL RENDIMIENTO DE FLUIDOS DE TRABAJO EN CICLO RANKINE ORGANICO. FABIO CAMILO VARGAS TORRES. COD.20112375025 JAVIER HUMBERTO DIAZ GIRALDO COD. 20122375003. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA PROYECTOS CURRICULAR DE TECNOLOGIA E INGENIERIA MECANICA BOGOTA D.C. 2016.

(2) Nota de Aceptación. ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ......................... Jurado 1. ........................ Jurado 2. ......................................... Ing. German Arturo López (Tutor). Bogotá..............de..............de 2016.

(3) Agradecimientos. Primero queremos agradecerle a DIOS por permitirnos cumplir tan anhelado sueño y brindarnos la sabiduría y firmeza para culminar este proceso de formación, a nuestros padres y familia quienes apoyaron incondicionalmente nuestro esfuerzo y demás compañeros quienes aportaron interés y buenos consejos. A la Universidad Distrital, la Coordinación de Mecánica , los diferentes coordinadores que estuvieron con nosotros a lo largo de la carrera y especialmente a los docentes que tuvimos el placer de conocer y de los cuales recibimos su valiosa enseñanza..

(4) Tabla de contenido 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...................................................................................................10 Contexto nacional................................................................................................................................10 Contexto local. .....................................................................................................................................10 Diagnóstico de la situación actual .......................................................................................................11 Problema del proyecto de grado .........................................................................................................11 1.1 Estado del arte ...............................................................................................................................12 1.1.1 Nombre: SteamTab.....................................................................................................................12 1.1.2. Nombre: Calculador para ingeniería TLV...................................................................................13 1.1.3. Nombre: Calculadora termodinámica en línea .........................................................................14 1.1.4. Nombre: TPX..............................................................................................................................15 1.1.5. Nombre: Steam97Web v7.0 ......................................................................................................15 1.1.6. Nombre: Steam97 Excel Add-In.................................................................................................16 1.1.7. Nombre: TermoGraf. .................................................................................................................17 1.1.8 Nombre: Cyclepad ......................................................................................................................18 1.1.9 Nombre EES ................................................................................................................................19 1.2 Delimitación ..................................................................................................................................20 1.3 Justificación ...................................................................................................................................21 2. OBJETIVOS .......................................................................................................................................22 2.1 Objetivo general ............................................................................................................................22 2.2. Objetivos específicos ....................................................................................................................22 3. MARCO TEÓRICO .............................................................................................................................23 4. METODOLOGIA ................................................................................................................................27 4.1 Fase de documentación.................................................................................................................27 4.2 Fase de diseño ...............................................................................................................................28 4.2.1. Fase de diseño conceptual ........................................................................................................28 4.2.2. Fase de diseño en detalle ..........................................................................................................28 4.3. Fase de programación ..................................................................................................................28 4.3.1. Introducción al aplicativo ..........................................................................................................29 4.3.2. Lógica y procedimientos ............................................................................................................30.

(5) 4.3. Fase de validación de datos y puesta a punto ..............................................................................58 4.4. Fase de elaboración documentos y tutorial .................................................................................59 4.4.1. Tutorial – Manual del usuario ...................................................................................................59 4.2.2. Documentos explicativos...........................................................................................................59 4.2.1. Explicación solucionario ............................................................................................................59 4.2.2. Explicación resumen comparativo y grafica ..............................................................................65 4.4.3. Documento final ........................................................................................................................67 5 RESULTADOS .....................................................................................................................................68 6. CONCLUSIONES...............................................................................................................................78 7. BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................................79.

(6) Indice de figuras. Figura 1. Calculadora termodinámica para agua Figura 2. Calculadora para ingeniería – Termodinámica Figura 3. Programa Steam97Web v7.0 Figura 4. Steam97 Excel Add-In Figura 5. Programa Termograf Figura 6. Programa Cyclepad Figura 7. Programa EES Figura 8. Ciclo Rankine Orgánico y sus estados Figura 9. Bomba de agua Figura 10. Caldera de vapor Figura 11. Turbina vapor Figura 12. Condensador de vapor Figura 13. Tabla Vapor Húmedo “HUM” - Posición Figura 14. Tabla Vapor Húmedo - P1 no se encuentra en la tabla Figura 15. Ejemplo error de presión (P1) fuera del rango por debajo – R142B Figura 16. Valor de presión P_min =P1 Figura 17. Datos de entalpia y entropía directo de tabla – R142B Figura 18. P_min < P1 Interpolación de valores de v, h y s. Figura 19. Ejemplo en R142B Datos iniciales viables e interpolación Figura 20. Tabla Vapor Húmedo R142B - P1 sobrepasa último valor de la tabla Figura 21. SEGURO – Ejemplo de error en presión (P1) por fuera del rango de la tabla – R142B Figura 22. Tabla Vapor sobrecalentado “SOB” – Posición Figura 23. Tabla Vapor Sobrecalentado - P2 no se encuentra en la tabla Figura 24. Ejemplo error de presión fuera del rango por debajo – R142B Figura 25. Valor de P = P2, TS directa de tabla Figura 26. Interpolación de entalpias y entropías partiendo de TS. Figura 27. Determinación de TS directa de tabla Figura 28. P > P2 Interpolación valores TS Figura 29. Interpolación valores de TS – R142B Figura 30. Interpolación para determinar h3 y s3 – R142B.

(7) Figura 31. Tabla Vapor Sobrecalentado - P2 sobrepasa último valor de la tabla Figura 32. Ejemplo error presión fuera de rango por encima – R142B Figura 33. SEGURO – TS mayor que T3 – R142B SOB Figura 34. Ejemplo error de temperatura (T3) fuera del rango por debajo – R142B Figura 35. Temperatura sobrecalentamiento máximo 100° Figura 36. Ejemplo error de temperatura T3 – R142B Figura 37. Valor entalpia (h3) se obtiene de tabla de vapor sobrecalentado 0° Figura 38. Valor de entropía (S3) se obtiene de tabla vapor sobrecalentado 0° Figura 39. Valores de entalpia y entropía directos de tabla – R142B Figura 40. Interpolación de valores de entalpia en columna 0° vapor sobrecalentado. Figura 41. Interpolación de valores de entropía en columna 0° vapor sobrecalentado Figura 42. Resultados de interpolación de entalpia y entropía – R134A Figura 43. TS + T°SOB = T3 Valor de entalpia (h3) directo de tabla vapor sobrecalentado. Figura 44. TS + T°SOB = T3 Valor de entropía (S3) directo de tabla vapor sobrecalentado. Figura 45. Valores de entalpia y entropía de tabla – R142 Figura 46. Interpolación presiones y entalpias (h3) en la tabla de vapor sobrecalentado. Figura 47 Interpolación presiones y entropías (S3) en la tabla de vapor sobrecalentado Figura 48. Resultados de interpolación – R142B Figura 49. Interpolación entre columnas de la T° de sobrecalentamiento Para determinar la entalpia (h3). Figura 50. Interpolación entre columnas de la T° de sobrecalentamiento Para determinar la entropía (S3). Figura 51. Datos de la fila de TS (70ºC) en la tabla – R142B Figura 52. Resultados de interpolación de entalpia y entropía – R142B Figura 53. Interpolación para determinar TS y posterior interpolación de valores de Entalpia en filas y luego interpolación en columnas de T° sobrecalentado. Figura 54. Interpolación para determinar TS y posterior interpolación de valores de Entropía en filas y luego interpolación en columnas de T° sobrecalentado..

