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Experiencia de turbina a vapor del laboratorio de ingeniería mecánica.
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2015
Turbina a vapor
Universidad Santiago de chile
Laboratorio: Sistemas térmicos
Profesor: Iván Jerez
Alumno: Luis Maldonado O.
Turbina a vapor
Laboratorio de sistemas térmicos
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Contenido
1. Resumen……………………………………………………………………....3
2. Objetivo de la experiencia……………………………………………………4
3. Características Técnicas de los equipos e instrumentos…………………5
4. Descripción del método seguido……………………………………………10
5. Presentación de los resultados y gráficos…..……………………………..11
6. Conclusión…………………………………………………………………….13
7. Apéndice
a) Desarrollo de los cálculos………………………………………….14
b) Tablas de valores obtenidos y calculados……………………….17
c) Bibliografía empleada …………………………….……………….18
Turbina a vapor
Laboratorio de sistemas térmicos
3
Resumen
En el presente informe se redacta la experiencia del laboratorio de sistemas
térmicos E-952 Turbina a vapor. La experiencia consistió en hacer funcionar la
turbina de vapor mediante el ciclo termodinámico Rankine para el cual se evaluará
el rendimiento energético tanto de la turbina como el del generador eléctrico
alimentado por la misma. El informe consta de la metodología de la experiencia,
una presentación de los resultados obtenidos y el análisis-conclusión de la
experiencia.
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2. Objetivos
2.1. Objetivo general
Familiarizar al alumno con el análisis, operación y funcionamiento de una turbina
de vapor empleada en la generación de energía eléctrica, visualizando las
operaciones de cada uno de los elementos que conforman una central térmica de
vapor del tipo de laboratorio.
2.2 Objetivos específicos
a) Determinar el rendimiento de una turbina de vapor del tipo de acción, así como
el de la unidad turbogeneradora, graficando las curvas características. Conocer de
la aplicación e importancia de los rendimientos.
b) Dar una idea general del funcionamiento de una central térmica de vapor real,
así como de los aspectos termodinámicos involucrados.
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3. Características Técnicas de los equipos e instrumentos
3.1 Descripción de los instrumentos y equipos ocupados para la realización de la
experiencia.
Caldera: dispositivo con el cual se
alimentó con vapor a la turbina
generadora de electricidad.
Imagen 1: fotografía de la caldera
Marca I.VAR. Modelo BHP 800
Potencia máxima de entrada 616
[KW]
Potencia máxima de salida 554 [KW]
Presión de diseño 11,8 [Bar]
Presión de prueba 18,5 [Bar]
Temperatura mínima 20 [°C]
Temperatura máxima 190,7 [°C]
Volumen 1280 [L]
Fluido transportador de calor Agua
(desmineralizada)
Turbina: Turbina a vapor utilizada
para generar electricidad
Imagen2: fotografía de la turbina de vapor
Marca Coppus
Tipo TW9
Potencia 1,9 [HP]
Revoluciones de giro de eje 3750
[RPM]
Presión de vapor 75 [PSI]
Temperatura de vapor 320 [°F]
Generador de electricidad:
generador alimentado por la energía
calórica transformada en energía
mecánica.
Imagen 3: fotografía del generador eléctrico.
Marca Westinghouse
Modelo Life-line
Potencia 1 [KW]
Revoluciones de giro de eje máximas
3750 [RPM]
Diferencia de potencial 110 [V]
Corriente 9,1 [A]
Carga de uso 24 [Hr]
Tipo de fase eléctrica Monofásico
Tipo de corriente eléctrica Continua
Panel de resistencias: panel con un
set de ampolletas.
Imagen 4: Fotografía del panel de resistencias.
Marca Westinghouse
Tipo resistencias Ampolletas de
filamento
Cantidad de resistencias 20
Potencia eléctrica resistencias C/U
100 [W]
Diferencia de potencial de
resistencias eléctricas C/U 110 [V]
Voltímetro
Rango de operación 0-300 [V]
Resolución 10 [V]
Amperímetro
Rango de operación 0-30 [A]
Resolución 1 [A]
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Manómetro: medida de la presión de
entrada a la turbina
Marca WINTERS
Imagen 5: fotografía de manómetro.
Unidad [Psi]
Rango de operación 0-210 [Psi]
Resolución 2 [Psi]
Unidades en color negro
Unidad [Kgf/cm2]
Rango de operación 0-15 [Kgf/cm2]
Resolución 0,2 [Kgf/cm2]
Tacómetro: digital de contacto
Imagen 6: fotografía de tacómetro.
Marca EXTECH
Modelo 461891
Base de tiempo Cristal de cuarzo
Tiempo de muestreo 1 [s]
r.p.m.
Escala 0.5 a 19,999 [rpm]
Resolución 0.1 [rpm] (0.5 a 999.9
r.p.m.)
1 [rpm] (sobre 1000 r.p.m.)
