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Análisis energético y dinámico de un convertidor de energía directo operando en un régimen económico óptico

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dc.contributor.author Bernal Meza, Andrés Uciel
dc.date.accessioned 2020-08-12T22:23:56Z
dc.date.available 2020-08-12T22:23:56Z
dc.date.created 2015-03-13
dc.date.issued 2020-08-12
dc.identifier.citation Bernal Meza, Andrés Uciel. (2015). Análisis energético y dinámico de un convertidor de energía directo operando en un régimen económico óptimo (Maestría en Ciencias Fisicomatemáticas). Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Física y Matemáticas, México es
dc.identifier.uri http://tesis.ipn.mx/handle/123456789/28447
dc.description Tesis (Maestría en Ciencias Fisicomatemáticas), Instituto Politécnico Nacional, SEPI, ESFM, 2015, 1 archivo PDF, (83 páginas). tesis.ipn.mx es
dc.description.abstract RESUMEN: En este trabajo, motivado por los trabajos de Sahin y Kodal, se estudia la Termoeconomía y la dinámica de un ciclo de potencia totalmente irreversible usando el motor térmico de Curzon-Ahlborn-Novikov (CAN). A diferencia del esquema Sahin-Kodal (SK), nosotros no suponemos un flujo de calor directo entre los almacenes de temperatura (condición necesaria en ese modelo para reproducir las curvas experimentales "tipo rizo" de Potencia vs Eficiencia), sino que, utilizando el hecho de que la sustancia de trabajo opera en ciclos, se formula la segunda ley de la Termodinámica en términos del calor no compensado de Clausius, con lo que se obtiene una buena predicción teórica de las curvas Potencia-Eficiencia reales y se simplifica el modelo. Se calculan la Potencia, la Eficiencia, la Potencia Específica de Salida (potencia por unidad de área), la Función de Beneficios (potencia de salida por unidad de costo total) y la Función de Beneficios Ecológica (función ecológica por unidad de costo total), todas ellas funciones de parámetros de diseño, la producción interna de entropía de la sustancia de trabajo y la temperatura reducida alta. Se analizan dos regímenes de operación: máxima función de beneficios, y máxima función de beneficios ecológica, resolviendo para ambos casos la maximización correspondiente de forma semi-numérica. El máximo absoluto se toma respecto a la temperatura reducida alta y el cociente de las áreas de intercambio de calor (un parámetro de construcción). Se observa un comportamiento físicamente aceptable para cada función característica en ambos regímenes de operación, centrando nuestro interés en la Eficiencia y en la Potencia Específica de Salida adimensional, es decir, en la energética. Una vez resuelta la energética se hace un estudio dinámico de este ciclo aplicando el método del "Análisis de Estabilidad Local". Para poder aplicar dicho método es necesario suponer que, en una vecindad del estado estacionario, la forma funcional de las funciones características del convertidor en un régimen de operación arbitrario fuera del estado estacionario, es la misma que la de las correspondientes funciones del estado estacionario. Al establecer las ecuaciones dinámicas y suponer perturbaciones pequeñas a las temperaturas de trabajo del ciclo, se llega a un problema de igenvalores. Para losdos modos de operación previamente estudiados se resuelve el correspondiente problema de eigenvalores, encontrándose los eigenvectores y eigenvalores en términos de parámetros económicos y de diseño del sistema. A partir de los eigenvalores es posible definir los tiempos de relajación de la máquina, mientras que el campo generado por los eigenvectores nos permite dibujar los diagramas de fase para cada modo de operación. Tras los cálculos pertinentes se encuentra que el convertidor de energía es estable ante perturbaciones pequeñas en estos modos de operación económicos. ABSTRACT: In this work, motivated by the works of Sahin and Kodal, the thermoeconomics and the dynamics of totally irreversible power cycle is studied by using the Curzon-Ahlborn-Novikov (CAN) heat engine model. Unlike the Sahin-Kodal (SK) model, we don't suppose a direct heat ow between heat reservoirs (necessary condition in SK model to reproduce the power vs e ciency loop shaped experimental curves) instead, we use the fact that the working substance operates in cycles, and the Second Law of Thermodynamics is formulated in terms of the Clausius uncompensated heat, by which it is obtained a good theoretical prediction of the actual power-e ciency curves and the model is simpli ed. The power, the e ciency, the speci c power output (ratio of power to the total heat exchanger area), pro t function (power output per total cost unit) and the ecological pro t function (ecological function per total cost unit) are calculated, in function of design parameters, the inner entropy production of the working substance, and the high reduced temperature. Two operation regimes are analyzed: the maximized pro t function, and the maximized ecological pro t function, solving for both cases the corresponding maximization by a semi-numeric method. The absolute maxima are calculated with respect of the high reduced temperature and the heat exchange surfaces ratio (a construction parameter). A physically acceptable behavior is observed for each characteristic function in both operation regimes, focusing our interest in the e ciency and the dimensionless speci c power output, i.e., in the energetic properties. Once the energetic properties are analyzed, a dynamic survey of this cycle is made by applying the Local Stability Analysis method. To apply such method is necessary to suppose that, in a neighborhood of the steady state, the functional form of the characteristic functions of the energy converter in an arbitrary operation regime outside the steady state, is the same that the corresponding steady state functions. By setting the dynamic equations and supposing small perturbations to the cycle working temperatures, we arrive to an eigenvalues problem. For the both operation modes previously studied, the corresponding eigenvalues problem is solved, nding eigenvectors and eigenvalues in terms of economical and design system parameters. From the eigenvalues it is possible to de nerelaxation times of the machine, while the eigenvectors generated eld allow us to depict the phase portrait for each operation mode. After the pertinent calculations it is found that the energy converter is stable under small perturbations in these economic operation modes. es
dc.language.iso es es
dc.subject Termodinámica es
dc.subject Termoeconomía es
dc.subject Análisis es
dc.title Análisis energético y dinámico de un convertidor de energía directo operando en un régimen económico óptico es
dc.contributor.advisor Arias Hernández, Luis Antonio


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