(8) Figura 55. Resultados de interpolaciones – R142 Figura 56. Entropía de saturación igual a entropía en estado 4, T4 = TS Figura 57. T4 se obtiene directo de tabla de vapor sobrecalentado Figura 58. Interpolación entre columnas de vapor sobrecalentado para determinar T4. Figura 59. P < P4, valor de T4 directa de tabla de vapor sobrecalentado Figura 60. Interpolación entre columnas para determinar h4. Figura 61. Tabla de valores iniciales – R142B Figura 62. Datos de v1, h1 y s1 obtenidos de las tablas – R142B Figura 63. Calculo y obtención entalpia estado 2 y su corrección – R142B Figura 64. Determinación valores de h3 y s3 de las tablas de vapor sobrecalentado – R142B Figura 65. Estado líquido-vapor – R142B Figura 66. Estado vapor sobrecalentado – R134A Figura 67. Determinación valor temperatura sobrecalentamiento R134A Figura 68. Determinación entalpia en estado 4 de las tablas termodinámicas R134A Figura 69. Cálculos finales del proceso – R142B Figura 70. Tabla de valores iniciales y resultados de los fluidos de trabajo. Figura 71. Valores determinantes para la selección de los fluidos de trabajo Figura 72. Grafica de valores principales Figura 73. Grafica valores en comparación absoluta Figura 74. Ciclo Rankine Fluido R134a – Programa Cyclepad Figura 75. Datos y resultado de la bomba – Fluido: R134a – Programa Cyclepad Figura 76. Datos y resultados en estados 1 y 2 - Fluido: R134a – Programa Cyclepad Figura 77 Datos y resultados de la Turbina - Fluido:R134a – Programa Cyclepad Figura 78. Datos y resultados del estado 3 – Fluido: R134a – Programa Cyclepad Figura 79. Datos y resultados de Turbina– Fluido: R134a – Programa Cyclepad Figura 80. Datos y resultados del estado 4 – Fluido: R134a – Programa Cyclepad.

(9) Figura 81. Datos y resultados del Condensador – Fluido: R134a – Programa Cyclepad Figura 82. Ciclo Rankine Fluido: R22 – Programa Cyclepad Figura 83. Datos y resultado estados 1 y 2 Fluido: R22 – Programa Cyclepad Figura 84. Datos y resultado estados 1 y 2 Fluido: R22 – Programa Cyclepad Figura 85. Datos y resultado de Caldera – Fluido: R22 – Programa Cyclepad Figura 86. Datos y resultado del estado 3 – Fluido: R22 – Programa Cyclepad Figura 87. Datos y resultados de Turbina – Fluido: R22 – Programa Cyclepad Figura 88. Datos y resultados del estado 4 – Fluido: R22 – Programa Cyclepad Figura 89. Datos y resultados del condensador – Fluido: R22 – Programa Cyclepad Figura 90. Resultados del margen de error entre los programas Cyclepad y Termpro para Fluidos: R134a y R22.

(10) 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Contexto nacional. El aumento cada vez más acelerado de la tecnología y su incursión agresiva en todos los aspectos de la vida humana ha obligado a la industria a demandar personal experto en áreas del conocimiento específicas de la ingeniería y además de eso con gran dominio de las herramientas informáticas actuales en busca de un nivel de competitividad aceptable que le permita continuar en el mercado global. Como proveedor de recurso humano competente el sistema educativo colombiano en general y las universidades en particular ofrecen a la población estudiantil modelos de aprendizaje en muchos casos obsoletos y anticuados, puesto que no se ha hecho una inclusión real de la tecnología en las aulas de clases sobre todo en las áreas de conocimiento clásicas como la física y las matemáticas. Es por esta razón que sería de gran importancia aportar en el fortalecimiento del proceso de aprendizaje y así formar profesionales con competencias adecuadas para adaptarse al entorno laboral actual.. Contexto local. La Universidad Distrital Francisco José de Caldas en su facultad tecnológica cuenta con carreras de formación superior entre las cuales se encuentran tecnología e ingeniería mecánica. Dentro de sus programas académicos se encuentran asignaturas de ciencias ingenieriles como termodinámica la cual se desarrolla en un ambiente netamente teórico y enfocado en la solución de ejercicios de algunos libros de texto dejando de lado aspectos importantes como la aplicación de la teoría del diseño de sistemas termodinámicos o las clases enfocadas a comprender como funcionan los componentes propios de estos. No se puede olvidar que la formación integral en un área de conocimiento de la ingeniería, debe contener un componente de interpretación y solución de ejercicios planteados previamente por un autor, pero también debe haber un componente propositivo en el cual los alumnos planteen soluciones de diseño a problemas que exponga el docente. Este tipo de formación aumentaría la calidad de los ingenieros que se gradúan de la institución.. 10.

(11) Diagnóstico de la situación actual En la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital no se cuenta con herramientas electrónicas como programas o aplicaciones que faciliten la enseñanza de la termodinámica, columna vertebral de un ingeniero mecánico, por lo tanto su enseñanza se viene realizando de forma netamente teórica. Para dar un primer paso a la solución de esta problemática se pretende diseñar una aplicación informática que permita comparar el rendimiento de distintos fluidos de trabajo para un ciclo Rankine orgánico (ORC), con parámetros de diseño previamente definidos. Este puede ser un inicio para el desarrollo de un programa informático más complejo que permita gestionar los espacios académicos de las ciencias térmicas a través de este incluyendo evaluaciones.. Problema del proyecto de grado Es de conocimiento general que las ciencias térmicas es una línea de profundización muy importante en las carreras de tecnología e ingeniería mecánica, ya que gracias a los conocimientos que de este se obtienen es posible participar en la industria en áreas como la refrigeración, el acondicionamiento de aire, el estudio de motores de combustión interna, las termoeléctricas, entre otros. Buscando que la Universidad Distrital optimice sus procesos de enseñanza y pueda entregar a sus futuros egresados conocimientos sólidos en las ciencias térmicas, se diseñó un programa (software) para comparar distintos fluidos de trabajo en ORC con el fin que el usuario, básicamente pueda hacer una selección del fluido con el mejor comportamiento y eficiencias a unas condiciones iniciales determinadas, por ejemplo la potencia neta de salida, las presiones y temperaturas en la caldera y en el condensador, la eficiencia de la bomba y la turbina, entre otros. Esto permite a los estudiantes de tecnología e ingeniería mecánica obtener rápidamente datos concretos, como: ¿cuál es el fluido con el que se obtiene una mayor eficiencia térmica en un ORC?, o ¿cuál es requiere mayor flujo másico de trabajo?, por ejemplo, permitiendo que haya un enfoque mayor en la toma de decisiones de ingeniería, aspecto olvidado en algunas materias de la carrera.. 11.

(12) 1.1 Estado del arte La información relacionada con el diseño de aplicativos (en distintas interfaces de programación) está localizado en artículos, páginas web especializadas y cursos de termodinámica y tienen como punto común fines académicos. Los programas “calculadoras termodinámicas” no ha sido un campo investigado de manera profunda, en Latinoamérica, más allá de calculadoras de propiedades de sustancias, por lo cual la búsqueda de aplicativos capaces de comparar distintos fluidos de trabajo para una caso específico fue complicada y dispendiosa. A continuación se presenta un listado de aplicaciones encontradas en internet:. 1.1.1 Nombre: SteamTab Creado por: ChemicaLogic Corporation Fuente: http://termodinamicaparaiq.blogspot.com/p/los-programas-que-semuestran.html. Figura 1. Calculadora termodinámica para agua. 12.

(13) - Suministra propiedades del vapor de agua según ciertos datos de entrada. - Trabaja en diversos sistemas de unidades. - Rango de trabajo temperatura: 190-5,000 K; presión: 0 a 100.000 bar. - Suministra resultados numéricos y gráficos.. 1.1.2. Nombre: Calculador para ingeniería TLV Creado por: TLV Compañía especialista en vapor. Fuente: http://www.tlv.com/global/LA/calculator/superheated-steam-table.html. Figura 2. Calculadora para ingeniería – Termodinámica Esta página contiene una interfaz con la cual se puede calcular algunas propiedades térmicas de diferentes fluidos, introduciendo en las casillas determinadas los datos iniciales necesarios para que el programa calcule, esta interfaz suministra los resultados sin generar ninguna explicación o procedimiento. Los módulos son: - Dimensionamiento de Tubería para Vapor por Caída de Presión - Dimensionamiento de Tubería para Vapor por Velocidad. - Dimensionamiento de Tubería para Venteo de Vapor 13.

