revista ingenierÍa uc · desarrollo de un software para la simulación de procesos aplicados a la...

Revista INGENIERÍA UC

ISSN: 1316-6832

[email protected]

Universidad de Carabobo

Venezuela

Franceschi, Katiuska; Lugo, Luis; Páez, Gabriel; Magarelli, Donato

Desarrollo de un software para la simulación de procesos aplicados a la termodinámica.

Revista INGENIERÍA UC, vol. 23, núm. 2, agosto, 2016, pp. 138-152

Universidad de Carabobo

Carabobo, Venezuela

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Revista Ingenierıa UC, Vol. 23, No. 2, Agosto 2016 138 - 152

Development of a software for solving problems applied tothermodynamics.

Katiuska Franceschi∗, Luis Lugo, Gabriel Paez, Donato MagarelliEscuela de Ingenierıa Quımica, Facultad de Ingenierıa, Universidad de Carabobo, Valencia, Venezuela.

Abstract.-

This work aims to develop a software for solving various thermodynamic cases (ThermoQuest-UC), generatinga valuable tool for the calculation and analysis of the thermodynamic processes focusing behavior based on thebasic principles. It was used as the integrated development environment (IDE) NetBeans 8.0 for Java programminglanguage libraries containing calculation routines and the generation of the graphical interface. It was designedto work with applications of the first and second law of thermodynamics in closed systems as a rigid tank andcylinder-piston; and open systems in steady state, being available equipment: compressor, turbine, pump, nozzle,boiler, heat exchanger and expansion valve, as well as resolution of 4 thermodynamic cycles: Brayton, Rankine,vapor compression refrigeration and Linde-Hampson cycle. Counting with a database containing properties of 14fluids. Which it was validated by comparing the results with respect to both cases presented bibliographic material,specifically the accepted literature and grade papers, obtaining percentages of deviation lower than 5 %.

Keywords: simulator; software; thermodynamics; thermodynamic cycles.

Desarrollo de un software para la simulacion de procesos aplicados a latermodinamica.

Resumen.-

El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar un software destinado a la resolucion de casos termodinamicos(ThermoQuest-UC), generando una valiosa herramienta para el calculo y analisis de procesos enfocandose alcomportamiento termodinamico basado en los principios basicos. Se utilizo como entorno de desarrollo integrado(IDE) Netbeans 8.0, para la programacion en lenguaje Java de las librerıas que contienen las rutinas de calculo, aligual que la generacion de la interfaz grafica. Siendo disenado para trabajar aplicaciones de la primera y segunda leyde la termodinamica, en sistemas cerrados como: un tanque rıgido y cilindro-piston; y sistemas abiertos en estadoestacionario, encontrandose disponibles los equipos: compresor, turbina, bomba, tobera, caldera, intercambiador decalor y valvula de expansion, ası como la resolucion de 4 ciclos termodinamicos: Brayton, Rankine, refrigeracionpor compresion de vapor y el ciclo de Linde-Hampson. Contando para ellos con una base de datos que contienelas propiedades de 14 fluidos. El cual fue validado mediante la comparacion de los resultados respecto a casospresentados tanto en material bibliografico, especıficamente de la literatura aceptada, como en trabajos de grado,obteniendose porcentajes de desviacion menores al 5 %.

Palabras clave: simulador; software; termodinamica; ciclos termodinamicos.

Recibido: Noviembre 2015Aceptado: Julio 2016

∗Autor para correspondenciaCorreo-e: [email protected] (Katiuska

Franceschi )

1. Introduccion

El presente trabajo de investigacion tiene comofinalidad desarrollar un software para la resolucionde distintos casos termodinamicos (ThermoQuest-UC). El software es de gran utilidad especıfica-

Revista Ingenierıa UC, ISSN: 1316–6832, Facultad de Ingenierıa, Universidad de Carabobo.

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mente en la catedra de termodinamica ya quepermite a los estudiantes interactuar con el mismo,platear diferentes casos y apreciar los resultadosante los datos entregados por el usuario, de estamanera estarıa disponible cada semestre a ungrupo de aproximadamente de 120 estudiantessiendo una herramienta para la comprension de lamateria. De esta manera se podra realizar a futuroversiones mejoradas del programa basandose enlas observaciones al ser aplicado en los cursos.Para ThermoQuest-UC se aprovecha la tecnologıacomputacional disponible actualmente y las ca-racterısticas que presenta Java, como lenguaje deprogramacion.

El software basado en un lenguaje de programa-cion libre, segun la Fundacion de Software Libre(Free Software Fundation), es aquel que respeta lalibertad de los usuarios y la comunidad. Es decir,el usuario tiene la libertad para ejecutar, copiar,distribuir, estudiar, modificar y mejorar el softwaresin que exista obligacion alguna de comunicarlo alprogramador ni a ninguna otra entidad especıfica.

La ingenierıa quımica, por su parte, requierede calculos analıticos que debido a su naturaleza,conllevan a una inversion de tiempo considerable.Por lo que es recurrente el uso de simuladores,los cuales son programas que representan unareplica de los fenomenos de la realidad medianteun entorno interactivo donde el usuario puedemodificar los parametros y ver como reacciona elsistema ante el cambio inducido en una cantidad detiempo reducida y sin necesidad de experimentos.

