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Se quiere aprovechar un chorro de 1 kg/s de gases de escape a 500 ºC para calentar agua desde 20 ºC hasta 120 ºC (presurizada). Sabiendo que la composición del gas es xN2=0,80 y xCO2=0,20 (fracciones molares), se pide:

a) Fracciones másicas y masa molar media del gas.

b) Balances másicos y energéticos para el cambiador de calor necesario.

c) Capacidad térmica del CO2 a 15 ºC y a 500 ºC, y valor medio ponderado para el balance energético.

d) Flujo de agua máximo que se puede calentar.

Datos:

>	read"../therm_eq.m":read"../therm_proc.m":with(therm_proc):

>	su1:="N2":su2:="CO2":su3:="H2O":dat:=[mg=1*kg_/s_,Tge=(500+273)*K_,Twe=(20+273)*K_,Tws=(120+273)*K_,xN2=0.8,xCO2=0.2,DT=50*K_];

>

Ecs. const.:

>	Ndat:=get_gas_data(su1):Cdat:=get_gas_data(su2):Wdat:=get_liq_data(su3):dat:=MN2=subs(Ndat,M),MCO2=subs(Cdat,M),op(dat),Const,SI2,SI1:

a) Fracciones másicas y masa molar media del gas.

>	eqM:=Mm=xN2*MN2+xCO2*MCO2; eqM_:=subs(dat,%);eqyN2:=yN2=xN2*MN2/Mm;eqyN2_:=subs(eqM_,dat,%);eqyCO2:=yCO2=xCO2*MCO2/Mm;eqyCO2_:=subs(eqM_,dat,%);

i.e. 72% de N2 y 28% de CO2 en peso (el más pesado aumenta), con Mm=31 g/mol (entre los 28 g/mol del N2 y los 44 g/mol del CO2).

b) Balances másicos y energéticos para el cambiador de calor necesario.

>	eqBMg:=mg_e=mg_s;eqBMw:=mw_e=mw_s;eqBE:=mg*Dhg=mw*Dhw;eqBE_MSP:=mg*cpg*(Tge-Tgs)=mw*cw*(Tws-Twe);;

c) Capacidad térmica del CO2 a 15 ºC y a 500 ºC, y valor medio ponderado para el balance energético.

Supondremos que los gases están a presión atmosférica, que la supondremos suficientemente baja como para usar el cp(T,p=0) sin correcciones por compresibilidad.

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cp_CO2:=get_cp_data(su2);plot(subs(SI0,cp_CO2),T=300..1500,c[p]=0..60);cp_CO2_T0:=subs(T=T0,dat,cp_CO2);cp_CO2_T0_:=subs(Cdat,%/M);cp_CO2_Tge:=subs(T=Tge,dat,cp_CO2);cp_CO2_Tge_:=subs(Cdat,%/M);cp_me:=Int(cp(T),T=T1..T2)/(T2-T1);cp_meCO2:=subs(dat,int(cp_CO2,T=T0..Tge)/(Tge-T0));cp_meCO2_:=subs(Cdat,%/M);

Nótese que el cp medio está más próximo al valor mayor, por la forma de la curva cp(T). Los valores más exactos (NIST) son 841 J/(kg·K) y 1160 J/(kg.K).

d) Flujo de agua que se puede calentar.

Convendrá disponer los flujos a contracorriente, en cuyo caso el límite de enfriamiento de los gases sería la temperatura de entrada del agua.

>	Tgs:=Twe+DT;eqBE:=mw=mg*Dhg/Dhw;eqBE:=mw=mg*cpg*(Tge-Tgs)/(cw*(Tws-Twe));eqcp:=cp=xN2*cpN2+xCO2*cpCO2;eqcp_:=cp=subs(Ndat,dat,xN2*c[p])+subs(Cdat,dat,xCO2*c[p]);subs(DT=0,cw=c,Wdat,cpg=cp,eqcp_,dat,eqBE);subs(cw=c,Wdat,cpg=cp,eqcp_,dat,eqBE);

i.e. se pueden calentar como máximo unos 1,15 kg/s de agua, aunque como en la práctica hay que dejar un salto térmico mínimo entre ambas corrientes para que el cambiador de calor no sea muy grande y caro, que al participar un gas ha de ser grande (del orden de 50 ºC), se reduce a 1 kg/s de agua.

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