Precisión +(0.05% +1d)
ft/min
Escala 0.2 a 6560 [ft/min]
Resolución 0.1 [ft/min] (0.2 to 999.9
ft/min)
1 ft/min (sobre 1000 ft/min)
Precisión ± (1% rdg + 1d)
m/min
Escala 0.2 a 6560 [ft/min]
Resolución 0.05 a 1999.9 [m/min]
Precisión ± (1% rdg + 1d)
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Termómetro digital: Termometro
para medir entrada y salidad de la
turbina.
Imagen 7: fotografiaTermómetro digital
Marca: Fluke
Modelo: Fluke 52 II (doble entrada)
Escala de temperatura: ITS-90
Unidades de medición: ℃, ℉, 𝐾
Rango de escala: −200 a 1372 [℃]
División de escala: 0,1 [℃]
Termopar: Tipo K (Cr/Al)
Cronometro: cronometro para
obtener el flujo másico en un intervalo
de 20 segundos
Marca Casio
Sensibilidad1 ⁄1000 [s]
Imagen 8: fotografía cronometro digital
Balanza digital: balanza utilizada
para masar el condensado.
Imagen 9: fotografía balanza digital
Modelo M6202i
Rango de medición 0,01-6200 [gr]
Resolución 0,01 [gr]
Linealidad ± 3[mg]
Diámetro disco 160 [mm]
Probeta plástica: probeta ocupada
para recepcionar el condensado
Imagen 10: fotografía probeta de plástico.
Rango de medición 0-1000 [ml]
Resolución 10 [ml]
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4. Descripción del método seguido
A continuación se da una breve descripción de lo hecho en la experiencia,
resaltando el procedimiento y los pasos a seguir para obtención de los
objetivos planteados.
Experiencia: la experiencia consistió en transformar energía calórica en
energía mecánica para hacer funcionar un generador eléctrico (emulando
una central eléctrica.) a través del flujo de masa de vapor a alta presión
mediante la turbina del laboratorio de climatización.
Como primera acción se purgará las líneas de vapor con la intensión
de limpiar el condensado acumulado.
En segunda instancia se hace funcionar el equipo y se distribuyen las
tareas para cada alumno previamente asignadas.
Para la experiencia se medirán en la entrada y salida de la turbina las
temperaturas del vapor, con el tacómetro se ajustaran las rpm con el
fin de mantenerlas en 3400 +-20 de forma constante, además se
medirá la presión de entrada del vapor en la turbina. En cuanto a la
presión de salida se asumirá como presión atmosférica que también
será medida mediante el barómetro. Previamente a la obtención de
estos datos con un cronometro se tomara el condensado por 20
segundos con el objetivo de calcular el flujo másico por lo que una vez
obtenido se masará el condensado.
Lo anterior se repetirá por 5 veces, para cada una se irán conectando
dos resistencias hasta quedar con las 10 ampolletas encendidas. Por
lo que cada repetición demandará el sumar el encendido de 2
ampolletas.
Para finalizar se confeccionara una tabla con todos las datos
previamente descritos y se tomará la temperatura del ambiente.
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5. Presentación de los resultados
5.1 Presentación de los rendimientos obtenidos de la turbina y el generador
eléctrico para la cantidad de 5 mediciones.
Tabla N°1 Rendimiento de la turbina, rendimiento del turbo generador y
rendimiento del generador.
Mediciones ɳ rendimiento
Turbo generador
[%]
ɳ rendimiento
generador
[%]
ɳ rendimiento turbina
[%]
1 2,65 10,07 26,32
2 5,24 19,98 26,23
3 3,91 14,98 26,08
4 4,25 16,32 26,02
5 5,69 21,72 26,21
5.2 Presentación de las curvas características del funcionamiento de la turbina.
Grafico N°1 correspondiente al rendimiento de la turbina vs las cargas aplicadas al
sistema eléctrico.
26,00
26,05
26,10
26,15
26,20
26,25
26,30
26,35
0 5 10 15
Ren
dim
ien
to t
urb
ina
N° de cargas
ɳ rendimiento turbina [%]
ɳ rendimiento turbina [%]
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Grafico N°2 correspondiente al rendimiento del turbo generador vs las cargas
aplicadas al sistema eléctrico.
Grafico N°3 correspondiente a la variación del flujo másico vs las cargas aplicadas
al sistema eléctrico.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0 5 10 15
Ren
dim
ien
to t
urb
o g
ener
ado
r
N° de cargas
ɳ Turbo generador [%]
ɳ Turbo generador [%]
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0 5 10 15
Flu
jo m
asic
o
N° de cargas
Flujo masico [kgm/s]
flujo masico [kgm/s]
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6. conclusiones
6.1
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7. Apéndice
7.1 Desarrollo de los cálculos.
La presente experiencia consistió en los cálculos de los rendimientos de: turbinas,
turbo generador y del generador. Continuación se muestra la forma en que se
determinó.
Cabe mencionar que se ocupó un software para la obtención de las entalpias y
entropías respectivas. Pero a modo de desarrollo se ejemplificará de la forma
convencional o manual (a través de tablas termodinámicas).
Corrección de la presión atmosférica
Antes de calcular de lleno los rendimientos se debe corregir la presión para
condiciones ideales mediante temperatura, altitud y latitud.