(14) - Caída de Presión de Vapor en la Tubería. - Velocidad del Vapor Dentro de la Tubería. - Rango de Flujo del Vapor en la Tubería - Grosor del Aislamiento Económico de las Tuberías de Vapor. Lo anterior aplicado para agua, aire y gas según corresponda.. 1.1.3. Nombre: Calculadora termodinámica en línea Creado por: easycalculation.com Fuente:http://es.easycalculation.com/physics/thermodynamics/thermodynamics.php Al igual que en el caso anterior esta calculadora permite obtener ciertos datos de salida como por ejemplo volumen inicial, volumen final, temperatura de entrada y salida, el usuario tiene la opción de escoger entre ellos y decidir que desea calcular, para ello lo primero es precisar que se necesita calcular, segundo, ingresar los datos de entrada y salida si se tienen y por ultimo iniciar el cálculo. La calculadora maneja diferentes opciones de procesos, entre los cuales se tienen: - Flujo de calor - Velocidad de transferencia de calor - Conductividad Térmica - Difusividad térmica - Expansión térmica lineal - Relación térmica lineal y volumétrica, de expansión - Expansión térmica volumétrica.. 14.

(15) 1.1.4. Nombre: TPX Creado por: David G.Goodwin. Fuente http://es.easycalculation.com/physics/thermodynamics/thermodynamics.php “TPX es un complemento de Excel Add-In para la termodinámica de ingeniería. Implementa funciones para calcular las propiedades termodinámicas de los fluidos, y proporciona fácil de utilizar herramientas para configurar simulaciones de procesos complejos de Excel y los ciclos. TPX fue desarrollado para uso en la enseñanza de la termodinámica de pregrado de ingeniería, y es actualmente la versión "beta" del software (la mayoría de las características funciona como se describe, unos pocos no). Ahora está disponible para su descarga gratuita por cualquier usuario para la Educación, o por cualquier otra persona dispuesta a probar y proporcionar información para ayudarnos a mejorar TPX.”. 1.1.5. Nombre: Steam97Web v7.0 Creado por: MegaWatSoft Inc. Fuente: http://www.steamtablesonline.com/steam97web.aspx?lang=es. Figura 3. Programa Steam97Web v7.0 15.

(16) El uso de las tablas de vapor calcula 31 características termodinámicas y de transporte de agua y de vapor. Permite que 16 diversas combinaciones de variables de entrada sean utilizadas para los cálculos. Las variables de entrada que pueden ser utilizadas son: presión, temperatura, entalpia, entropía, volumen, energía interna y calidad del vapor. Además realiza cálculos de energía en distintos puntos del circuito así como de eficiencias en turbinas y bombas. 1.1.6. Nombre: Steam97 Excel Add-In. Creado por: MegaWatSoft Inc Fuente: http://www.megawatsoft.com/steam-tables/iapws-if97excel.aspx#.VNKdnTGG9e9. Figura 4. Steam97 Excel Add-In Es un aplicativo en Microsoft Excel que determina las propiedades del vapor de agua dependiendo de unos parámetros de entrada. Trabaja con las variables presión, temperatura, entalpía, entropía, volumen específico, energía interna y calidad del vapor. 16.

(17) 1.1.7. Nombre: TermoGraf. Creado por: Grupo de Didáctica de la Termodinámica de la Universidad de Zaragoza Fuente: http://termograf.unizar.es/www/descargas/termograf.htm. Figura 5. Programa Termograf. TermoGraf es un simulador termodinámico con: - Cálculo de propiedades termodinámicas dibujando los estados, procesos y ciclos directamente sobre el diagrama termodinámico. - Creación de gráficas y diagramas termodinámicos en tiempo real, fácilmente insertables como imágenes en otros documentos. - Configuración de sustancias, unidades, convenio de signos, etc. - Creación de tablas termodinámicas con análisis gráfico para, por ejemplo, la optimización de un ciclo. - Cálculo de intercambiadores de calor y rendimientos de ciclos.. 17.

(18) - Editor de ecuaciones para funciones termodinámicas personalizadas con variables de usuario y gráficas personalizadas.. 1.1.8 Nombre: Cyclepad Empleado por: Universidad Northwestern, Academia Naval de los Estado Unidos y la Universidad de Oxford. Fuente: http://www.qrg.northwestern.edu/software/cyclepad/cyclesof.htm. Figura 6. Programa Cyclepad Cyclepad es un laboratorio virtual articulado gratuito para simular procesos termodinámicos abiertos o cerrados de diferentes fluidos de trabajo y en diferentes condiciones de trabajo. Consta de una interfaz bastante amable con el usuario y de algunas herramientas muy útiles para la obtención de resultados y un mejor entendimiento del ciclo que se trabaja.. 18.

(19) 1.1.9 Nombre EES Creado por F- Chart Software: Fuente: http://www.fchart.com/ees/. Figura 7. Programa EES. Es un programa general de resolución de ecuaciones que puede resolver numéricamente miles de ecuaciones algebraicas y diferenciales no lineales acopladas. Una característica importante de EES es la base de datos de propiedad termodinámica y transporte de alta precisión que se proporciona para cientos de sustancias de una manera que permite que sea utilizado con la capacidad de la solución de la ecuación.. 19.

(20) 1.2 Delimitación Termpro resuelve ejercicios termodinámicos de ciclo Rankine dentro de los siguientes parámetros: - Ciclo Rankine simple (Una bomba, una turbina, una caldera y un condensador). No maneja elementos para la mejora de la eficiencia. - Se asume en la bomba procesos adiabáticos (sin transferencia de calor) y no isentrópicos (se consideran las irreversibilidades). - En la caldera y el condensador se asumen procesos isobáricos. - En la turbina se asumen procesos adiabáticos y no isentrópicos. - Los resultados están sujetos a la disponibilidad de información en las tablas de propiedades de los fluidos. Termpro no realiza extrapolación de datos. Debido a estas limitaciones el programa se considera oportuno solo para uso académico. Para usos industriales requiere de una optimización que contemple la inclusión de otros tipos de ciclo Rankine (recalentamiento ó cogeneración) y de los elementos pertinentes (calentadores cerrados, abiertos, mezcladores, entre otros).. 20.

(21) 1.3 Justificación El presente proyecto está enfocado en fortalecer los métodos de enseñanza aprendizaje que aplica la Universidad Distrital Francisco José de Caldas específicamente en la materia termodinámica dictada en las carreas de tecnología e ingeniería mecánica. Para destacar la importancia que tiene la ejecución de este proyecto es necesario inicialmente recalcar el problema fundamental que en la actualidad se presenta en las asignaturas de la línea de las ciencias térmicas y es la falta de uso de herramientas tecnológicas de la información para apoyar el aprendizaje en la solución de ejercicios termodinámicos. En las materias termodinámica, termodinámica aplicada y maquinas térmicas se emplea, la mayor parte del tiempo en la explicación de la mecánica de solución de ejercicios planteados por un autor. La idea que soporta este proyecto es que con la ayuda de un software se pueda obtener información de forma rápida para que el tiempo de clase se pueda utilizar también en la explicación mucho más detallada de los aspectos físicos de los problemas, el uso de técnicas de diseño aplicados a maquinas térmicas y la toma de decisiones en casos prácticos de la ingeniería.. 21.

(22) 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general Diseñar una aplicación (software) que permita comparar el rendimiento de al menos tres distintos tipos de fluidos de trabajo en un ciclo Rankine orgánico (ORC).. 2.2. Objetivos específicos . . Ejecutar un proceso de formación cuyo objetivo es capacitar mínimo un docente de planta de la Universidad Distrital en el adecuado uso de la aplicación y el procedimiento a seguir en caso de querer aumentar el número de fluidos de trabajo que es capaz de comparar la aplicación. Facilitar a los usuarios potenciales la comprensión del manejo de la aplicación a través de la producción de un documento ilustrativo.. 22.