Es por ello que el software desarrolladoThermoQuest-UC, se concibe como unaherramienta computacional que contribuye alproceso de formacion del usuario, donde este,pueda obtener resultados en un tiempo mınimo;para evaluaciones preliminares de equipos yprocesos en el ambito profesional y que puedeser utilizado como base en la creacion de otrossoftwares o como extension para aplicacionestermodinamicas mas complejas por parte dela Unidad de Investigacion de Ingenierıa deProcesos (UIIP) de la facultad de ingenierıa dela Universidad de Carabobo y de esta manerasustituir el uso de simuladores comercialesen tareas especıficas que obtener sus licencias

representan un gran costo para la universidad.

2. Desarrollo de la investigacion

2.1. Metodologıa para el desarrollo de los al-goritmos que permitan la resolucion de loscasos termodinamicos

Con el fin de lograr el desarrollo de losalgoritmos, se selecciono el lenguaje de pro-gramacion. Se realizo una revision bibliografica,para identificar los posibles softwares destinadospara este fin. Debido a que lo deseado fue larealizacion de un software de lenguaje libre, seconsideraron entre las posibilidades, lenguajescomo: C, C++, Python y Java. Luego de conocerlos distintos tipos de lenguaje, para la seleccionde uno de ellos se llevo a cabo la realizacionde una matriz de valoracion por puntos donde sepresentan los aspectos a evaluar, los cuales tieneuna ponderacion y se le asigna un valor a cadauno de las opciones del lenguaje dependiendo desu cumplimiento para tal caracterıstica.

Una vez que se ha definido el lenguaje de pro-gramacion en el que se desarrollan los algoritmos,se realiza una busqueda de un entorno para eldesarrollo de la interfaz que sea compatible con ellenguaje seleccionado y a su vez sea un ambienteamigable para el programador.

Para la elaboracion de los algoritmos se realizouna esquematizacion de la estructura del programacomo tecnica de analisis para conocer la relevanciade los elementos constitutivos y las relaciones quese presentan entre ellos. Definiendo de esta maneralos paquetes principales con los que cuenta elprograma, los elementos que los constituyen y surelacion entre ellos.

Se realizo una revision bibliografica donde sepresentara una variedad de casos, haciendo enfasisen aplicaciones de la primera y segunda ley dela termodinamica. Al igual que mediante unarevision de trabajos de investigacion que contarancon los datos necesarios para la definicion delos estados termodinamicos para su simulacionmediante el software.

Se definieron diversidad de variables que puedeintervenir en las distintas clases y objetos, depen-


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diendo del comando o la accion que se desea llevara cabo. Entre las cuales se pueden encontrar:

Variables numericas: int, double.

Variables de texto: string.

Variables logicas o Booleanas: true, false,and, or, equals.

Objetos de librerıas creados por el autor.

2.2. Diseno de la interfaz grafica que facilite lacomunicacion entre el usuario y el modulo decalculo

Se realizo una esquematizacion de la interfazgrafica con el fin de lograr una buena distribucionde los elementos que la conforman para laobtencion de un buen desempeno funcional comoun aspecto agradable para el usuario desde el puntode vista estetico. Posteriormente se selecciona elentorno de desarrollo de la interfaz compatible conel lenguaje seleccionado.

Debido a que la interfaz grafica de usuariodebe contar con una serie de elementos para lacorrecta comunicacion con el usuario, se tienentipos de variables capaces de lograrlo. Entre ellasse pueden nombrar:

Contenedores.

Componentes graficos.

Objetos de librerıas adicionales.

Objetos de librerıas creados por el autor

Debido a los diferentes tipos de metodos queposee el software, se busco elaborar un menu deseleccion que presentara las opciones principalescon las que cuenta el usuario para la realizacion deuna actividad en especıfico, dependiendo del casoque desee evaluar mediante la implementacion delsoftware.

Mediante las diferentes herramientas para eldesarrollo del entorno grafico se establecieronespacios contenedores encargados de mostrar cadauno de los elementos de la interfaz con los queinteractua el usuario.

2.3. Validacion de las operaciones ejecutadas conel modulo de calculo

La validacion del software y su capacidad decalculo aplicado a distintos casos termodinamicos,se evaluo mediante la verificacion del despliegueen pantalla de los elementos, el adecuado manejode los eventos relacionados a cada uno de loscomponente y la comparacion de los resultadosentregados por el software con los reportados tantopor fuentes bibliograficas, como datos historicosprovenientes de trabajos de investigacion.

Se realizo una busqueda en el material bi-bliografico de distintos ejemplos y problemas,que cuenten con la informacion y las variablesnecesarias, para poder ser representados por mediodel software. Tambien considerando los equiposque presenta el programa o los fluidos que puedenser utilizados. El mismo proceso se llevo a cabocon respecto a varios trabajos de investigacion.

Se procedio a introducir la cantidad mınima dedatos requeridos por el software dependiendo delcaso termodinamico que se desee representar, enlos espacios destinados para ello en la interfazgrafica, para poder llevar a cabo el calculo yposterior salida de los resultados tambien porelementos de la interfaz.

Luego de introducir los valores de acuerdo a lodescrito en el punto anterior, el software realiza loscalculos correspondientes y presenta los resultadosen los campos dispuestos para ese proposito.Posteriormente, estos valores fueron recopilados yse compararon con los reportados ya sea a nivel dela bibliografıa o los datos historicos de los trabajosde investigacion, y se les determino el porcentajede desviacion de los resultados obtenidos por elsoftware con respecto a los valores de referencia.

3. Analisis y discusion de resultados

La base de datos esta conformada por las prin-cipales propiedades termodinamicas requeridaspara la resolucion de diversos casos: temperatura,presion, volumen especıfico, entalpıa, entropıa yenergıa interna, y en el caso de los gases ideales:temperatura, entalpıa, energıa interna y entropıaestandar (so).



