5. PlantaTermica (1)

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INGENIERA

SECCIN INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE ENERGA

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MEC245 TERMODINAMICA GENERAL

V. PLANTA TRMICA A VAPOR 1. OBJETIVOS

Aplicar las Leyes de la Termodinmica a una planta trmica a vapor, obteniendo valores cuantitativos de energa, eficiencia de la planta y rendimiento de sus componentes.

Observar y analizar las tendencias de los procesos del ciclo termodinmico de vapor y compararlos con los procesos correspondientes al ciclo terico.

2. EQUIPO A EMPLEAR

La planta trmica consta de una caldera de vapor, un sobrecalentador, una vlvula de control de flujo, un regulador de Watt, una turbina de vapor, un condensador, una bomba de vaco, un generador elctrico y un banco de resistencias elctricas. (a) Caldera

Marca Bryan, modelo LCM 150, horizontal, acuotubular, automtica, con capacidad de produccin de 1237 lb/h de vapor a 212 F y presin de trabajo de 150 psi.

(b) Sobrecalentador Automtico con quemador a petrleo, Melesco, con capacidad de 1000 lb/h de vapor a 150 psi y temperatura mxima de 400 C.

(c) Turbina Marca Greenwood & Batley, de 10 kW de potencia y velocidad de 3000 rpm.

(d) Generador De corriente continua, voltaje de 220 V y amperaje mximo de 50 A.

(e) Condensador Marca Greenwood & Batley, de superficie, tipo carcasa y tubos, de 3 pasos.

(f) Banco de resistencias (g) Instrumentacin

* Termocuplas y termmetros instalados a lo largo de la planta * Manmetros tipo Bourdon conectados a los equipos de la planta. * Dos contmetros en la lnea de combustible del quemador, para el ingreso y el retorno. * Un dinammetro en el generador, con brazo de palanca: 300 mm. * Un tacmetro en el eje del generador elctrico. * Un ampermetro en la banco de resistencias. * Un voltmetro en la banco de resistencias. * Un rotmetro en la lnea del caudal de agua de enfriamiento del condensador. * Un tanque piezomtrico a la salida de la bomba de vaco, para medir el caudal de

condensado, con la equivalencia 1 cm 1,14 litros.

3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

La operacin de la planta trmica estar a cargo de los Jefes de Prctica y el personal a cargo del Laboratorio de Energa.

4. PRUEBAS A REALIZAR Manteniendo constante la velocidad del generador elctrico (3000 rpm), conectar la carga

en 12,5%.

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MEC245 TERMODINAMICA GENERAL Esperar que la planta se estabilice y, con la caldera a la presin mxima de 10 bar (150 psi),

tomar lecturas de: Presiones y temperaturas en cada punto requerido Tensin y corriente elctricas Fuerza en el dinammetro Tiempo transcurrido durante 2 3 ciclos arranque/parada de la caldera Volumen de combustible consumido en ese tiempo Tiempo para una diferencia de altura en el tanque piezomtrico igual a 10 cm. Caudal de agua de enfriamiento en el rotmetro.

Repetir las mediciones para 25% y 50% de carga.

5. CLCULOS

Evaluar para cada carga: La potencia al freno a la salida de la turbina. El calor disipado en el condensador. El rendimiento trmico del ciclo El rendimiento total de la planta. El rendimiento mecnico de la turbina El rendimiento del generador elctrico El rendimiento del grupo turbina-generador.

6. GRFICOS

Graficar los ciclos correspondientes a las tres cargas en un solo diagrama T-s. Graficar los siguientes parmetros vs. el porcentaje de carga:

El flujo msico de vapor La potencia al freno obtenida a la salida de la turbina El rendimiento trmico del ciclo y el rendimiento total de la planta

Graficar el flujo de msico de vapor vs. la potencia al freno a la salida de la turbina.

7. FUNDAMENTOS TERICOS

Ciclo Rankine Es el ciclo caracterstico de la Planta Trmica a Vapor y est constituido por los siguientes procesos (ver Figuras 1, 2 y 3):

1 - 2 Bombeo de lquido, isoentropico. 2 - 3 Calentamiento y vaporizacin, isobrico 3 - 4 Expansin adiabtica reversible, isoentrpico 4 - 5 Enfriamiento y condensacin, isobrico

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Figura 1. Planta Trmica siguiendo el Ciclo Rankine

2

1

3

4

Turbina

Wt34 Wt12

Bomba

Caldera

Q23

Condensador

Q41

2

3

4 1

s

T

Figura 2. Diagrama T-s, Ciclo Rankine

s

h

1

2

4

3

Figura 3. Diagrama h-s, Ciclo Rankine

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MEC245 TERMODINAMICA GENERAL LA PLANTA TRMICA A VAPOR DEL LABORATORIO