(23) 3. MARCO TEÓRICO Termodinámica: Ciencia que estudia el movimiento de la energía y sus consecuencias; también estudia las relaciones entre un sistema y su entorno, la cual permite transformar la materia. Propiedades termodinámicas: Son solo aquellas cantidades cuyos valores numéricos no dependen de la historia del sistema, en la medida que el sistema evoluciona entre dos condiciones diferentes, sino que dependen de la condición instantánea durante las cuales ellas son medidas”. Por ejemplo la presión y la temperatura cumplen estas condiciones. No obstante, la transferencia de calor, la transferencia de trabajo, la transferencia de masa, entropía, la generación de entropía, son ejemplos de cantidades que no son propiedades termodinámicas. Volumen específico: Relación entre el volumen de un sistema y su masa. Dado que la densidad se define como la relación de la masa sobre su volumen, ella será el inverso del volumen específico. Presión: Es la interacción resultante por unidad de área del número de las partículas moleculares en contra de las paredes que conforman el contorno de un sistema. La presión es una medida de la frecuencia de las veces que una partícula pasa por un mismo punto. La presión en un punto de un fluido en reposo solo depende de la profundidad del punto y es igual en todas las direcciones. Temperatura: Es el potencial que provoca un flujo de calor, el cual está asociado con el grado de vibración molecular y la energía cinética de átomos, moléculas y electrones. La temperatura es una medida del movimiento molecular de las partículas que conforman un sistema. Entalpía: Es la energía interna que posee un flujo de materia más el trabajo de flujo que impulsa el movimiento de dicho flujo. El cambio de entalpía con respecto a un nivel de referencia mide el contenido energético de una corriente de materia que fluye a través de un ducto. Calor específico: Es una medida de la cantidad de la energía que puede ser almacenada en la materia para cada valor de su temperatura. También es la cantidad de calor por unidad de masa que se requiere transferir para producir un cambio unitario de temperatura de una sustancia a volumen o a presión constante.. 23.

(24) Entropía: Es la medida del grado de desorden de un sistema como consecuencia de la diversificación de los estados energéticos presentes en la materia. En otras palabras, la entropía es la medida de la distribución de estos estados energéticos. Ciclo Rankine orgánico (ORC) El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tradicionalmente utiliza el agua como el fluido de trabajo en turbinas de vapor. Las máquinas a Ciclo Orgánico de Rankine (ORC) funcionan según el mismo principio pero utilizan un fluido de trabajo orgánico y específico, en sustitución de agua. Estas máquinas permiten transformar energía térmica en energía eléctrica. El calor recuperado va a ser utilizado para calentar luego vaporizar el fluido orgánico, que luego será aflojado en una turbina, luego condensado, en un ciclo cerrado. La disponibilidad de un panel vasto de fluidos de trabajo, a las propiedades físicas variadas, permite trabajar en gamas de temperaturas y de potencias para las cuales la tecnología de las turbinas de vapor de agua no es pertinente. Las principales ventajas del ORC son:  . . La valorización en electricidad de fuentes de calor temperatura baja a partir de 70°C El aumento de la realización: la utilización de fluido a alta masa volumétrica permite alcanzar realizaciones excelentes, hasta para las pequeñas potencias Una fiabilidad más grande: el empleo de fluidos séchants, cuyo descanso jamás genera gotitas y limita pues los riesgos de corrosión de la turbina.. Figura 8. Ciclo Rankine Orgánico y sus estados Fuente: https://aulavirtualunermbsanpedro.wordpress.com/2014/11/06/ciclorankine/ 24.

(25) Bomba: Este equipo se encarga de aumentar la presión del fluido en estado líquido para enviarlo a la caldera.. Figura 9. Bomba de agua Fuente: http://es.made-in-china.com/co_temco-motor/product_Centrifugal-WaterPump-Two-Impellers-SCM2-100-_esheeirog.html Caldera: Es un dispositivo o máquina de ingeniería diseñado para la generación de vapor. Este vapor se genera a través de un set de intercambiadores de calor a una presión constante pasando de estar en estado líquido, se calienta y se convierte en vapor saturado. Es un recipiente de presión, por ende es fabricado en parte con acero laminado.. Figura 10. Caldera de vapor Fuente: http://es.globedia.com/aplicaciones-calderas-vapor. 25.

(26) Turbina: Maquina de ingeniería por la cual pasa un fluido constante, normalmente agua, vapor de agua o gas y a este es introducida una energía a partir de un rotor con paletas o alabes. Con este equipo se genera trabajo mecánico de un eje a partir de la circulación de un fluido.. Figura 11. Turbina vapor Fuente: http://www.mailxmail.com/curso-turbinas-vapor-sellos-carbon. Condensador: Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor (en estado gaseoso) en vapor en estado líquido, el vapor pasa por una serie de tuberías por las cuales fluye normalmente agua la cual condensa el vapor y lo convierte a estado líquido para ser empleado nuevamente en algún ciclo térmico.. Figura 12. Condensador de vapor Fuente: http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_08/cic-vapor.htm. 26.

(27) 4. METODOLOGIA En la actualidad académica los estudiantes de educación superior y específicamente estudiantes afines con la tecnología e ingeniería mecánica, no cuentan con alguna herramienta aplicable que brinde un modo diferente de ver los procesos térmicos que se presentan en sus clases teóricas y mucho menos que aborde los fluidos orgánicos, es por esta razón que se presentan los criterios de diseño y programación empleados en este software. La metodología que se empleó para este proyecto se clasifica de la siguiente manera: 4.1 Fase de documentación Inicialmente se realizó un exhaustivo y largo proceso de recolección de información para lograr una base de datos suficiente y amplia para garantizar el alcance necesario que los procesos térmicos requieren, en este proceso de recolección el interés principal fue encontrar las tablas de propiedades termodinámicas de fluidos orgánicos, tarea bastante dispendiosa ya que es muy poca la información que se encuentra tabulada y organizada sobre este tema. Estas tablas de las propiedades termodinámicas fueron digitadas en Excel y posteriormente organizadas a un mismo formato para su correcta lectura cuando se programó en Visual Basic, programa fundamental para la creación de este tipo de aplicaciones y programa empleado para la realización de este proyecto. Posteriormente se reunió la información necesaria para determinar el tipo de ejercicios que el programa soluciona, información obtenida de los textos empleados en la rama térmica de la carrera y algunos programas termodinámicos que se encuentran en la red citados en el estado del arte de este proyecto. Es importante tener en cuenta que las tablas tienen unos límites en cuanto a la presión y la temperatura dependiendo su estado, líquido o vapor sobrecalentado. La delimitación del programa fue uno de los principales factores a determinar y para generar ideas de diseño del programa, está necesariamente se obtuvo de los datos menores y mayores de las tablas termodinámicas.. 27.

(28) 4.2 Fase de diseño 4.2.1. Fase de diseño conceptual Teniendo la información necesaria, los tipos de ejercicios y los límites del programa se procedió a la fase de diseño conceptual, donde se generaron varias opciones de diseño y de las cuales se seleccionó la que más se acomodó a los requerimientos planteados, en cuanto a la interactividad, facilidad y entendimiento de parte del usuario. 4.2.2. Fase de diseño en detalle La creación de los algoritmos es la parte principal de la fase de diseño en detalle, de estos se determinó gran parte de la lógica del programa y los seguros para señalar los errores más comunes. Posteriormente se realizaron las pruebas de escritorio, con las cuales se obtuvo las bases fundamentales para comprobar posteriormente si el programa era capaz de solucionar los ejercicios expuestos y sus resultados eran confiables. 4.3. Fase de programación La fase de programación inicio con un importante estudio teórico e ilustrativo del programador Visual Basic, para comprender y aprender a programar de una manera sólida y efectiva. Teniendo la información necesaria para programar se continuó con la incorporación de las bases de datos (tablas de propiedades termodinámicas antes mencionadas), e indicándole al programa los límites de estas y los seguros para que no calculara si alguno de estos fuera activado. Estos seguros básicamente hacen relación a los límites de los datos dentro de las tablas, es decir, los seguros se activan cuando algún dato ingresado por el usuario esta por fuera de las tablas, tanto por encima de un valor máximo como por debajo de un valor mínimo. Otra parte principal en el inicio de la lógica del programa es indicarle a este como debe desplazarse entre las hojas ya que las tablas de propiedades termodinámicas se dividen en tablas de vapor húmedo y vapor sobrecalentado, de cada una determinamos los valores de presión, entalpia y entropía dependiendo su estado. Para comprender mejor la lógica del programa se realizó una explicación detallada acerca del funcionamiento y los procedimientos con los que el programa trabaja. Se parte de conocer las generalidades del aplicativo y los dos tipos de ejercicios que es capaz de solucionar, los llamaremos Tipo 1 y Tipo 2. 28.