La base de datos del software esta conformadapor 14 fluidos, los cuales son: Agua (H2O),Aire, Dioxido de Carbono (CO2), Metano (CH4),Etano (C2H6), Propano (C3H8), Butano (C4H10),Isopentano (C5H12), Pentano (C5H12), Hexano(C6H14), Nitrogeno (N2), Oxıgeno (O2), R-134a yR-23.

Se escogio como fuente destinada para laextraccion de las propiedades a Saavedra [1] conexcepcion de las propiedades del aire y el oxıgeno,para los cuales se utilizo a Perry [2]. Los fluidosconsiderados como gas ideal, fueron: aire, dioxidode carbono, nitrogeno y oxıgeno; y las propiedadesfueron extraıdas tanto de Van Wylen[3] y Stull [4].

Para el sistema de gestion de datos, responsablede almacenar la informacion y facilitarselas alprograma, se seleccionaron las hojas de calculopertenecientes a OpenOffice, debido a su facilidadde uso. Realizandose el llenado de los formatospara los estados de saturacion, sobrecalentamientoo gas ideal, dependiendo del caso.

3.1. Seleccion del lenguaje de programacion

Se realizo la seleccion del lenguaje para eldesarrollo de los algoritmos del programa. Paraello se empleo una matriz de valoracion porpuntos (presentada en la Tabla 1), donde sepresentan los aspectos a evaluar, los cuales tieneuna ponderacion asignandole un valor a cada unade las opciones del lenguaje dependiendo de sucumplimiento para tal caracterıstica. Basado enlos resultados obtenidos de la aplicacion de lamatriz, se puede evidenciar que el lenguaje deprogramacion sugerido para la elaboracion de losalgoritmos es Java. Donde se observa que unode los factores decisivos para la seleccion fue elmanejo del lenguaje.

3.2. Desarrollo del software

El software se estructuro en 4 paquetes quecontienen el codigo de todo el programa.

Paquete principal. Se considera ası, ya que con-tiene la clase principal, es decir, aquella queejecuta el programa (ejecutable). Contiene ademaslas clases correspondientes a la interfaz grafica deusuario.

Tabla 1: Matriz de valoracion por puntos para la selecciondel lenguaje de programacion.

Alternativas de lenguaje

Factores % C C++ Python JavaE M E M. E M E M

Versatilidad 20 3 60 4 80 5 100 4 80Orientadoa Objetos 20 1 20 5 100 5 100 5 100

Multipla-taforma 20 3 60 4 80 5 100 5 100

Populari-dad 10 4 40 4 40 5 50 5 100

Manejodel

lenguaje30 1 30 1 30 1 30 4 120

TOTAL 100 - 210 - 330 - 380 - 500

Paquete de datos. Es el encargado de contener lasclases responsables de buscar y leer los valoresen la base de datos; ası como guardar los datosen variables y crear objetos que contribuyan alalmacenamiento.

El paquete de clases “dataIn” define cada unade las clases que ayudan al proceso de lectura ymanejo de datos. Para la lectura de la base de datosse implementan metodos de seleccion de lecturaque mediante una estructura de control definen elmetodo a utilizar dependiendo de cada fluido yaque el numero de datos para cada uno varıa.

Cada fluido define el numero de filas y columnasque posee la tabla de datos y el llamado de losmetodos de lectura si es sobrecalentado, saturado,lıquido comprimido o gas ideal. Antes de cadalectura se crean objetos que contienen las variablesen donde se almacena la base de datos.

Paquete de calculo. Se encuentran las clases quecontienen las ecuaciones y modelos matematicosa implementar para los casos termodinamicosque requieran la primera y segunda ley de latermodinamica. Tambien se presentan las clasesque llevan a cabo el calculo de las propiedades.

Para emplear la primera ley de la termodinamicase realizo un analisis de la misma para suadaptacion a diferentes procesos a estudiar. Elreconocimiento del calor y la energıa internacomo formas de energıa hace posible generalizarla ley de conservacion de la energıa mecanicapara incluir el calor y la energıa interna ademas



del trabajo y las energıas externa, potencial ycinetica. Un enunciado formal de la primera leyde la termodinamica es: “Aunque la energıa adoptamuchas formas, la cantidad total es constante,y cuando desaparece en una forma, aparecerasimultaneamente en otras”. Al aplicar la primeraley a un proceso dado, la esfera de influencia delos procesos se divide en dos partes, el sistemay los alrededores. La region en la que ocurre elproceso es separada y se conoce como sistema;todo aquello con lo que el sistema interactua sonlos alrededores [5].

En cuanto a los casos termodinamicos seconsidero que los sistemas pueden ser cerrados oabiertos. Para la resolucion de los casos termo-dinamicos se escogieron los siguientes equipos yaplicando la primera ley de la termodinamica paracada uno de ellos, se tiene:

Sistemas cerrados: La primera ley de latermodinamica ha producido una definicionoperacional de la energıa. El cambio en laenergıa de un sistema cerrado es igual altrabajo hecho sobre o por el sistema en elcurso de un proceso adiabatico. Para procesosen que interviene el calor, debera tomarseen cuenta un tipo adicional de interaccion(interaccion de calor). En ausencia de unainteraccion de trabajo, usamos la ecuacion (1)[6].

Q = ∆E (1)

En el estudio de la termodinamica, es con-veniente considerar la energıa cinetica y laenergıa potencial por separado y despuesconsiderar las otras formas de energıa de lamasa de control en una sola propiedad que sellama energıa interna, y a la cual se le da elsımbolo de U. Por lo que la energıa (E) es lasuma de energıa interna (U) mas la energıapotencial (EP) mas la energıa cinetica (EC)[6].

