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Análisis exergoeconómico avanzado y de ciclo de vida de un proceso de producción de hidrógeno por reformado de metano
(2020) Campaña Castillo, Andrés Felipe; Fajardo Cuadro, Juan Gabriel; Barreto Ponton, Deibys
El hidrógeno se constituye como un agente clave en la transición mundial hacia energías limpia, generando un alto interés en los procesos de producción del mismo, procurándose la eficiencia en materia termodinámica, económica y ambiental. En el presente trabajo se realiza un análisis exergoeconómico avanzado y de ciclo vida a un proceso de producción de hidrógeno por reformado de metano. Los modelos termodinámicos de balance de masa y energía fueron validados en el proceso, siguiendo con los análisis exergético convencional y avanzado identificando las etapas más ineficientes del proceso en materia de irreversibilidades, lo propio se realizó con los análisis exergoeconómico convencional y avanzado en materia económica, finalmente se concluye con la identificación de las categorías de impacto ambiental en la aplicación de un análisis de ciclo de vida al proceso usando la metodología consignada en la Norma ISO 1404 de 2006.La transferencia de calor a los alrededores en el proceso es de 40932,3 kW, una eficiencia exergética global de 83%, 95605,8 kW de destrucción de exergía total. La exergía destruida endógena se constituye en un 33%,mientras que la evitable en un 79%, los costos de inversión y destrucción de exergía son de $1,93 USD/s y finalmente la producción de 1kg de Hidrógeno a través de este proceso cuesta $1,6 USD y se emiten a la atmósfera 13,8 kgeq CO2.
Análisis termoeconómico del aislamiento térmico de un buque tipo nodriza /
(2013) Barreto Ponton, Deibys; Imitola Benito Rebollo, Martha Isabel; Fajardo Cuadro, Juan Gabriel
El diseño de sistemas eficientes y rentables, que también cumplen con los requisitos ambientales, es uno de los retos más importantes que han enfrentado los ingenieros. Teniendo en cuenta que: Hay necesidad de energía y que todos los recursos naturales son finitos, es indispensable reconocer el gasto innecesario de las fuentes de energía, por lo tanto es importante entender los mecanismos que la degradan, para mejorar los sistemas generadores de la esta y reducir el impacto ambiental que se está presentando en el planeta. La termoeconómica proporciona una poderosa herramienta para el estudio sistemático y la optimización de los sistemas. La correcta selección del aislante térmico que utilizan las embarcaciones nodrizas tipo fluvial a partir de un análisis termoeconómico entran en el proceso de optimización termoeconómica que se les ha realizado a las embarcaciones nodrizas tipo fluvial fabricadas por COTECMAR para la armada colombiana por parte de investigación Optimización Energética en Buques tipo Nodriza Fluvial VII realizado por el grupo en energías alternativas y fluidos EOLITO del programa de Ingeniería Mecánica y Mecatronica de la Universidad Tecnológica de Bolívar. Dentro de estos estudios se ha dado una gran importancia al sistema de acondicionamiento de aire ya que se está considerando el alto consumo energético; lo cual se ve reflejado principalmente en los altos requerimientos de energía eléctrica.
Caracterización del potencial energético del contenido ruminal como biocombustible sólido densificado
(2020) Morales Núñez, Oswald; Fajardo Cuadro, Juan Gabriel; Barreto Ponton, Deibys
Las plantas de sacrificio bovino producen una serie de vertimientos y residuos, los cuales en su mayoría son reutilizables y cuentan con valor económico para la empresa. Para la recuperación, reutilización y/o transformación del rumen o contenido ruminal se proponen diferentes alternativas como el compostaje, el ensilaje y abonos orgánicos [1], pero en Colombia la disposición final del rumen se realiza de manera inadecuada, al ser vertidos en causes de agua o en campos a cielo abierto, además de que se convierte en un costo operacional adicional que asumen las empresas con el fin de evitar la acumulación de grandes volúmenes. En este trabajo se estudia un frigorífico que sacrifica 7500 reses mensuales, para lo cual presenta demanda de 4560 lb/h (0.5749 kg/s) de vapor saturado, para satisfacer las necesidades de vapor y agua caliente para sus procesos productivos, que incluyen cocción, limpieza, entre otros. En la investigación se realiza la comparación de la producción de vapor actual con gas natural y con la propuesta en estudio con rumen y gas natural, para la implementación de la generación de vapor con gas natural se requiere de la adquisición de una máquina peletizadora y una caldera de biomasa. A partir de esto, se evaluó la eficiencia