(29) 4.3.1. Introducción al aplicativo Este aplicativo es una herramienta de uso principalmente académico con el cual los usuarios pueden llegar a comprender de una manera interactiva y didáctica los posibles rendimientos de diferentes fluidos de trabajo comparándolos entre sí con unas mismas condiciones iniciales. Sin embargo esta aplicación también puede ser útil industrialmente ya que permite incluir en su base de datos nuevos fluidos, brindando una cobertura muy amplia y arrojando resultados muy útiles para la posterior selección de un fluido de trabajo. El aplicativo consta de las siguientes partes principales: . . . . . Base de datos En esta base de datos se encuentran las tablas termodinámicas de varios fluidos refrigerantes y es la información más importante del programa. Esta base no es modificable y se encuentra oculta del usuario. Interfaz o mascara Esta es la parte donde se ingresa tanto el tipo de ejercicio a calcular como los datos iniciales del proceso. En esta aplicación esta máscara es lo más clara e interactiva posible con el usuario. Tabla de Valores Esta tabla de valores es el segundo paso del ingreso de datos de trabajo, en ella se ingresaran los valores de presión y temperaturas dependiendo el caso a calcular. Solucionario Es en esta pantalla donde se encuentran los resultados del cálculo realizado con las condiciones iniciales antes determinadas, en ella también se encuentra los posibles errores que pueda contener el proceso. Este solucionario cuenta con la aclaración en la utilización de fórmulas y de cómo se llegó a los resultados. Resumen comparativo Contará con los mismos datos del solucionario pero de una forma más organizada y clara para su revisión, el usuario en él podrá revisar individualmente los valores que necesite de todos los fluidos en comparación.. 29.

(30) 4.3.2. Lógica y procedimientos Tipo 1 y Tipo 2 El programa trabaja con la misma lógica de programación en el Tipo 1 y 2. Tipo 1 En este tipo de ejercicios se pueden determinar algunos factores a partir de unas condiciones iniciales, Condiciones iniciales.    . Presión en los estados 1, 2, 3 y 4 (P1, P2, P3 Y P4) Temperatura en el estado 3 (T3) Flujo másico (m) Eficiencias de bomba, caldera, turbina (Ƞbomba, Ƞcaldera, Ƞturbina). NOTA: Estos datos aparecen en la imagen seleccionados con un visto Se obtiene después del cálculo   . Calor de entrada y salida (Qin y Qout) Trabajo de entrada y salida (Win y Wout) Eficiencia térmica (Ƞterm). NOTA: Estos datos son los que aparecen en la imagen como incógnita (?). 30.

(31) Tipo 2 En este tipo de ejercicios se puede determinar algunos factores a partir de unas condiciones iniciales: Condiciones iniciales.    . Presión en los estados 1, 2, 3 y 4 (P1, P2, P3 Y P4) Temperatura en el estado 3 (T3) Flujo másico (m) Eficiencias de bomba, caldera, turbina (Ƞbomb, Ƞcaldera, Ƞturbina). NOTA: Estos datos aparecen en la imagen seleccionados con un visto Se obtiene después del cálculo:   . Flujo de calor de entrada y salida (Qin y Qout) Potencia de entrada y salida (Win y Wout) Eficiencia térmica (Ƞterm). NOTA: Estos datos son los que aparecen en la imagen como incógnita (?). 31.

(32) Tablas Vapor Húmedo (estado 1) Se halla: Volumen específico (v), entalpia (h1) y entropía (S1). Se activa la hoja “Tabla de vapor húmedo (HUM)” Se selecciona la celda B3 (Primer dato de presión). Variable P_min = Valor celda B3 >. Figura 13. Imagen de la Tabla Vapor Húmedo “HUM” - Posición P_min, puede ser: 1. P_min > P1 “SEGURO” 2. P_min = P1 3. P_min < P1 3.1 P_min > P1 “SEGURO” 1. P_min > P1 “SEGURO” El programa no realiza ningún cálculo debido a la activación del seguro, al ser P_min mayor que P1 el programa no encuentra valor alguno y desactiva la búsqueda.. 32.

(33) Ejemplo R142B HUM P1= 0.5KPa. Figura 14. Tabla Vapor Húmedo - P1 no se encuentra en la Tabla. Figura 15. Ejemplo error de presión (P1) fuera del rango por debajo – R142B NOTA: En otros fluidos de trabajo si hay solución para estos valores iniciales.. 2. P_min = P1 Los valores de Volumen específico (v), Entalpia (h1) y entropía (S1) se obtienen directo de la Tabla.. 33.

(34) Ejemplo R142B HUM P1= 24KPa. Figura 16. Valor de presión P_min =P1. Figura 17. Datos de entalpia y entropía directo de tabla – R142B 3. P_min < P1 Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna buscando un valor mayor que P1 en alguna celda, al encontrarlo detiene la búsqueda.. 34.

(35) Al ser mayor el valor de la celda a la presión P1 el programa interpola para determinar los valores de Volumen específico (v), Entalpia (h1) y entropía (S1).. Ejemplo R142B HUM P1= 25KPa. Figura 18. P_min < P1 Interpolación de valores de v, h y s.. Figura 19. Ejemplo en R142B Datos iniciales viables e interpolación. 35.

(36) 3.1. P_min < P1 “SEGURO” Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna, pero le valor de P1 sobrepasa el ultimo valor de presión de la tabla. El programa no hace ningún cálculo debido a la activación del SEGURO. Ejemplo R142B HUM P1= 3200KPa. Figura 20. Tabla Vapor Húmedo R142B - P1 sobrepasa último valor de la tabla. Figura 21. SEGURO – Ejemplo de error en presión (P1) por fuera del rango de la tabla – R142B. 36.

(37) Tablas Vapor Sobrecalentado (estado 2, 3 y 4) Se halla la Temperatura de saturación (TS) Se activa la tabla de vapor sobrecalentado (SOB) Se selecciona la celda B3 (Primer dato de presión). Variable P = Valor celda B3. Figura 22. Tabla Vapor sobrecalentado “SOB” – Posición. P, puede ser: 1. P > P2 “SEGURO” 2. P = P2 3. P < P2 3.1 P < P2 “SEGURO”. 37.

(38) 1. P > P2 “SEGURO” El programa no realiza ningún cálculo debido a la activación del seguro, el valor de P2 no se encuentra en la Tabla. Ejemplo R142B SOB P2= 0.5KPa. Figura 23. Tabla Vapor Sobrecalentado - P2 no se encuentra en la Tabla. Figura 24. Ejemplo de error de presión fuera del rango por debajo – R142B. 38.

(39) 2. P = P2 El valor de la temperatura de saturación (TS) se obtiene directo de la Tabla.. Ejemplo R142B SOB P2= 80KPa. Figura 25. Valor de P = P2, TS directa de Tabla. Figura 26. Interpolación de entalpias y entropías partiendo de TS.. 39.

(40) Figura 27. Determinación de TS directa de Tabla. 3. P < P2 Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna buscando un valor mayor que P2 en alguna celda, al encontrarlo detiene la búsqueda. Al ser mayor el valor de la celda a la presión P2 el programa interpola para determinar el valor de la temperatura de saturación (TS). Ejemplo R142B SOB P2= 92KPa. Figura 28. P > P2 Interpolación valores TS. 40.

(41) Figura 29. Interpolación valores de TS – R142B. Figura 30. Interpolación para determinar h3 y s3 – R142B 3.1 P < P2 “SEGURO” Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna, pero le valor de P2 sobrepasa el ultimo valor de presión de la Tabla. El programa no hace ningún cálculo debido a la activación del SEGURO. Ejemplo R142B SOB P2= 3120KPa. 41.

(42) Figura 31. Tabla Vapor Sobrecalentado - P2 sobrepasa último valor de la Tabla. Figura 32. Ejemplo de error presión fuera de rango por encima – R142B. Con la temperatura de saturación determinada se puede evaluar las distintas opciones que podrán resultar de comparar TS y T3. Se compara Ts y T3 para determinar los valores de Volumen específico (v), Entalpia (h3) y entropía (S3).. 42.