Contenedor rıgido. En este caso al examinaral examinar las diversas formas de trabajo enla superficie de control, se concluye que el

trabajo para este proceso es cero. Ademas, elsistema no se mueve, ası que no hay cambioen la energıa cinetica. Existe un pequenocambio en el centro de masa del sistema, perose supondra que el cambio correspondiente enla energıa potencial es insignificante [6]. Porlo tanto, se emplea la ecuacion (2) [7].

∆U = ±Q (2)

Donde:

U: Energıa interna (kJ).

Q: Calor (kJ).

Contenedor cerrado con agitador. Se empleala ecuacion (3) que involucra el trabajo [7]

∆U = We je ± Q (3)

Donde:

W: Trabajo (kJ).

Cilindro piston. Se emplea la ecuacion (4)considerando el trabajo de desplazamiento [7]

∆U = ±Q ± P(V f inal − Vinicial

)(4)

Donde:

V: Volumen (m3)

P: Presion (kPa)

Para procesos isotermicos de gases ideales sepresenta la ecuacion (5) [7]:

∆U = ±Q ± P Vinicial ln(

V f inal

Vinicial

)(5)

Sistemas abiertos [7].

Turbinas. Se emplea la ecuacion (6) queinvolucra la energıa del fluido al entrar y salirdel equipo [7]

Wturb = ±Q + m (hentrada − hsalida) (6)

Donde:

W: Potencia (kW)

Q: Flujo de calor (kW)

m: Flujo masico (kg/s)

h: Entalpıa (kJ/kg)



Compresor. Se emplea la ecuacion (7) [7]

Wcomp = ±Q + m (hsalida − hentrada) (7)

Para la bomba se tiene la misma ecuaciondel compresor ya que ambos son equipos queconsumen energıa.

Toberas. Se emplea la ecuacion (8) [7]

hentrada +V2

entrada

2= hsalida +

V2salida

2(8)

Donde:

V: velocidad (m/s)

Valvulas de estrangulamiento. Se emplea laecuacion (9) [7]

hsalida�hentrada (9)

Intercambiadores de calor. Se emplea laecuacion(10) [7]

0 = ±Q + m (hentrada − hsalida) (10)

Considerando los efectos del serpentın eigualando los calores sobre la primera ley, seobtiene la ecuacion (11) [7]:

m (hentrada − hsalida) =

mserp (heS − hsS ) (11)

Donde:

eS : entrada serpentın

sS : salida serpentın

Para el caso de la segunda ley de la ter-modinamica se implemento el principio deincremento de entropıa dado por las ecuacio-nes (12), (13) y (14) [3]

∆S neto = ∆S medio + ∆S S istema (12)

∆S S istema =

m f inalS f inal − minicialS inicial (13)

∆S medio =∑[±QT0

+ mentraS entra − msaleS sale

](14)

Para la busqueda de las propiedades termo-dinamicas se necesita la matriz de datos del fluidoguardadas en las clases de lectura y dependiendode la region termodinamica.

Metodo de calculo vapor sobrecalentado y lıqui-do comprimido. Este metodo se subdivide en3 ya que la busqueda de propiedades es di-ferente para cada combinacion de propiedades(P − T, P. − (v, u, h, s),T − (v, u, h, s))

Caso T-P: se realiza un barrido de temperaturascomparando los elementos de cada fila con la tem-peratura ingresada por el usuario hasta encontrarun valor que coincida con alguno de los valores dela busqueda o que se encuentre entre ellos, luegorealiza el mismo procedimiento con la presioncomparando con cada uno de los valores en cadacolumna hasta encontrar la coincidencia o que seencuentre entre dos valores. Si la temperatura seencuentra entre dos valores se llama al metodo deinterpolacion para el calculo de las propiedades, lomismo pasa si la presion se encuentra entre ambosvalores.

Caso T - (v, u, h, s), es un caso similar al anteriorcon la diferencia de que se compara la propiedadsuministrada por el usuario con los valores en cadafila de temperatura y no la fila de presiones de latabla.

Caso P.- (v, u, h, s), se realiza una busquedacomparando cada una de las presiones de cadafila hasta encontrar la que coincida con el valorbuscado o este entre dos valores, luego se realizauna busqueda de la segunda propiedad entre cadauno de los valores que esten entre las columnas depresiones seleccionadas.

Metodo de calculo saturado. Se realiza un barridode presion o temperatura hasta encontrar la coin-cidencia o que el valor buscado se encuentre entredos filas, luego si se tiene como segunda propiedadla calidad se obtienen las demas propiedades, osi se tiene alguna otra propiedad menos presiono temperatura se puede calcular la calidad paraobtener el resto de propiedades (Figura 1).

Metodo de calculo gas ideal: se realiza unbarrido con cualquiera de las propiedades T, u,h, s0 hasta conseguir la coincidencia o que se



public double calculoCalidad(double nf,double n,double ng){double x;if (nf == ng) {

x = 1;} else {

x = (n - nf) / (ng - nf);} return x; }

Figura 1: Metodo de calculo de calidad.

encuentre entre dos valores para luego interpolary conseguir el resto de propiedades.

Clase interpolacion: En ciertos casos el usuariopuede calcular el valor de un estado termodinami-co a condiciones que coincidan con los valoresdefinidos en la base de datos del fluido de trabajo,pero no se conoce una expresion analıtica quepermita calcular el valor de las propiedades termo-dinamicas para un punto arbitrario (Figura 2).

public double calculoInterpolacion(double x1,double y1,double x2, double y2,double valor)

{

double resultado;resultado=((y2-y1)*(valor-x1))/(x2-x1)+y1;return resultado;

}

Figura 2: Metodo de interpolacion.