energética, la destrucción de exergía, la eficiencia exergética, los costos de destrucción de exergía y el costo de generación de un kg de vapor de las dos calderas, además los ahorros obtenidos y el periodo de recuperación de la inversión de la propuesta de estudio. Los resultados del estudio mostraron que la generación de vapor con rumen es más ineficiente que con gas natural, puesto que presenta mayor destrucción de exergía y menor eficiencia energética, pero los costos de destrucción de exergía y el costo de generar un kg de vapor son mayores utilizando gas natural como combustible que con pelets de rumen. Finalmente, la implementación de generación de vapor a partir de pelets de rumen traería consigo un ahorro de $15194762 de pesos mensuales, obteniéndose un periodo de recuperación de la inversión en menos de un año
Control temperature of the air conditioning system of a vessel from exergoeconomic analysis
(2021-11-01) Barreto Ponton, Deibys; Torres, Rosa; Fajardo Cuadro, Juan Gabriel; Gordon, Yimy; Berrio, Julián; Vidal, Carlos
In this work the air conditioning system of a 93 m long and 14 m wide vessel with 4081 refrigerated m3 distributed in 51 premises is studied. In which energy, exergetic and exergoeconomic analyzes were carried out for control temperatures between 20 and 27 ° C and 50% relative humidity, with outdoor air conditions of 35 ° C and 70% relative humidity. For the vessel, the thermal load is calculated with an adaptation of the ASHRAE CLDT / SCL / CLF (cooling load temperature difference/cooling load factor/solar cooling load factor) methodology and the ISO 7547 standard. Thermal load contributors taken into account for the study were heat transfer through walls, ceilings, and glass in addition to gains from people, lighting, and Appliances. Transmission through walls and ceilings represents 33% of the thermal load, followed by glass with 18% and power equipment with 15%, the last three sources of thermal load generation are Appliances (12%), people (12%) and lighting (10%). For each degree centigrade of the control temperature, the thermal load is reduced by 2.4 and 1.1%, respectively, as determined by the ASHRAE and ISO methodologies. Similarly, the destruction of exergy is reduced by 4.16% for each degree Celsius that the control temperature is increased. An indicator is proposed to calculate the cost of generation of cooling load per unit volume and exergy of the thermal load from which it is obtained that the higher the control temperature, the lower the value of the cost of generation of the cooling load. From the exergoeconomic analysis, it is highlighted that the destruction of exergy is the main factor in the increase in system costs. Increases in exergy destruction increase the value of the indicator of cooling load generation
Conventional and advanced exergetic analysis for the combined cycle of power plant with gas turbine of a refinery
(2021-11-01) Fajardo Cuadro, Juan Gabriel; Guette, Dawing; Barreto Ponton, Deibys; Cardona, Camilo; Baldiris, Ildefonso
This article shows the results of the performance study of a combined cycle plant made up of a Siemens STG-800 gas turbine and a MACCHI heat recovery boiler (HRSG) designed to produce 47.5 MW of electricity and 81908 kg / h of steam operating under ISO conditions (15 ° C and 60% relative humidity and 1 atm), the system is part of the steam and electric power generation section of a crude oil refinery in the city of Cartagena de Indias. The objective of this research is to quantify the real inefficiencies in each of the equipment applying conventional and advanced exergetic analysis, to achieve this the investigation has been ordered as follows: first, the basic thermodynamics at the equipment boundaries is defined, define performance parameters that compare the adjustment of the thermodynamic model with the values provided by the manufacturer, the rate of exergy destruction and exergy efficiency are obtained from conventional analysis, advanced exergetic analysis allows obtaining avoidable, unavoidable, endogenous, exogenous exergies and the combined, finally, the mexogenous exergetic analysis allows to know the amount of energy that is lost due to the interactions between the equipment. The thermodynamic model is adjusted with an average error of 2% using design KPIs such as net power, heat rate and thermal efficiency, it was obtained that the exergy destruction reaches 83.5MW, 15% is avoidable and the 8% is avoidable endogenous, the mexogenous analysis shows that inefficiencies in the compressor refer to all equipment, by focusing efforts on improving its conditions, up to 25% of the total exergy destruction can be recovered.