(43) 1. TS > T3 “SEGURO” El programa no realiza ningún cálculo debido a la activación del seguro, el valor de TS no puede ser mayor a T3. Ejemplo P2 = 1560Kpa T3 = 60º C. Figura 33. SEGURO – TS mayor que T3 – R142B SOB. Figura 34. Ejemplo error de temperatura (T3) fuera del rango por debajo – R142B NOTA: En otros fluidos de trabajo si hay solución para estos valores iniciales.. 43.

(44) 2. TS + 100° < T3 El programa no realiza ningún cálculo debido a la activación del seguro, la Tabla contiene datos de entalpia y entropía máximo con 100° de sobrecalentamiento. Ejemplo TS= 45° T3= 146° Diferencia de T°= 101°. Figura 35. Temperatura sobrecalentamiento máximo 100°. Figura 36. Ejemplo error de temperatura T3 – R142B. Se compara la temperatura de saturación (TS) con la temperatura en el estado tres (T3) con respecto a las presión P3.. 44.

(45) ALGORITMO 1. 1. TS = T3 1.1. P = P3 Los valores de entalpia (h3) y entropía (S3) salen directamente de la Tabla de vapor sobrecalentado.. Ejemplo TS= 30° T3= 30° P3= 394Kpa. Figura 37. Valor de Entalpia (h3) se obtiene de Tabla de vapor sobrecalentado 0°. 45.

(46) Figura 38. Valor de Entropía (S3) se obtiene de tabla vapor sobrecalentado 0°. Figura 39. Valores de entalpia y entropía directos de tabla – R142B 1.2 P < P3 Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna buscando un valor mayor que P3 en alguna celda, al encontrarlo detiene la búsqueda. Al ser mayor el valor de la celda a la presión P3 el programa interpola para determinar los valores de Entalpia (h3) y entropía (S3). Ejemplo R134A TS = 41.68° T3 = 41.68° P3 = 550Kpa. 46.

(47) Figura 40. Interpolación de valores de entalpia en columna 0° vapor sobrecalentado.. Figura 41. Interpolación de valores de entropía en columna 0° vapor sobrecalentado.. 47.

(48) Figura 42. Resultados de interpolación de entalpia y entropía – R134A. 2. TS < T3 2.1. TS + T°SOB = T3 2.1.1. P = P3 Los valores de entalpia (h3) y entropía (S3) salen directamente de la Tabla de vapor sobrecalentado. Ejemplo 142B SOB P3 = 779KPa TS = 55°C T3 = 75°C. 48.

(49) Figura 43. TS + T°SOB = T3 Valor de entalpia (h3) directo de tabla vapor sobrecalentado.. Figura 44. TS + T°SOB = T3 Valor de entropía (S3) directo de tabla vapor sobrecalentado.. Figura 45. Valores de entalpia y entropía de tabla – R142 49.

(50) 2.1.2. P < P3 Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna buscando un valor mayor que P3 en alguna celda, al encontrarlo detiene la búsqueda. Al ser mayor el valor de la celda a la presión P3 el programa interpola para determinar, primero el valor de TS y luego los valores de entalpia (h3) y entropía (S3). Ejemplo 142B SOB P3 = 800KPa TS = 56.01°C T3 = 81.01°C. Figura 46. Interpolación presiones y entalpias (h3) en la tabla de vapor sobrecalentado.. Figura 47 Interpolación presiones y entropías (S3) en la tabla de vapor sobrecalentado.. 50.

(51) Figura 48. Resultados de interpolación – R142B. 2.2. TS + T°SOB < T3 2.2.1. P = P3 Los valores de entalpia (h3) y entropía (S3) se obtienen de la interpolación entre columnas de la temperatura de sobrecalentado.. Ejemplo 142B SOB P3 = 1118KPa TS = 70°C T3 = 88°C. Figura 49. Interpolación entre columnas de la T° de sobrecalentamiento Para determinar la entalpia (h3). 51.

(52) Figura 50. Interpolación entre columnas de la T° de sobrecalentamiento Para determinar la entropía (S3).. Figura 51. Datos de la fila de TS (70ºC) en la tabla – R142B. Figura 52. Resultados de interpolación de entalpia y entropía – R142B. 2.2.2. P < P3 Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna buscando un valor mayor que P3 en alguna celda, al encontrarlo detiene la búsqueda. Al ser mayor el valor de la celda a la presión P3 el programa interpola para determinar, 52.

(53) Primero el valor de TS y luego los valores de entalpia (h3) y entropía (S3) interpolando las filas y luego las columnas de T° sobrecalentado. Ejemplo R142B SOB P3 = 730KPa TS = 70°C T3 = 88°C. Figura 53. Interpolación para determinar TS y posterior interpolación de valores de Entalpia en filas y luego interpolación en columnas de T° sobrecalentado.. Figura 54. Interpolación para determinar TS y posterior interpolación de valores de Entropía en filas y luego interpolación en columnas de T° sobrecalentado.. 53.

(54) Figura 55. Resultados de interpolaciones – R142B. Tablas Vapor Sobrecalentado (estado 4) Se halla (h4, S4 Y T4) Variable S = Valor celda entropía donde se detenga la búsqueda. Variable SS = Valor Entropía Saturación Columna 0° de la tabla de vapor sobrecalentado. ALGORITMO 2. 54.

(55) 1. SS = S4 1.1 P = P4 El valor de T4 es igual a la TS.. Ejemplo R142B SOB P4= 339KPa SS = 1.784 kJ/kgºC S4 = 1.784 kJ/kgºC. Figura 56. Entropía de saturación igual a entropía en estado 4, T4 = TS. 2. SS < S4 2.1. P = P4 2.1.1 S = S4 Se selecciona la celda de entropía de la columna 0° a la presión determinada P4 y se desplaza hasta encontrar un valor de S igual que S4. El valor de la temperatura de sobrecalentamiento es h4.. 55.

(56) Ejemplo R142B SOB P4 = 339KPa S3 = 1.828 kJ/kgºC. Figura 57. T4 se obtiene directo de Tabla de vapor sobrecalentado.. 2.1.2. S < S4 Se selecciona la celda de entropía de la columna 0° a la presión determinada P4 y se desplaza hasta encontrar un valor de S mayor que S4, interpola entre columnas para obtener h4.. Figura 58. Interpolación entre columnas de vapor sobrecalentado para determinar T4.. 56.

(57) 2.2. P < P4 2.2.1 S = S4 Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna buscando un valor mayor que P4 en alguna celda, al encontrarlo detiene la búsqueda. Al ser mayor el valor de la celda a la presión P4, se desplaza entre columnas de temperatura de sobrecalentamiento para determinar en cual se encuentra S3, se obtiene h4.. Ejemplo R142B SOB P4 = 500KPa S3= 1.825 kJ/kgºC. Figura 59. P < P4, valor de T4 directa de tabla de vapor sobrecalentado.. 2.2.2. S < S4 Se selecciona la celda B3 y se desplaza hacia abajo en la columna buscando un valor mayor que P4 en alguna celda, al encontrarlo detiene la búsqueda. Al ser mayor el valor de la celda a la presión P4 el programa interpola para determinar en cual fila y columna de temperatura de sobrecalentamiento se encuentra S3, se obtiene h4.. 57.

(58) Ejemplo R142B SOB P4 = 456Kpa. Figura 60. Interpolación entre columnas para determinar h4.. 4.3. Fase de validación de datos y puesta a punto El avance con la programación de la aplicación tuvo una serie de pruebas con valores iniciales premeditados y otros al azar, con el objeto de determinar posibles errores de funcionamiento del programa y ofrecer al usuario un apoyo extra con avisos importantes que indiquen los errores que se presentan. Los errores que más se detectaron al realizar estas pruebas fueron en la digitación de los caracteres de programación y en la ubicación en las tablas de propiedades termodinámicas de los fluidos de trabajo. Se realizaron las correcciones, dando como resultado un programa más robusto y confiable. Estas pruebas en el programa se realizaron de manera periódica y de acuerdo al avance en la programación, ya que es complicado corregir al final el programa debido a que enlaza mucha información y esta puede variar con alguna modificación puntual en ella. Con las pruebas de escritorio realizadas y contando con ejemplos ya comprobados por los textos teóricos se procedió a la validación de los datos a partir de los resultados que el programa arrojo, se ingresó datos aleatorios pero que estuvieran dentro del rango de la base de datos y otros absurdos al azar. De esta validación se determinaron errores en el funcionamiento del programa y fueron corregidos satisfactoriamente, verificados con los mismos datos que generaban error. Seguido a esto se verificó que el programa arroje resultados confiables comparados con los 58.