Clase primera ley: En esta clase se declarantodas las variables que involucran la primera leyde la termodinamica, contiene metodos de calculode las ecuaciones especıficas para cada equipomediante la primera ley.

Se utiliza la convencion de signos de la ter-modinamica clasica y todo lo que entre desdeel entorno hacia el sistema como magnitudespositivas, y todo lo que salga del sistema al entornocomo magnitudes negativas.

Clase segunda ley: La clase “SegundaLey.java”se encarga del calculo para el estudio de laposibilidad de un proceso mediante el principiode incremento de entropıa debido a su alcancetanto para equipos, procesos abiertos y procesoscerrados cıclicos y no cıclicos que cubre elsoftware ThermoQuest-UC (Figura 3). Para elcalculo se toma como consideracion la convencionde signos.

El metodo CalculoSegundaLey es el encargadode recibir todos los datos enviados por el sistema

public double calculoSegundaLey(){

sumaCalorT=0;for (int i=0; i<vectorCalor.length;i++){

if (tAmb==0){sumaCalorT+=0;

else{sumaCalorT+=((-1*vectorCalor[i])/tAmb);

deltaS=sumaCalorT+(masaEnt*entropiaE)-(masaSal*entropiaS)- (masaIni*entropiaI) +(masaFin*entropiaF);

return deltaS; }

Figura 3: Metodo de calculo de la segunda ley de latermodinamica.

en estudio, en el se realiza un ciclo For en el cualse divide el flujo de calor entre la temperatura deentorno, en caso de trabajar con un solo equiposera un ciclo de una sola vuelta, en caso deprocesos de mas de un equipo se realizaran tantasvueltas como equipos con transferencia de calorcon el entorno existan.

Paquete de eventos: Contiene las clases que seencargan de escuchar e implementar el codigocorrespondiente a la accion realizada por elusuario; ası como el traspaso de informacion entreel paquete de datos y el de calculo. Se encargadel manejo de instrucciones para el calculo delos ciclos termodinamicos “Brayton, Rankine,Refrigeracion, y Linde-Hapson como tambien dela logica de calculo al momento de implementarlas leyes de la termodinamica y la determinacionde propiedades. Estos ciclos requieren de losmetodos de calculo de propiedades, primera ysegunda ley de la termodinamica. Los ciclosposeen un arreglo ya definido, por lo que para cadauno se tiene un metodo que contiene una serie deinstrucciones para su resolucion.

Cada seccion de calculo del programa posee unaclase de eventos:

“EventosPropiedades.java”,

“EventosCalcularLeyes.java” y

“EventosCiclos.Java”.

La clase “EventosPropiedades.java” se encargadel calculo de las propiedades de un estadotermodinamico, este consiste en recibir el tipode fluido, las propiedades suministradas por elusuario y la region en donde este definido, y de esta



manera hacer el llamado a las clases del paquete“calculos” que devuelve el estado ya definido(Figura 4).

La clase “EventosCalcularLeyes” dirige el mo-do de calculo de la primera ley en tres nivelesde control: sistemas cerrados, sistemas abiertoscıclicos y sistemas abiertos no cıclicos, para ello dedispuso de una estructura de control que permitieraconocer mediante la interfaz grafica que tipo desistema el usuario desea trabajar (Figura 5).

@Overridepublic void actionPerformed(ActionEvent event){

//Declaration de variablesif (comprobacion) {

switch (estado lista) {case “Desconocido”: //Si el estado es desconocido

//Definir regionbreak;case “Lıquido Comprimido”:

estado = “Lıquido Comprimido”;// Llamado al metodo de calculo de propiedades

break;case “Mezcla lıquido-vapor”:

estado = “Mezcla lıquido-vapor”;// Llamado al metodo de calculo de propiedades

break;case “Sobrecalentado”:

estado = ““Sobrecalentado”;// Llamado al metodo de calculo de propiedades

break;case “Gas Ideal”:

estado = “Gas Ideal”;// Llamado al metodo de calculo de propiedades

break;}}}

Figura 4: Metodo de calculo de la clase “EventosPropieda-des.java”.

if (equipo.gui.procesoCerrado.isSelected()){//Bloque de codigo de calculo de propiedades y primera

y segunda ley}

else if (equipo.gui.procesoAbiertoNoCiclico.isSelected()) {//Bloque de codigo de calculo de propiedades y primera

y segunda ley}

else if (equipo.gui.procesoAbiertoCiclico.isSelected()) {//Bloque de codigo de calculo de propiedades y primera

y segunda ley}

Figura 5: Forma de calculo de la clase “EventoCalcularLe-yes.java”.

El metodo de f inirEcuacionLey1() yde f inirEcuacionLey2() poseen una estructurasimilar, ambos se encargan se hacer llamados al

paquete de calculo especıficamente a los metodosprimeraLey() y segundaLey() respectivamente demanera de cumplir con los datos que estos exijansegun el equipo a utilizar y de la cantidad de datosque el usuario disponga (Figura 6).

public void definirEcuacionLey1(){

calculo1Ley = new PrimeraLey();switch (equipo.identificadorEquipo) {

case “Bomba”: //Equipo bomba//Codigo de calculo

break;case “Compresor”: //Equipo Compresor

//Codigo de calculobreak;case “Turbina”: //Equipo Turbina

//Codigo de calculobreak;

// otros equipos }

Figura 6: Funcion de calculo del metodo definirEcuacion-Ley1().