Conventional and advanced exergoeconomic indicators of a nitric acid production plant concerning the cooling temperature in compression Train’s intermediate stages
(2021-07-30) Buelvas Hernández, Ana Margarita; Fajardo Cuadro, Juan Gabriel; Barreto Ponton, Deibys; Carrillo Caballero, Gaylord Enrique; Cardenas Escorcia, Yulineth; Vidal Tovar, Carlos Ramón; Hernández, Yimy Gordon
In the refining and petrochemical industrial sector, large amounts of energy are used, so using the concept of exergy allows a rational use of this resource. In the different exergy and exergoeconomics studies applied in petrochemical plants, parameters of interest have been determined to evaluate the thermal efficiency, the potential for process improvement, the irreversibilities produced by the interaction between the components of the system and the operation of each one, and the energy costs associated with each of these irreversibilities. This paper presents an advanced exergy analysis and an exergy-economic analysis applied to a nitric acid production plant with an installed capacity of 350 metric tons per day, whose operating principle is based on the Ostwald method, and both the behavior of endogenous exergy destruction and the behavior of exogenous, avoidable and unavoidable exergy destruction are studied, exogenous, avoidable and unavoidable exergy destruction and the associated exergy costs in each of the heat transfer equipment and reactive equipment that make up the plant, about the cooling temperature in the intermediate stages of the compression train are studied using a mathematical model. The chemical reactions involved in the production process are the points of interest in the research of this work. Some of the results show that 54 % of the total exergy destruction can be recovered by intervening in the components. On the other hand, in the Catalytic Converter (CONV), it is convenient to consider the investment costs to reduce the exergy destruction costs. Similarly, in the Tail Gas Heater (TGH), it is beneficial to reduce the total investment to improve the process economics. On the other hand, the cost of exergy destruction of the plant resulted in 770.77 USD/h. In addition, it could be determined that the interactions between the components significantly affect the investment costs
Investigación del rango óptimo de enfriamiento del aire a la entrada de plantas de potencia con turbinas a gas y ciclo Stig /
(2018) Barreto Ponton, Deibys; Sarria López, Bienvenido; Fajardo Cuadro, Juan Gabriel
Las plantas de potencia con turbinas a gas se utilizan cada vez más en todo el mundo debido a su bajo costo y pequeños tiempos de sincronización, estabilidad y disponibilidad. Por ello las plantas con turbinas a gas han sido ampliamente estudiadas y como resultado se han conocido los efectos negativos en su potencia de salida y la eficiencia térmica al operarlas en condiciones atmosféricas del aire superiores a las condiciones ISO (15°C, 60% RH). Por esta razón se han desarrollado e implementado diferentes tecnologías que modifican el ciclo con turbina a gas en busca del aumento en potencia de salida y/o mejorar la eficiencia térmica. En este trabajo se estudian el enfriamiento de aire a la entrada del compresor con máquina de refrigeración a compresión e inyección de vapor en una turbina a gas ubicada en Cartagena a través de análisis energéticos, exergéticos convenciones, exergéticos avanzados, termoeconómicos y económicos para identificar el rango óptimo de operación de dichas tecnologías que permita obtener los mejores valores de salida de potencia y eficiencia energética. En la investigación se validan los modelos termodinámicos del sistema objeto de estudio con datos reales de operación en tres configuraciones de operación: Turbina a gas ciclo simple en condiciones ISO; Turbina gas con inyección de vapor en condiciones ISO; Turbina a gas con inyección de vapor de Relación de inyección de vapor- aire de 8.88% y enfriamiento de aire hasta 8.8 °C. A partir de estas condiciones de operación se estudian los efectos de la temperatura del aire y la humedad relativa en el flujo másico de aire, el consumo específico de trabajo en los compresores, la potencia de salida, la eficiencia térmica, el heat rate y el consumo específico de combustible en la planta de potencia con turbina a gas simple. Las configuraciones estudiadas fueron: Turbina a gas con enfriamiento de aire a la entrada del compresor; Turbina a gas con inyección de vapor; Turbina a gas con inyección de vapor y enfriamiento de aire. Se modeló cada sistema de potencia y componentes para evaluar diferentes indicadores energéticos y económicos, a partir de las condiciones ambientales promedio de Cartagena (32°C y 80% de humedad relativa) y a niveles de operación de los sistemas de potencia (relación de inyección de vapor-aire y temperatura del aire a la entra del compresor). Los indicadores tomados de la literatura fueron: Potencia de salida; Eficiencia térmica; Heat rate; Consumo específico de combustible; Concentración de NO; PGR (Relación de potencia ganada); TEC (factor de cambio de eficiencia térmica); Relación de concentración de NO; Ingresos netos; Rentabilidad y Periodo de recuperación. Adicionalmente, se evaluaron las distintas configuraciones con indicadores basados en el concepto de exergía para conocer ampliamente el desempeño de los sistemas térmicos, dichos indicadores fueron: Exergía de fuel; Exergía de producto; Exergía destruida; Eficiencia exergética; Relaciones de destrucción de exergía; Costo 17 promedio de fuel por unidad de exergía; Costo promedio de producto por unidad de exergía; Costos no exergéticos; Costo de destrucción de exergía, Diferencia de costo relativa; Factor exergoeconómico; Destrucción de exergía evitable; Destrucción de exergía inevitable; Destrucción de exergía endógena; Destrucción de exergía exógena.
Strategies for the improvement of research competences in the professional training of engineers
(2021-11-01) Vidal, Carlos R.; Gordon, Yimy; Barreto Ponton, Deibys; Fajardo Cuadro, Juan Gabriel; Fragoso, Pedro
The objective of this study is proposing strategies to strengthen research competencies needed by engineers in training. An analytical, situation research was conducted in four Engineering programs from a public university located in the municipality of Valledupar, Cesar Department, in Colombia. A Likert-scale questionnaire of 50 items was designed; while a document, review was performed applying a matrix that systematized the information about the study plan. Ten experts and five experts respectively validated the content of the questionnaire and of the matrix. The interpretation of the data evidenced that the greatest deficiencies of students were methodological competencies such as “result analyses”. They lack foundations on the use and interpretation of data, which hinders data processing for disseminating results, conclusions and recommendations in research reports. It is therefore necessary to transform the curriculum, including better teaching, pedagogical and didactic methods.