(59) textos académicos y con las pruebas de escritorio antes mencionadas, verificación que determinó el óptimo funcionamiento del software. Tenido la certeza que el programa funciona correctamente se hicieron varios ajustes tanto a la interfaz o mascara y a la organización de los resultados en la hoja de resumen comparativo para una mayor claridad y entendimiento del usuario.. 4.4. Fase de elaboración documentos y tutorial 4.4.1. Tutorial – Manual del usuario Básicamente en este tutorial el usuario tendrá una explicación detallada del funcionamiento del programa, errores más comunes, explicación de la hoja solucionario, explicación de la hoja resumen comparativo y el paso a paso para el ingreso de un nuevo fluido de trabajo. Este tutorial es una presentación de Power Point y está disponible en YouTube. Enlace: https://www.youtube.com/watch?v=MsH69Legz9k&feature=youtu.be. 4.2.2. Documentos explicativos 4.2.1. Explicación solucionario Este solucionario está diseñado para que el usuario comprenda y repase como se desarrolla el ejercicio y como el programa opera dependiendo de los datos iniciales ingresados. Está dividido de tal forma que se siga con un orden en cuanto a la obtención de los datos resultantes de cada cálculo y cada estado.. . Parte 1 Generalidades En esta sección se observan los datos iniciales ingresados en la interfaz y su conversión a sistema internacional ya que el usuario puede ingresar los datos en el sistema que desee y las posibles inconsistencias que puede presentar el proceso a partir de los datos ingresados.. 59.

(60) Figura 61. Tabla de valores iniciales – R142B . Parte 2 Calculo de Volumen especifico en liquido saturado, entalpia y entropía – Tabla de vapor húmedo A partir de la presión en el estado 1 (dato ingresado por el usuario) el programa determina los valores de volumen especifico, entalpia y entropía para el estado 1, estos valores se obtienen directo de las tablas si el valor de presión 1 es exacto al valor de la casilla o puede interpolar para determinarlo.. Figura 62. Datos de v1, h1 y s1 obtenidos de las Tablas – R142B. . Parte 3 Determinación h2 y h2a (corregida) Con los datos encontrados en la anterior parte se determinó la entalpia en el estado 2 y se corrigió con la eficiencia de la bomba (h2a).. 60.

(61) Figura 63. Procedimiento de cálculo y obtención de entalpia estado 2 y su corrección – R142B. . Parte 4 Determinación de h3 y s3 a partir de la presión en el estado 3 La presión en el estado 3 es un valor conocido por el usuario ya que fue un dato que ingreso en la interfaz de inicio (la misma P2), a partir de ella se determina la entalpia y entropía en el estado 3 de las tablas, puede salir de directo de tabla o por interpolación de valores tanto en la temperatura de saturación TS como en la temperatura de sobrecalentamiento dependiendo de la temperatura en el estado 3 (T3).. 61.

(62) Figura 64. Determinación de valores de h3 y s3 de las Tablas de vapor sobrecalentado – R142B . Parte 5 Ubicación estado – Mezcla o vapor sobrecalentado Es en esta sección donde se determinó el estado del fluido, puede estar dentro de la campana ósea es una mezcla liquido-vapor o puede estar fuera de ella en estado de vapor sobrecalentado, todo depende del valor sg4 o punto de saturación. Si s3=s4 es menor o igual a sg4 está en fase liquidovapor y si lo contrario s4 es mayor se tiene vapor sobrecalentado y se calcula de otra forma. De esta sección encontramos calidad de la mezcla si existe y entalpia en el estado 4.. Figura 65. Estado líquido-vapor – R142B. Al ser mayor s4 que sg4 el programa da como no aplica a la mezcla y no calcula ningún dato, este más adelante saldrá de las tablas termodinámicas.. 62.

(63) Figura 66. Estado vapor sobrecalentado – R134A . Parte 6 Determinación h4 por tablas termodinámicas A partir de la presión en el estado 1 encontramos un valor de temperatura de sobrecalentamiento que corresponde a la entropía en el estado 4 (S4=S3), el programa determina la temperatura directa de las tablas si el valor de S4 es exacto al valor de la celda o por interpolación de no ser exacto.. Figura 67. Determinación valor temperatura sobrecalentamiento R134A Con este valor de sobrecalentamiento encontramos la entalpia en el estado 4 (h4), la misma presión del estado 1.. Figura 68. Determinación entalpia en estado 4 de las tablas termodinámicas R134A. 63.

(64) . Parte 7 Cálculos finales Teniendo todas las entalpias se calculó los siguientes valores para obtener la eficiencia térmica, valor principal para la comparación de los fluidos de trabajo.. Figura 69. Procedimiento de cálculos finales del proceso – R142B. 64.

(65) 4.2.2. Explicación resumen comparativo y grafica En esta sección se ubican todos los valores, tanto los iniciales como los que el programa arroja después de calcular algún proceso, de igual manera se encuentran en el solucionario pero es en el resumen comparativo donde se ubican de una manera más organizada y detallada siendo una herramienta bastante útil para el usuario ya que puede comparar los fluidos de trabajo y posteriormente determinar cuál se ajusta a su requerimiento. Este resumen comparativo consta de tres secciones: 1. Tabla de valores Es en esta Tabla, donde automáticamente después de calculado el proceso, los valores iniciales y los resultados se ubican organizadamente separados por estados y colores, además de una imagen con el ciclo, sus elementos y los estados. En ella encontrará los resultados y las unidades de los fluidos de trabajo comparados, las unidades se indican según haya sido la elección del usuario, sistema inglés o sistema internacional.. Figura 70. Tabla de valores iniciales y resultados de los fluidos de trabajo. Ejemplo: P1: 200Kpa, P2: 450Kpa, T3: 60ºC, m: 2kg/s, efic: 1. 65.

(66) 2. Tabla de óptimos relativos Los valores más importantes y relevantes para la determinación del fluido de trabajo se encuentran en esta sección, es aquí donde el usuario fácilmente puede encontrar el fluido con mayor eficiencia comparándolo con los demás. De cada parámetro se obtiene una sumatoria llamada rendimiento relativo, de esta se obtiene mayor claridad para determinar el fluido con el mayor valor.. Figura 71. Valores determinantes para la selección de los fluidos de trabajo. Ejemplo: P1: 200Kpa, P2: 450Kpa, T3: 60ºC, m: 2kg/s, eficiencias: 1 3. Grafica La grafica es un apoyo adicional a la Tabla de valores principales, se ubican los cinco factores relevantes de los fluidos comparados para su selección de una manera clara y detallada. El fluido con mayor área será el más recomendable para la selección. Adicionalmente el programa tiene una gráfica de valores absolutos donde el usuario puede determinar con mayor claridad que fluido de trabajo está en el primer lugar de rendimientos.. Figura 72. Grafica de valores principales. 66.

(67) Ejemplo: P1: 200Kpa, P2: 450Kpa, T3: 60ºC, m: 2kg/s, eficiencias: 1. Figura 73. Grafica de valores en comparación absoluta. 4.4.3. Documento final Se elaboró el presente documento, el cual se presentó ante la Universidad Distrital para optar al título de ingeniero mecánico el cual tiene incluido toda la documentación que respalda el diseño del aplicativo informático.. 67.

(68) 5 RESULTADOS Adicionalmente a las pruebas en el programa se realizó otra prueba de escritorio, en ella se empleó el programa CYCLEPAD con el cual se demostró que el margen de error entre los dos programas es bajo, garantizando que el programa es capaz de resolver adecuadamente cualquier ejercicio planteado, brindando soluciones que corresponden a estándares teóricos del tema.. Cilo Rankine R134a (Cyclepad). Figura 74. Ciclo Rankine Fluido R134a – Programa Cyclepad. Bomba R134a. Figura 75. Datos y resultado de la bomba – Fluido: R134a – Programa Cyclepad. 68.