3.3. Creacion de la interfaz graficaLa interfaz grafica se encarga de gestionar la

comunicacion entre el usuario y el software basadoen interacciones visuales como botones, iconos,ventanas, entre otros para la captura y salida dedatos correspondientes a las operaciones logicasy matematicas realizadas por los algoritmos delprograma.

El software ThermoQuest-UC presenta una ven-tana principal ubicada en una clase de tipo JFramellamada “VentanaPrincipal.java” (Figura 7)

Figura 7: Ventana principal del software ThermoQuest-UC.

La primera categorıa “Archivo” posee dos ıtems,el primero “Nuevo”, se encarga de mostrar laventana de seleccion de los 3 modulos principalesdel programa con el que se desee trabajar. Elsegundo “Cerrar”, se encarga de terminar laejecucion del programa.

La Segunda categorıa “Herramientas”, posee unıtem, “Tablas de propiedades termodinamicas”,el cual se encarga de mostrar una ventana conla interfaz necesaria para la consulta de las



propiedades de los distintos fluidos de la base dedatos de ThermoQuest-UC.

La tercera categorıa “Ayuda”, posee un ıtem,“Contenido de ayuda”, el cual muestra una ventanade ayuda con los contenidos teoricos necesariospara la comprension del funcionamiento del pro-grama.

Al ejecutar el programa, o al marcar el ıtem“Nuevo” de la categorıa “Archivo”, la cual tienecomo encabezado “Menu de seleccion”, comotambien cuenta con tres botones ubicados de formaparalela que se encargan de mostrar las opcionesde calculo que presenta el programa representadoen la Figura 8.

Figura 8: Ventana de seleccion.

Para la consulta de propiedades termodinamicasse agrega un panel “VentanaPropiedades.java” alcontenedor de la ventana principal como se puedeobservar en la Figura 9. Este panel se puede dividiren dos secciones, la de datos y resultados donde seingresan los datos correspondientes y se muestrael estado termodinamico a consultar, y la secciondel diagrama que muestra un domo termodinamicosegun la sustancia seleccionada y la combinacionde propiedades deseada para definir el eje de lasordenadas y las abscisas.

Para el calculo de la primera y segunda leyde la termodinamica en equipos se agrega unJPanel “PanelLeyes.java” el cual posee una barrade configuracion que permite la seleccion deltipo de fluido a utilizar, tipo de sistema (cerrado,

abierto, cıclico o no cıclico) y si los calculosseran solo respecto a la primera ley o a laprimera y segunda ley de la termodinamica,mediante objetos JRadioButtons donde se puedeseleccionar solo una de las opciones, ademas sedispone de un boton “Comenzar” que permitemostrar la configuracion seleccionada, para el casode configuracion de proceso abierto se requiereingresar la masa y luego el numero de equiposmediantes una ventana de datos.

Figura 9: Panel de consulta de propiedades termodinamicas.

Al seleccionar el equipo deseado independien-temente de la configuracion de calculo establecidase dispone una configuracion en comun de camposde texto, etiquetas, objetos JCheckBox (cajas dechequeo), pestanas, listas y tablas de resultadoslas cuales cumplen la funcion de ingreso de datoscomo corrientes de entrada y salida (inicio y finpara procesos cerrados), tablas donde se mostraranlos resultados del calculo de propiedades de lascorrientes, pestanas donde estan distribuidos cadauno de los datos necesarios y calculos particularesde cada equipo, en general se tienen 2, una llamadaparametros el cual es un espacio dedicado paramostrar o ingresar variables particulares de cadaequipo, y la otra llamada datos donde se muestranlas tablas de resultados de las propiedades delfluido. Ademas se muestra una etiqueta e imagenque ayuden al facil reconocimiento del equipo enel que se trabaja.

Sistema Cerrado: Se pueden escoger 3 equipos,contenedor rıgido, contenedor con eje y cilindropiston, cada uno dispone de espacios de texto,etiquetas y botones que indiquen al software lo quese tiene y desee calcular. Ademas de establecer queel equipo sea adiabatico o no, cada uno posee lossiguientes elementos:



Contenedor rıgido: masa, calor (caso noadiabatico).

Contenedor con eje: masa, trabajo, calor (casono adiabatico) (Figura 10).

Cilindro piston: masa, trabajo, calor (caso noadiabatico), volumen inicial, volumen final,(caso Isobarico e isotermico).

Figura 10: Contenedor con eje.

Sistema abierto estacionario: Se escoge entre7 equipos, bomba, compresor, turbina, inter-cambiador, caldera, tobera y valvula, cadauno dispone de espacios de texto, etiquetasy botones que indiquen al software lo quese tiene y desee calcular. Se muestra dosmensajes donde se requiere ingresar el flujomasico y el numero de equipos que poseael sistema. Tambien se muestra una tablacon la identificacion de todos los equiposdel proceso. Para cada equipo se muestra lasiguiente informacion.

Bomba: potencia, calor (caso no adiabatico),adiabatico (Figura 11).

Compresor: potencia, calor (caso no adiabati-co), adiabatico (Figura 12).

Turbina: potencia, calor (caso no adiabatico),adiabatico. (Figura 13).

Intercambiador: Calor, serpentın; en caso deindicarse que se tiene serpentın se muestran

dos pestanas, una llamada “Datos serpentın”donde se tiene informacion de las corrientesde entrada, salida y flujo masico del serpentın,y otra “Serpentın” donde se tiene informacionde todas las propiedades a la entrada y salida(Figura 14).

Caldera: calor (Figura 15).