Bomba En el proceso 1-1, se eleva la presin del agua de ingreso a la caldera mediante una bomba, cuyo trabajo tcnico es despreciable respecto al generado por la turbina. Suponiendo proceso adiabtico, lquido incompresible y saturado, y despreciando EC, EP, se tiene:

bombaW&

= vm& f (p1 - p1) donde: vm& , flujo msico de agua

f , volumen especfico del agua Caldera En el proceso 1-2, la temperatura del agua se eleva isobricamente para generar vapor saturado, mediante el calor proporcionado por una combustin. La caldera es del tipo pirotubular. La combustin se realiza en un quemador cuyo combustible es petrleo Diesel No.2 (densidad = 0,85 kg/litro). Suponiendo proceso isobrico y despreciando EC, EP, el calor suministrado al agua en la caldera es:

12Q&

= vm& (h2 - h1)

Caldera Sobrecalentador

Regulador

de velocidad

Vlvula

Turbina

Generador

Bomba de

vaco Condensador

Bomba

Tanque

Medidor h

1

1

2

3

4

5

6

7 8 8

10 9

Figura 4. Esquema de la Planta Trmica a Vapor del Laboratorio

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Debido a las prdidas de energa fundamentalmente por la descarga de gases calientes por la chimenea y por combustin incompleta, se define el rendimiento de la caldera como:

PC m

) h(h m

ecombustibl elpor entregado

agua elpor absorbido

C

12v

==

&

&

calor

calorcaldera

donde : Cm& , flujo de combustible (kg/s)

PC

, poder calorfico del combustible (PC = 42 740 kJ/kg)

La alimentacin de combustible al quemador no es constante, por lo cual el flujo de combustible se calcula como un valor promedio en el tiempo.

Sobrecalentador En el proceso 2-3, se eleva la temperatura del vapor para producir vapor sobrecalentado. De este modo se eleva la entalpa del vapor, mejorando la eficiencia del ciclo, y se evita que circulen gotas de agua que, por su alta velocidad, erosionaran los labes de la turbina. Suponiendo el proceso isobrico y despreciando EK, EP, el calor suministrado en el sobrecalentador es:

)h(h mQ 23

v23

= &&

La pequea cada de presin producida puede despreciarse.

Lnea de distribucin 3-4 En 3-4, el sistema no es adiabtico, lo que produce disipacin de calor que se manifiesta con cada de presin y temperatura, debido a la longitud y dimetro de la tubera.

Vlvula reguladora En el proceso 4-5, la presin del vapor disminuye. La vlvula regula el flujo de vapor que ingresa a la turbina el cual aumenta o disminuye segn la demanda de potencia en el banco de resistencias controlando y manteniendo constante la velocidad de giro de la turbina. Es gobernada por el regulador centrfugo de Watt. Debido a que el proceso es un estrangulamiento, se tiene:

h4 h5 Turbina-Generador En el proceso 5-6, se expande el vapor produciendo trabajo al chocar con los labes de la turbina, con disminucin de su entalpa. Suponiendo turbina adiabtica y despreciando EK, EP, se tiene:

)h(h mW 65v56

= &&

La energa mecnica que entrega la turbina es convertida en energa elctrica en un generador. As, para el grupo turbo-generador se tiene: Rendimiento mecnico de la turbina:

) h(h m

T

65v

=

&mecnico

Rendimiento del generador:

=

T

IVgen

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Rendimiento del grupo turbo-generador: )h(h m

IV

65v

gen mectg

==

&

donde: T, torque (N-m) , velocidad angular (rad/s) V, tensin (V) I, intensidad de corriente (A)

Lnea de distribucin 6-7 El proceso 6-7 es similar al proceso 3-4.

Condensador En el proceso 7-8, el vapor es enfriado y condensado por una corriente de agua. El condensador est formado por un haz de tubos por los cuales circula el agua de enfriamiento, instalados en una carcasa que contiene el vapor y el condensado. A la salida del condensador se tiene, en general, lquido subenfriado. Sin embargo, puede aproximarse al estado de saturacin. Adicionalmente, se considera el proceso isobrico.

Por la Primera Ley: 9R7v10R8v

hmhmhmhmQ &&&&& +=

Luego: )hh(m)TT(CpmQ

78v910OHR2

+= &&&

donde: R

m& , flujo msico de agua de enfriamiento (kg/s)

OH2

Cp , calor especfico a presin constante del agua de enfriamiento (4.186 kJ/kg-C)

El condensado obtenido es desalojado por la bomba de vaco y descargado a la atmsfera

Bomba de vaco En el proceso 8-8, el condensado eleva su presin hasta la atmosfrica. Su funcin es disminuir la presin en la lnea de descarga de la turbina para aumentar el rea en el diagrama T-s e incrementar la potencia entregada y el rendimiento trmico del ciclo. Adicionalmente, ayuda a la formacin y extraccin del condensado formado.