(69) Estados 1 y 2 (R134a). Figura 76. Datos y resultados en estados 1 y 2 - Fluido: R134a – Programa Cyclepad. Caldera R134a. Figura 77. Datos y resultados de la Turbina - Fluido:R134a – Programa Cyclepad. 69.

(70) Estado 3 (R134a). Figura 78. Datos y resultados del estado 3 – Fluido: R134a – Programa Cyclepad. Turbina R134a. Figura 79. Datos y resultados de Turbina– Fluido: R134a – Programa Cyclepad Estado 4 (R134a) 70.

(71) Figura 80. Datos y resultados del estado 4 – Fluido: R134a – Programa Cyclepad. Condensador R134a. Figura 81. Datos y resultados del Condensador – Fluido: R134a – Programa Cyclepad. 71.

(72) Ciclo Rankine R22 (Cyclepad). Figura 82. Ciclo Rankine Fluido: R22 – Programa Cyclepad. Bomba R22. Figura 83. Datos y resultados de la bomba – Fluido: R22 – Programa Cyclepad. 72.

(73) Estados 1 Y 2 (R22). Figura 84. Datos y resultado estados 1 y 2 Fluido: R22 – Programa Cyclepad. Caldera R22. Figura 85. Datos y resultado de Caldera – Fluido: R22 – Programa Cyclepad. 73.

(74) Estado 3 (R22). Figura 86. Datos y resultado del estado 3 – Fluido: R22 – Programa Cyclepad. Turbina R22. 74.

(75) Figura 87. Datos y resultados de Turbina – Fluido: R22 – Programa Cyclepad. Estado 4 (R22). Figura 88. Datos y resultados del estado 4 – Fluido: R22 – Programa Cyclepad. Condensador R22. Figura 89. Datos y resultados del condensador – Fluido: R22 – Programa Cyclepad 75.

(76) Margen de error (Cyclepad vs Termpro) CYCLEPAD POTENCIA DE ENTRADA FLUJO DE ENTRADA DE (KW) CALOR (KW). POTENCIA DE SALIDA (KW). FLUJO DE RECHAZO DE CALOR (KW). EFICIENCIA TERMICA. R134a. 0,1391. 522,6. 96,15. 426,6. 0,165. R22. 0,1235. 1385. 271,3. 1114. 0,179. POTENCIA DE SALIDA (KW). FLUJO DE RECHAZO DE CALOR (KW). EFICIENCIA TERMICA. TERMPRO POTENCIA DE ENTRADA FLUJO DE ENTRADA DE (KW) CALOR (KW). R134a. 4,91. 467,176. 82,018. 430,267. 0,183. R22. 8,899. 1239. 231,135. 1115. 0,195. POTENCIA DE SALIDA (KW). FLUJO DE RECHAZO DE CALOR (KW). EFICIENCIA TERMICA. MARGEN DE ERROR (%) POTENCIA DE ENTRADA FLUJO DE ENTRADA DE (KW) CALOR (KW). R134a. 97,16. 10,6. 14,69. 0,85. 9,83. R22. 98,6. 10,54. 14,8. 0,089. 8,2. Figura 90. Resultados del margen de error entre los programas Cyclepad y Termpro para Fluidos: R134a y R22. Todas estas pruebas dan como resultado un programa confiable, de fácil manejo y comprensión capaz de resolver problemas con condiciones iniciales preestablecidas, entregando resultados adecuados y avisos de errores de incoherencias en los datos suministrados con el fin que estos sean corregidos y garantizar que un resultado factible. Para brindar una mejor comprensión del software se elaboró un tutorial en presentación Power Point como manual de usuario, en él se encuentra el paso a paso del manejo del programa y se explican claramente las diferentes hojas de procedimientos y resultados del software. Este tutorial cuenta con un enlace en la página de internet YouTube https://www.youtube.com/watch?v=kSb2CSl5BKQ&feature=youtu.be. El docente y tutor German Arturo López Martínez fue la persona escogida para realizar la capacitación y evaluación del manejo del programa, la capacitación fue 76.

(77) realizada a medida se avanzó en el diseño y programación, los cambios y mejoras fueron notificadas y explicadas al docente para lograr un entendimiento total del programa. La evaluación se realizó totalmente sobre el programa, con la asesoría continua de parte de los integrantes del proyecto y con el apoyo ilustrativo del tutorial, de esta capacitación se evaluaron los siguientes parámetros:    . . Manejo y desplazamiento por la aplicación en general. Comprensión de las hojas de solucionario. Comprensión de la hoja de resumen comparativo. Análisis de las gráficas (de esta evaluación se realizó la inclusión de la gráfica de valores absolutos, para brindar mayor claridad en cuanto al fluido de trabajo con mayor rendimiento). Ingreso adecuado de un nuevo fluido de trabajo.. El docente evaluó satisfactoriamente el programa. Se considera que este trabajo apoyará la labor académica en la Facultad Tecnológica ya que se convierte en una herramienta pedagógica muy valiosa en la enseñanza de asignaturas como Termodinámica, Termodinámica aplicada y Sistemas de aire acondicionado. 77.

(78) 6. CONCLUSIONES .  .   . . Se diseñó una aplicación (software) capaz de comparar el rendimiento de seis fluidos de trabajo, R142b, R134a, R123, R 124, R409a y FREON 22, en Ciclo Rankine Orgánico ORC. Con una herramienta informática de fácil acceso como el Excel, fue posible realizar el desarrollo de una aplicación de índole académico. Esta aplicación sirve para profundizar y optimizar el método de enseñanza en las materias teóricas de la rama térmica de las carreras Tecnología e Ingeniería Mecánica en la Universidad Distrital Fco José de Caldas. Se capacitó al docente German Arturo López Martínez en el uso de la aplicación. Se elaboró un tutorial explicativo como herramienta de apoyo en el manejo de la aplicación. Es posible incrementar el uso de la aplicación aumentando al alcance de la misma a sectores industriales, ingresando las bases de datos de nuevos fluidos que se requieran para realizar su comparación con los otros fluidos y adicionando los elementos necesarios para mejorar la eficiencia del ciclo. La aplicación, por estar diseñada en formato digital, permite a futuro ser empleada en la internet, brindando así, una herramienta académica al público en general para su formación en la aplicación de Ciclo Rankine Orgánico.. 78.

(79) 7. BIBLIOGRAFIA . Excel 2007 – Programación con Visual Basic VBA Autor: Jhon Walkenbach Editorial: ANAYA MULTIMEDIA España 2007. . Aprendiendo Visual Basic 6 Autor: Greg Perry Editorial: PEARSON EDUCACION USA 2006. . Fundamentos de Termodinámica Técnica Autor: M.J. MORAN - H.N. SHAPIRO Editorial: Reverté S.A.. . Principios de Termodinámica para ingenieros Autor: John R. Howell - Richard O. Buckius Editorial: Mc Graw Hill. PUBLICACIONES . Programación Visual Basic (VBA) para Excel y análisis numérico Autor: M. Sc. Walter Mora F. - José Luis Espinoza Instituto Tecnológico de Costa Rica Octubre 2005. . Energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos Autor: Cesar Chamorro Camazón Dpto. de Ingeniería Energética y Fluido mecánica Diciembre 2008. 79.

(80) . Fluidos utilizados en refrigeración Autor: Pedro Fernández Diez Tablas Termodinámicas: R134a – R142B – R124 – R409 – R22 – R123 – R600. . Tablas y diagramas de Termodinámica Autor: Prof. Carlos G. Villamar l: Universidad de los Andes. . Tablas y gráficas de Termodinámica Autor: M. Hadzich Área de Energía Sección Ingeniería Mecánica Lima Perú 2006. . Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery Autor: E.H. Wang – H.G. Fan – M.G. Ouyang – Y. Zhao – Q.H. Mu College of environmental and energy Engineering Beijing University Beijing China. 80.

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Figure

Figura 13. Imagen de la Tabla Vapor Húmedo “HUM” - Posición
Figura 15. Ejemplo error de presión (P1)  fuera del rango por debajo – R142B   NOTA: En otros fluidos de trabajo si hay solución para estos valores iniciales
Figura 17. Datos de entalpia y entropía directo de tabla – R142B
Figura 19.  Ejemplo en R142B Datos iniciales viables e interpolación
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