Este documento presenta el desarrollo de un ejercicio de balance energético de una turbina de vapor utilizando el software EES. Se resuelven los balances para determinar propiedades como el trabajo, flujo másico y rendimientos. El ejercicio calcula estas propiedades para diferentes partes del sistema y el rendimiento global considerando varios combustibles.

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA
FACULTAD DE LA ENERGÍA Y LOS RECURSOS
NATURALES NO RENOVABLES
CARRERA ELECTROMECÁNICA
ASIGNATURA:
Práctica: 2
Docente: Ing. Carlos Samaniego
Estudiante: Franklin Guillen
CUARTO CICLO
Loja- Ecuador

2. 2021

3. 1
1. TEMA: Balance energético de una turbina de vapor con el software EES
(Engineering Equation Solver)
2. OBJETIVOS:
 Resolver el balance energético en una turbina de vapor mediante en el software
EES
MATERIALES Y REACTIVOS EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
 Computadora portátil
3. PROCEDIMIENTO
3.1. La salida de potencia de una turbina de vapor adiabática es 5 MW, mientras que las
condiciones de entrada y salida del vapor de agua son como se indica en la figura.
Figura 1. Turbina de vapor de agua
a) Determine las magnitudes de Δh, Δec y Δep.
b) Determine el trabajo hecho por unidad de masa del vapor de agua que fluye por la
turbina.
c) Calcule el flujo másico del vapor.

4. 2
El eje de la turbina de vapor alimenta a un generador eléctrico que entrega una potencia
de salida de 4,45MW.
d) Determinar el rendimiento del generador
El rendimiento del combustible respecto a la salida de potencia mecánica de la turbina
(respecto al PCI) es del 40%. El poder calorífico inferior del diésel es de 10200 kcal/kg.
e) Determinar el flujo másico del combustible que entra en la caldera.
f) Calcular el rendimiento global del sistema desde la entrada de combustible, hasta la
salida de potencia eléctrica del generador.
3.2. Desarrollo de ejercicio de forma manual
a) Para determinar la entalpía se utilizó la tabla A-6 con las 2 propiedades intensivas
independientes disponibles:
𝑃1 = 2𝑀𝑃𝑎
𝑇1 = 400 °𝐶
ℎ1 = 3248.4
𝑘𝐽
𝑘𝑔
(Tabla A-6)
Para la salida de la turbina el estado es vapor húmedo se utilizó la tabla A-5 y
calidad de vapor del 0.9:
ℎ2 = ℎ𝑓 + 𝑥ℎ𝑓𝑔
ℎ2 = [225.94+ (0.9)(2372.3)]
𝑘𝐽
𝑘𝑔
ℎ2 = 2361.01
𝑘𝐽
𝑘𝑔
Entonces

5. 3
Δh = h2 − h1
Δh = 2361.01
kJ
kg
− 3248.4
kJ
kg
Δh = −𝟖𝟖𝟕.𝟑𝟗
𝐤𝐉
𝐤𝐠
Δec = 𝑣2
2−𝑣1
2
2
Δec =
(180
m
s
)
2
−(50
m
s
)
2
2
(
1
kJ
kg
1000
m2
s2
)
Δec = 𝟏𝟒.𝟗𝟓
𝐤𝐉
𝐤𝐠
Δep = g(z2 − z1)
Δep = (9.81 𝑚/𝑠^2 )− (6𝑚 − 10𝑚)(
1
𝑘𝐽
𝑘𝑔
1000
𝑚2
𝑠2
)
Δep = 𝟎.𝟎𝟒
𝐤𝐉
𝐤𝐠
b) El balance de energía para este sistema de flujo estacionario se puede expresar
como:Ėentrada = Ėsalida
Figura 2. Ėentrada = Ėsalida
El balance de energía en el caso de un sistema general de flujo estacionario es:
Q̇ − Ẇ = ṁ [h2 − h1 +
v2
2 − v1
2
2
+g(z2 − z1) ]

6. 4
Como la turbina es adiabática por lo que no hay transferencia de calo utilizamos la
siguiente ecuación:
𝑤=− (Δh +Δ𝑒𝑐+Δ𝑒𝑝)
w = − (−887.39 + 14.95 + 0.04)
kJ
kg
w = 𝟖𝟕𝟐.𝟒𝟖
𝐤𝐉
𝐤𝐠
c) El flujo másico requerido para una salida de potencia de 5 MW
ṁ =
Ẇ
𝑤
ṁ =
500
𝑘𝐽
𝑠
872.48
𝑘𝐽
𝑘𝑔
ṁ = 𝟓.𝟕𝟑
𝒌𝒈
𝒔
d) Ahora calculamos el rendimiento del generador con una salida de potencia eléctrica
del generador de 4,45MW
𝜂𝐺𝑒𝑛 =
Ẇ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
Ẇ 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝜂𝐺𝑒𝑛 =
Ẇ 𝑒𝑙𝑒𝑐
Ẇ
𝜂𝐺𝑒𝑛 =
4.45𝑀𝑊
5𝑀𝑊
𝜂𝐺𝑒𝑛 = 𝟎.𝟖𝟗
e) Calculo para encontrar el flujo masico
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
Q̇entrada caldera
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ
Q̇EntCaldera