Tobera: velocidad de entrada, velocidad desalida (Figura 16).

Valvula: no muestra informacion adicional alos datos de corriente de entrada y salida delequipo (Figura 17).

Figura 11: Bomba.

Figura 12: Compresor.

Tanto para sistemas abiertos o cerrados en casode que el usuario ingrese toda la informacion querequiera el equipo, se mostrara para cada equipoun mensaje indicando si se cumple o no la primeraley de la termodinamica.



Figura 13: Turbina.

Figura 14: Intercambiador de calor.

Figura 15: Caldera.

Al trabajar con la segunda ley de la termo-dinamica se muestra un mensaje indicando laposibilidad del equipo junto al valor de incrementode entropıa, para el caso de equipos no adiabaticos,tambien se pide la temperatura del entorno. Parael caso de equipos con eficiencia isentropica(bombas, compresores, turbinas y toberas) semuestra un espacio de texto dedicado para calcular

Figura 16: Tobera.

Figura 17: Valvula.

Figura 18: Barra de datos iniciales del ciclo.

o ingresar el porcentaje de eficiencia. Al finalizarde ingresar todos los datos termina el calculopresionando el boton finalizar mostrandose unmensaje indicando el cumplimiento de la primera



ley de todo el proceso y de la posibilidad delsistema para el caso de trabajar con la segunda ley.

Para el calculo de varios ciclos termodinami-cos se agrega el JPanel “PanelCiclos.java” alcontenedor de la pantalla principal. El panelcontiene inicialmente una barra lateral en la cualse proporciona la informacion inicial del cicloa trabajar: lista de ciclos disponibles (Brayton,Rankine, Refrigeracion y Linde-Hampson), tipode ciclo (real o ideal), sustancia de trabajo(Figura18), y dependiendo del ciclo seleccionado:flujo masico (se puede indicar si es conocido o nopara algunos casos) y si se conoce la temperaturade entorno de los equipos que posean transferenciade calor (Figuras 19, 20 y 21).

En el resto del panel se tiene un diagramarepresentativo del ciclo termodinamico a trabajar,ası como una etiqueta con el nombre y tipo deciclo (real o ideal). La captura de datos para cadaciclo se hace de manera distinta dependiendo delos datos suministrados por el usuario. Para ciclosideales se muestras espacios de texto y lista depropiedades para las siguientes corrientes.

Figura 19: Ciclo Brayton.

3.4. Validacion del programa

Para la validacion del programa, se realizaronvarias comparaciones de los resultados obtenidoscon el software ThermoQuest-UC y casos plantea-dos en la bibliografıa y trabajos de investigacion.

Para un ejemplo de verificacion del calculode propiedades termodinamicas a traves del soft-ware ThermoQuest-UC, se selecciono el ejemplomostrado en el capıtulo 3, pagina 104 de Moran

Figura 20: Ciclo Rankine ideal.

Figura 21: Ciclo de Refrigeracion ideal.

y Shapiro [8], donde se requiere el calculodel volumen especıfico para ciertas condicionesempleando como fluido: agua, el resultado de lacomparacion se puede observar en la Tabla 2.

Tabla 2: Desviacion para el modulo de calculo depropiedades.

Variable Bibliografıa(m3/kg)

ThermoQuest-UC(m3/kg)

Desv.( %)

Volumenespecıfico 1,506 1,526 1,341

Para el calculo de la primera y segunda leyde la termodinamica en equipos se agrega unJPanel “PanelLeyes.java” el cual posee una barrade configuracion que permite la seleccion deltipo de fluido a utilizar, tipo de sistema (cerrado,abierto, cıclico o no cıclico) y si los calculosseran solo respecto a la primera ley o a laprimera y segunda ley de la termodinamica. Porotro lado se tiene una barra de menu vertical,un objeto JMenuBar que contiene botones como



Figura 22: Barra de menu vertical.

elementos que lo conforman, cada boton tieneuna figura caracterıstica del equipo que representa,los cuales son distribuidos dependiendo de laconfiguracion de calculo previamente establecidacomo se representa en la Figura22.

Al seleccionar el equipo deseado independien-temente de la configuracion de calculo establecidase dispone una configuracion, como se puedeobservar en la Figura22, de campos de texto,etiquetas, objetos JCheckBox (cajas de chequeo),pestanas, listas y tablas de resultados las cualescumplen la funcion de ingreso de datos comocorrientes de entrada y salida (inicio y fin paraprocesos cerrados), tablas donde se mostraranlos resultados del calculo de propiedades de las

corrientes, pestanas donde estan distribuidos cadauno de los datos necesarios y calculos particularesde cada equipo

Para mostrar un ejemplo de este modulo decalculo se tomo el problema 4.24 ubicado en lapagina 203 del Cengel y Boles [7] en el cualse tiene como objetivo el calculo del trabajo quese realiza en un sistema cilindro-piston, donde selleva a cabo un proceso de expansion isotermicoempleando nitrogeno (N2) como fluido de trabajo,el resultado de la comparacion se puede observaren la Tabla 3.

Figura 23: Panel del equipo seleccionado.

Tabla 3: Desviacion para el modulo sistema cerrado-cilindro-piston.

Variable Bibliografıa(kJ)

ThermoQuest-UC(kJ)

Desv.( %)

Trabajo 7,65 7,65 0,00

Para verificar el intercambiador de calor, seutilizaron datos de historicos extraıdos del trabajode investigacion de la Universidad de Carabobopor los autores Ubieda y Vargas [9] donde sebusca obtener el calor recibido por el agua, en unintercambiador de doble tubo, con fluido calefactoren paralelo. Los resultados de la comparacion sepueden observar en la Tabla 4.