La presión queda definida de la siguiente forma:
𝑃𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 = 723 ∙ (−0.002769) + 723 − 0.1 − 1.0 + 0.06
Siendo la presión leída: 723 mmhg, la temperatura del ambiente: 17 °C, con una
latitud 33° y un altitud de 506 m
𝑃𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 = 720.058 𝑚𝑚ℎ𝑔
Rendimiento de la turbina
El rendimiento de la turbina queda definido como:
Ɲ𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 =ℎ3 − ℎ4
ℎ3 − ℎ4´=
𝑤 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑤𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙
Siendo:
h4 la entalpia ideal de salida de la turbina en [Kj/kgm]
h4´= entalpia real de salida de la turbina en [Kj/kgm]
h3= entalpia de entrada a la turbina en [Kj/kgm]
h3 se obtiene mediante tabla termodinámica entrando por presión y
temperatura para el caso de condición de sobrecalentado o bien como
vapor saturado seco.
h4 se obtiene asumiendo que no hay irreversibilidad en el proceso es decir
de manera isoentropica entre el estado de entrada y salida. Para lo cual se
calcula el título de la siguiente forma:
𝑥 =𝑠 − 𝑠𝑓
𝑠𝑓𝑔
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Siendo:
X el titulo
S: la entropía en la condición de entrada en [Kj/kgm K]
Sf: la entropía de líquido saturado a la presión de saturación de la condición de
salida, es decir atmosférica en Kj/kgm K]
Sfg: la entropía de mezcla vapor-líquido a la presión de saturación de la condición
de salida, es decir atmosférica en Kj/kgm K]
Entonces h4 queda como:
ℎ4 = ℎ𝑓 + 𝑥ℎ𝑓𝑔
Siendo:
ℎ𝑓: La entalpia de líquido saturado a la presión de salida, es decir atmosférica en
[Kj/kgm]
ℎ𝑓𝑔: La entalpia de mezcla vapor-líquido a la presión de salida, es decir
atmosférica en [Kj/kgm]
X: el titulo
h4´ se obtiene mediante la presión y temperatura de salida mediante tabla
termodinámica.
Rendimiento del turbo generador
Este queda definido como el cociente entre la energía eléctrica y el trabajo
idealizado de la turbina.
Ɲ𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑔𝑑𝑜𝑟 =𝑉∙𝐼/1000
�̇�∙(ℎ3−ℎ4)
Siendo:
V: el voltaje [volt]
I: la intensidad de corriente [A]
�̇�: Flujo másico [kgm/s]
(ℎ3 − ℎ4): El trabajo idealizado de la turbina. [Kj/kgm]
1000: como conversor de [w] a [kw]
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Rendimiento del generador eléctrico.
Este queda definido como el cociente entre la energía eléctrica y el trabajo real de
la turbina.
Ɲ𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑔𝑑𝑜𝑟 =𝑉∙𝐼/1000
�̇�∙(ℎ3−ℎ4´)
Siendo:
V: el voltaje [volt]
I: la intensidad de corriente [A]
�̇�: Flujo másico [kgm/s]
(ℎ3 − ℎ4´): El trabajo real de la turbina. [Kj/kgm]
1000: como conversor de [w] a [kw]
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7.2 Tablas de valores obtenidos y calculados
7.2.1Tabla con los valores correspondientes a la obtención de la entalpia
idealizada de salida.
S3 [kj/kgK] T sat [k] h3 [kj/kg] h4 [Kj/Kg] titulo4
6,5887 452,778 2777,45 2381,86808 0,87107581
6,5769 454,214 2778,74 2377,48301 0,86913611
6,55437 457,074 2781,14 2369,11048 0,8654326
6,54359 458,451 2782,26 2365,10446 0,86366057
6,55566 457,074 2781,73 2369,58987 0,86564465
7.2.2Tabla con los valores correspondientes a la obtención de la entalpia real de
salida.
h4
[Kj/Kg]
P sat
[Mpa]
T°salida
[k]
2673,33 371,616 371
2673,5 371,616 371,8
2673,7 371,616 371,7
2673,7 371,616 371,7
2673,7 371,616 371,7
7.2.3Tabla con los datos obtenidos en el laboratorio.
T°e [k] Pe [psi] T°s [k] V [volt] I [A] Masa gramos Rpm T [seg]
452,4 130 371 100 2 381,44 3400 20
424,4 135 371,8 110 4 418,61 456,6 145 371,7 100 4 497,14 457,9 150 371,7 95 5 536,06 457,3 145 371,7 100 7 596,71
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7.2.4Tabla con los rendimientos calculados con su respectivo flujo másico.
ɳ Turbo
generador
[%]
ɳ
generador
[%]
ɳ
rendimiento
turbina [%]
flujo
másico
[kgm/s]
2,65 10,07 26,32 0,019072
5,24 19,98 26,23 0,0209305
3,91 14,98 26,08 0,024857
4,25 16,32 26,02 0,026803
5,69 21,72 26,21 0,0298355
7.3 Bibliografía
Libro termodinámica A Yanus Cengel.
Calculadora spirax sarco (tablas online)
Apuntes meteorología. Guías Masmar corrección presión atmosferica.