7. 5
Q̇EntCaldera =
Ẇ
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟
Q̇EntCaldera =
5𝑚𝑤
0.4
Q̇EntCaldera = 𝟏𝟐.𝟓𝐌𝐖
Q̇EntCaldera = (PCI) ∗ (ṁcombustible)
ṁcombustible =
Q̇EntCaldera
𝑃𝐶𝐼
ṁcombustible =
12500kw
10200
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
(
4.1868𝑘𝐽
1 𝑘𝑐𝑎𝑙
)
ṁcombustible = 𝟎.𝟐𝟗𝟐𝟕
𝒌𝒈
𝒔
f) El rendimiento global
𝜂𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 =
Ẇ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
Q̇entrada caldera
𝜂𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 =
Ẇ 𝑒𝑙𝑒𝑐
Q̇EntCaldera
𝜂𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 =
4.45 𝑀𝑊
12.5 𝑀𝑊
𝜂𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = 𝟎.𝟑𝟓𝟔
4. MARCO TEÓRICO
 Balance de energía en sistemas abiertos
Se deduce que la energía que entra menos la energía que sale va hacer igual al
cambio de energía en el sistema Ė𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − Ė𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 =
𝒅𝑬
𝒅𝒕
 Estado de un sistema
El estado de un sistema se describe mediante sus propiedades, pero se sabe por
experiencia que no es necesario especificarlas todas con la finalidad de fijarlo. Una

8. 6
vez especificadas suficientes propiedades, el resto asume automáticamente ciertos
valores.
 Sustancia pura
Se refiere cuando una sustancia no cambia su composición química a lo largo
de toda su extensión entonces será una sustancia pura.
 Postulado de estado
El postulado de estado se refiere que se necesita dos propiedades intensivas
independientes para poder determinar un estado termodinámico; y un estado
termodinámico es cuando ya conocemos todo.
5. RESULTADOS OBTENIDOS
Primero definimos el sistema de unidades en las que vamos a trabajar. Por lo que
tenemos que ingresar “Options” y de ahí hacemos clic en “Unit System”. Y
seleccionamos las siguientes casillas.

9. 7
Figura 3. Sistema de unidades
5.1. Definimos las variables o constantes que nos da el enunciado en el “Ecuations
Windows”, y para que el resultado se nos presente en una tabla debemos poner cada
propiedad entre corchetes.

10. 8
Figura 4. Variables y constantes del enunciado
5.2. Ahora determinamos las propiedades que necesitamos para realizar los cálculos
que pide el ejercicio por ende ingresamos a “Options” y de ahí “Funtion Info” e
ingresamos a la ventana de ayuda de funciones.
Figura 5. Determinación de propiedades

11. 9
5.3. Ahora ya con los datos y las propiedades ya determinadas procedemos hacer los
cálculos que pide el ejercicio
Figura 6. Progreso de los cálculos del ejercicio
5.4. Una vez ya todo ingresado al “Equations Windows” le damos click en el boto
“Solve” y automáticamente nos presenta las repuestas en una ventana que se
despliega “Solution”.

12. 10
Figura 7. Ventana “Solution”, pestaña de Main y Key Variables
5.5. Tenemos que darle un click derecho donde están las respuestas para poder darle
formato y un nombre a las respuestas.
Figura 8. Ventana “Format Selected Variables”

13. 11
Figura 8. Ventana de “Solution” con las respuestas de cada literal
5.6. Como en un principio ya fueron definidas en formato de la tabla al estar entre
corchetes las propiedades. Esto se lo realizo para que se nos presente de la siguiente
manera:
Figura 9. Ventana “Arrays”
6. DISCUSIÓN
La ventaja que encuentro en determinar las propiedades termodinámicas y
mediante el software es de que es más rápido de encontrar las propiedades de
manera óptima y precisa, en cambio sí lo hago de forma manual podría cometer algún
error en el momento de calcular los datos.

14. 12
En el software EES no necesitamos hacer despeje de variables ya que el lo hace
de forma auto matica dependiendo de las necesidades que se requiera.
7. CONCLUSIONES
Lo que aprendí en esta práctica fue de que existen este software que puede
facilitarnos a encontrar la solución de problemas termodinámicos y que no son tan
complejos para saberlos utilizar además son de gran ayuda para nosotros como
estudiantes de ingeniería y también se puede darles formato y nombre a los
resultados.
Con el software EES se obtiene los resultados con mayor rapidez y con gran
exactitud.
8. RECOMENDACIONES
Mi recomendación seria que antes de trabajar en el software debemos
seleccionar las unidades que vamos a necesitar y de ingresar bien los datos para que
no nos dé ningún error al momento de exportar la solución que necesitamos.
Evitar de saturar la ventana de “Solution” para eso debe poner entre corchetes
las propiedades y también definir bien las variables.
9. PREGUNTAS DE CONTROL
 Enuncie el balance de energía para sistemas abierto en flujo estacionario
Se deduce que la energía que entra menos la energía que sale va hacer igual cero
(estable) ósea la energía y la masa no cambian cuando salen (masa de entrada =
masa de salida) en flujo estacionario. Por lo tanto Ė𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 = Ė𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂

15. 13
 Para calcular la potencia mecánica entregada por la turbina, ¿se puede despreciar
los cambios en las energías potencial y cinética? ¿Por qué?
Por lo general son insignificantes para estos dispositivos porque sus variaciones son
muy pequeñas, lo que real mente importa en este dispositivo es el cambio de presión
lo que más pesa en el balance energético.
 Seleccionar 4 combustibles para la caldera y consultar su PCI. Determinar el efecto
de este cambio en el flujo másico del combustible
Para la resolución del flujo másico se le tomo en cuenta los mismos datos del
ejercicio anterior lo único que vamos a cambiar va hacer el PCI dependiendo de los
distintos combustibles que tomemos; los resultados se mostraran en anexos figura
10. Los datos se del PCI de diferentes combustibles se encuentran en bibliografía.
 GLP PCI = 10.990
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
Calculo para encontrar el flujo masico para el GLP
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
Q̇entrada caldera
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ
Q̇EntCaldera
Q̇EntCaldera =
Ẇ
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟
Q̇EntCaldera =
5𝑚𝑤
0.4
Q̇EntCaldera = 𝟏𝟐.𝟓𝐌𝐖
Q̇EntCaldera = (PCI) ∗ (ṁcombustible)
ṁcombustible =
Q̇EntCaldera
𝑃𝐶𝐼

16. 14
ṁcombustible =
12500kw
10.990
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
(
4.1868𝑘𝐽
1 𝑘𝑐𝑎𝑙
)
ṁcombustible = 𝟐𝟕𝟏.𝟕
𝒌𝒈
𝒔
Gasolina PCI = 10.510
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
Calculo para encontrar el flujo masico GASOLINA
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
Q̇entrada caldera
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ
Q̇EntCaldera
Q̇EntCaldera =
Ẇ
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟
Q̇EntCaldera =
5𝑚𝑤
0.4
Q̇EntCaldera = 𝟏𝟐.𝟓𝐌𝐖
Q̇EntCaldera = (PCI) ∗ (ṁcombustible)
ṁcombustible =
Q̇EntCaldera
𝑃𝐶𝐼
ṁcombustible =
12500kw
10.510
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
(
4.1868𝑘𝐽
1 𝑘𝑐𝑎𝑙
)
ṁcombustible = 𝟐𝟖𝟒.𝟏
𝒌𝒈
𝒔
 Metano PCI = 13.973
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
Calculo para encontrar el flujo masico METANO
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
Q̇entrada caldera
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ
Q̇EntCaldera

17. 15
Q̇EntCaldera =
Ẇ
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟
Q̇EntCaldera =
5𝑚𝑤
0.4
Q̇EntCaldera = 𝟏𝟐.𝟓𝐌𝐖
Q̇EntCaldera = (PCI) ∗ (ṁcombustible)
ṁcombustible =
Q̇EntCaldera
𝑃𝐶𝐼
ṁcombustible =
12500kw
11.973
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
(
4.1868𝑘𝐽
1 𝑘𝑐𝑎𝑙
)
ṁcombustible = 𝟐𝟒𝟗.𝟒
𝒌𝒈
𝒔
 Biodiesel PCI = 8.837
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
Calculo para encontrar el flujo masico BIODIESEL
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
Q̇entrada caldera
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 =
Ẇ
Q̇EntCaldera
Q̇EntCaldera =
Ẇ
𝜂𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟
Q̇EntCaldera =
5𝑚𝑤
0.4
Q̇EntCaldera = 𝟏𝟐.𝟓𝐌𝐖
Q̇EntCaldera = (PCI) ∗ (ṁcombustible)
ṁcombustible =
Q̇EntCaldera
𝑃𝐶𝐼
ṁcombustible =
12500kw
8.837
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔
(
4.1868𝑘𝐽
1 𝑘𝑐𝑎𝑙
)
ṁcombustible = 𝟑𝟑𝟕.𝟖
𝒌𝒈
𝒔

18. 16
10. BIBLIOGAFÍA
ÇENGEL, YUNUS A.; BOLES, MICHAEL; Termodinámica; México D.F.; 7ma
Edición; 2012; Mc Graw-Hill Interamericana; 978-607-15-0743-3
https://ingemecanica.com/tutoriales/objetos/tablas/calorifico/calor49.jpg
11. ANEXOS
Figura 10. Flujo másico de algunos combustibles
Figura 11. Ventana para obtener la Entalpía