Como ejemplo para la verificacion de los ciclos,se extrajo el ejercicio 9.5 ubicado en la pagina 518del Cengel y Boles [7], en el cual se tiene comoobjetivo el calculo del trabajo del compresor y laeficiencia termica del ciclo, empleando aire comofluido de trabajo, como es mostrado en la Tabla 5.



Tabla 4: Desviacion para el modulo del intercambiador decalor.

Variable Trabajo degrado (kW)

ThermoQuest-UC(kW)

Desv.( %)

Flujo decalor 0,30098 0,30820 2,398

Tabla 5: Desviacion para el modulo de ciclo Brayton ideal.

Variable Bibliografıa ThermoQuest-UC Desv.( %)

Trabajocompresor

(kJ/kg)244,16 247,73 1,462

Eficienciatermica

( %)44,8 44,8 0,00

Como segundo ejemplo se utilizo el problema13.4 ubicado en la pagina 548 [8], en el cualse tiene como objetivo el calculo de la fraccionlicuada como resultado del proceso de licuefaccioncontando con las presiones tanto de alta comode baja, ası como propiedades para definir lascorrientes 4 y 9, el resultado se puede observar enla Tabla 6.

Tabla 6: Desviacion para el modulo de ciclo Linde-Hampsonideal.

Variable Bibliografıa ThermoQuest-UC Desv.( %)

Fraccionlicuada 0,053 0,051 3,774

4. Conclusiones

Se desarrollo un software en lenguaje libre(Java) ThermoQuest-UC para el estudio de casostermodinamicos. ThermoQuest-UC sera empleadoespecıficamente en la catedra de termodinamica demanera que los estudiantes aprecien los resultadosante los datos entregados al software facilitando elanalisis de los resultados obtenidos.

El programa cuenta con una base de datos de 14compuestos como: agua, aire, dioxido de carbono,

metano, etano, propano, butano, isopentano, pen-tano, hexano, nitrogeno, oxıgeno, R-134a y R-23.Los datos de cada sustancia se encuentran en hojasde calculo provenientes de un software libre comolo es OpenOffice. Las propiedades disponibles enla base de datos corresponden a Saavedra [1] conexcepcion de las propiedades del aire y el oxıgeno,para los cuales se utilizo a Perry [2]. Los fluidosaire, dioxido de carbono, nitrogeno y oxıgeno; suspropiedades fueron extraıdas tanto de Van Wylen[3] y Stull [4]. ThermoQuest-UC cuenta conmodelos algoritmos y matematicos que definenel comportamiento termodinamico de los fluidos,basandose en principios fundamentales como laprimera y segunda ley de la termodinamica. Severifico el buen funcionamiento del programacomparando sus resultados con casos reportadosen la bibliografıa y trabajos de investigacionencontrandose desviaciones menores al 5 %.Serealizaron pruebas de calculo con el programatomando casos de sistema cerrado obteniendodesviaciones por debajo al 1 % ası como tambiensistema abierto con desviaciones entre 0 y 5 %.

ThermoQuest-UC dispone de diversos equiposy la representacion de los principales ciclos ter-modinamicos, permitiendo de esta manera planteardiversidad de casos que amplıan y sustentan elconocimiento en el area termodinamica por loque se cuenta con una herramienta versatil conno solo la posibilidad de trabajar con lo queya contempla el programa sino tambien poderrealizar las modificaciones necesarias de manerade incorporar modelos para ampliar sus funcionesya existentes.

Referencias

[1] Francisco Saavedra. Aplicacion de la computacion alcalculo de las propiedades termodinamicas mediante eluso de los compiladores Quick Basic ver 4.5 y BasicPDS ver 7.1. Trabajo de Ascenso, Escuela de IngenierıaMecanica, Facultad de Ingenierıa, Universidad deCarabobo, Valencia, Venezuela, 1993.

[2] Peter Lilley, Robert Reid y Evan Buck. Datos fısicos yquımicos. En R. Perry, D. Green y J. Maloney, editores,Manual del Ingeniero Quımico, volumen 1, capıtulo 3.McGraw Hill, 6ta edicion, 2001.

[3] G. Van Wylen, R. Sonntag y C. Borgnakke. Fundamen-tos de termodinamica. Limusa Wiley, 2da edicion, 1992.



[4] Daniel R. Stull, Harold Prophet, and National StandardReference Data System. JANAF thermochemical tables.Technical report, U.S. Dept. of Commerce, NationalBureau of Standards, Washington, 1971.

[5] J. M. Smith, H. C. Van Ness y M. M. Abbott.Introduccion a la termodinamica en ingenierıa quımica.Mc Graw Hill, 6ta edicion, 2003.

[6] J. R. Kenneth Wark. Termodinamica. McGraw-Hill, 5ta

edicion, 1991.[7] Yunus Cengel y Michael A. Boles. Termodinamica. Mc

Graw Hill, 5ta edicion, 2006.[8] Michael J. Moran y Howard N. Shapiro. Fundamentos

de termodinamica tecnica. Editorial Reverte, S. A., 2da

edicion, 2005.[9] Jonathan Ubieda y Joanna Vargas. Desarrollo de

un software para la evaluacion del banco de inter-cambiadores de calor del Laboratorio de IngenierıaQuımica. Trabajo Especial de Grado, Escuela deIngenierıa Quımica, Facultad de Ingenierıa, Universidadde Carabobo, Valencia, Venezuela, 2006.


revista ingenierÍa uc · desarrollo de un software para la simulación de procesos aplicados a la...

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