Figura 5. Primera Ley en el Condensador

7 8

9 10

Q&

vm&

Rm&

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Rendimientos Rendimiento trmico del ciclo (despreciando el trabajo tcnico de las bombas):

13

65

sum

tth

hh

hh

Q

W

==&

&

Rendimiento total de la planta trmica:

h

1

1

2

3

4 5

7

6

8

8

s

Figura 7. Diagrama h-s, Planta Trmica del Laboratorio

1

3

2

5

4

7 6

8

1

8

s

T

Figura 6. Diagrama T-s, Planta Trmica del Laboratorio

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PC m

IV

Q

W

Csum

E

&&

&

==planta

8. BIBLIOGRAFIA

8.1. BURGHARDT, David, Ingeniera Termodinmica, Harla Editores, 2da, Edicin, Mxico, 1984, 558 p. TJ 265 P79

8.2. MORN, Michael y SHAPIRO, Howard, Fundamentos de Termodinmica Tcnica, 2do. Vol., Editorial Revert, Barcelona, 1995 TJ 265 M79

8.3. MORSE, Frederick, Centrales Elctricas: teora y prctica de las plantas generadoras elctricas estacionarias, Editorial Continental, Mxico, D.F. 1966, 954 p. TK 1191 M79

8.4. POSTIGO, Jaime y CRUZ, Juan, Termodinmica Aplicada, W.H. Editores, 2da. Edicin, Lima, 1991, 101 p. TJ 265 P79

8.5. VAN WYLEN, Gordon y SONNTAG, Richard, Fundamentos de Termodinmica, Limusa Editores, Mxico, 1975, 734 p. TJ 265 V28

8.6. WARK, Kenneth, Thermodynamics, Ed. McGraw-Hill, New York 1988, 954 p. TJ 265 W26 IN

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9. HOJA DE DATOS

12,5 % 25 % 50 %

P T P T p T

unidades

1

2

3

4

5

6

7

8

8

9

10

% carga 12,5 % 25 % 50 %

Combustible VC litros

t seg

Condensado h cm

t seg

Banco resistencias V V

I A

Agua enfriamiento VR m3/hr

Dinammetro F kgf

Tacmetro n rpm

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10. HOJA DE INSTRUMENTACION:

Presin

Instrumento Unidades Rango Aproximacin

Puntos

1

2

3

4

5

6

7

8

8

Temperatura

Instrumento Unidades Rango Aproximacin

Puntos

1

2

3

4

5

6

7

8

8

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Instrumento Unidades Rango Aproximacion

Combustible

Condensado

Tiempo

Agua enfriamiento

Dinammetro

Tacmetro

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MEC245 TERMODINAMICA GENERAL 11. HOJA DE CLCULOS:

12,5 % 25 % 50 %

pabs T h pabs T H pabs T h kPa C kJ/kg kPa C kJ/kg kPa C kJ/kg 1

2

3

4

5

6

7

8

POTENCIA AL FRENO

FRMULA 12,5 % 25 % 50 % Fuerza F N

Torque = F x 0,3 T Nm Velocidad n rpm Potencia WF = T ( 2 n /60) x 10-3 WF kW

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CALOR DISIPADO EN EL CONDENSADOR

FRMULA 12,5 % 25 % 50 % Agua refrigerac. VR m

3/h

mR = VR x = VR / 3,6 mR kg/s

Condensado h cm

V = h x 1,14 V litros

t seg

mv= V/ t x = V / t mv kg/s Calor transferido Q = mR x 4,186 x (T10-T9) + mv (h8-h7) Q kW

RENDIMIENTO TRMICO DEL CICLO

FRMULA 12,5 % 25 % 50 % h5 kJ/kg

h6 kJ/kg

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h3 kJ/kg

h1 kJ/kg

Rendimiento 13

65

sum

tth

hh

hh

Q

W

==&

&

x 100 th %

RENDIMIENTO TOTAL DE LA PLANTA

FRMULA 12,5 % 25 % 50 % Resistencia elctrica V Volt

I Ampere

Combustible VC Litros

t Seg

mC = VC C = VC /t x 0.85 mC kg/s

Rendimiento 740 42 m

10 x IV PC mI V

C

-1

Cplanta =

=&

planta %

RENDIMIENTO MECNICO DE LA TURBINA

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FRMULA 12,5 % 25 % 50 % Potencia al freno WF kW

Masa de vapor mV kg/s

h5 kJ/kg

h6 kJ/kg

rendimiento ) h(h m

W

65v

F

=

&mecnico x 100 mec %

RENDIMIENTO DEL GENERADOR ELCTRICO

FRMULA 12,5 % 25 % 50 % Resistencia elctrica V Volt

I Ampere Potencia al freno WF W

Rendimiento F

gen

W

IV = x 100 gen %

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MEC245 TERMODINAMICA GENERAL RENDIMIENTO DEL GRUPO TURBINA-GENERADOR

FRMULA 12,5 % 25 % 50 % Rendimiento mecnico mec Rendimiento del generador gen Rendimiento turbo-generad. tg = mec x gen x 100 tg %

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