Motores de Vapor
Objetivo:
Conocimiento del motor de vapor vapor como una máquina térmica susceptible de un estudio termodinámico, tanto teórico como en las condiciones reales de operación. Análisis de un sistema sistema termodinámico donde opera un motor de vapor como un elemento de transformación de energía y desarrollo de trabajo. Balance térmico y estudio del Ciclo Rankine de la Planta Planta de Vapor. Construcción de las curvas características del Motor de la Planta Planta de de Vapor.
a). Introducción (investigación: Funcionamiento y comportamiento teórico)
Ciclos P-V y T-S
En un diagrama T-s, estos procesos se representarían de la siguiente manera:
Procesos del Motor de Vapor
Los procesos del diagrama son: 1 – 2 Proceso isobárico, en él ocurre la admisión del vapor; el paso del fluido es directo desde la fuente de suministro. 2 – 3 Proceso isentrópico de expansión del vapor, en él se desarrolla el trabajo del ciclo. Se lleva a cabo desde la presión de admisión hasta la del escape (atmosférica, del condensador, etc.). 3 – 4 Proceso isobárico de expulsión del vapor hacia el exterior del cilindro, en éste se absorbe cierta cantidad de trabajo. 4 – 1 Proceso isentrópico que corresponde al cierre de la válvula de escape y a cierta compresión del vapor residual.
Clasificación de los Motores de Vapor
Las designaciones más comunes para los motores de vapor son las siguientes: o
Por la disposición de la bancada :
Horizontales - Verticales -
o
Por el mecanismo de las válvulas:
-
De corredera o "D" ( de forma “D“ o planas equilibradas de lumbreras
múltiples de émbolo) - Corliss - Zeta o
Por el número de cilindros para la expansión del vapor:
Monocilíndricos De dos cilindros De tres cilindros, etc. -
o
Por el sentido de la circulación del vapor dentro del cilindro:
Contracorriente - Unidireccional -
o
Por la velocidad de rotación:
-
Baja velocidad Media velocidad Alta velocidad
o
Por la relación de la carrera y el diámetro del pistón:
-
Larga - Corta -
o
-
Por el escape: Con condensador Sin condensador
Aplicaciones principales
La aplicación industrial que antiguamente se le daba al motor de vapor (movimiento de maquinaria, bombas, ventiladores, generadores, etc.} ha sido desplazada principalmente por la utilización de la turbina de vapor. Las desventajas esenciales que han motivado esta situación son, primordialmente, el gran volumen que ocupa un motor de vapor con respecto a la potencia desarrollada, la eficiencia relativamente baja, las vibraciones que se originan por el movimiento reciprocante, etc. El motor de vapor se escoge en casos en que se requiere desarrollar un alto par a muy bajas velocidades (inferiores a 300 rpm), o tener un equipo donde sea fácil y rápida (casi instantánea) la reversibilidad del sentido de rotación, o cuando se necesitan equipos auxiliares de fuerza teniendo una gran cantidad de calor disponible para otros procesos, o si se desea trabajar a bajas presiones, etc. Otra ventaja de este tipo de motores es su larga vida (debida a la ausencia de altas temperaturas y a la uniformidad de éstas, además de carecer de ondas de presión agudas), lo que origina que sea factible encontrar un motor de vapor en operación desde hace muchos años para robustecer la economía interna de una industria. La utilización de un motor de vapor frecuentemente se relaciona con la no condensación, a fin de tener vapor disponible para otros procesos. Lo anterior permite afirmar que el motor de vapor puede utilizarse, entre otras industrias, en la del papel, textil, azucarera y hulera, así como para el accionamiento de potentes prensas y molinos, y donde el vapor de escape se requiere para efectuar procesos químicos; también se utiliza en la industria del acero para martinetes de golpeo y, por lo general, donde el vapor se genera a partir de los gases de escape de los hornos de fundición y tratamientos térmicos, etc. b). Desarrollo de la práctica
Diagrama de Instalación
Definición de fronteras de volúmenes de control
El sistema se presta para la aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica en la forma de la ecuación de energía para flujo estacionario. En la figura siguiente se muestra un diagrama representativo del sistema termodinámico y las diferentes superficies de control que se pueden establecer. A través de las fronteras se han representado el flujo de calor y masa que circulan por ellas. Se pueden considerar cuatro volúmenes de control diferentes y analizarse de manera independiente. Uno de ellos abarca tanto la caldera como el motor de vapor y el condensador; los otros tres encierran a cada uno de los elementos anteriores en forma aislada. Nótese que el trabajo de la bomba de alimentación se ha omitido del sistema.
La notación que se utiliza en la figura corresponde a los siguientes conceptos: Q1 = energía eléctrica de entrada a la caldera Q2 = pérdidas de calor a través de la caldera Q3 = pérdidas de calor a través de la máquina Q4 = pérdidas de calor a través del condensador Q5 = calor que absorbe el agua de enfriamiento W = trabajo mecánico indicado que desarrolla el motor de vapor M = gasto másico de vapor del sistema ho = entalpía del agua de alimentación hw = entalpía del agua dentro de la caldera h1 = entalpía del vapor que sale de la caldera h2 = entalpía del vapor de escape del motor h3 = entalpía del condensado
Tabla de datos
t
1 − 2
N
1 2
3
t
mL
s
N
RPM
KPa KPa
1 52 30
2
2000
300
160
2 47 30
4
2000
300
170
3 64 30
6
2000
280
180
4 68 30
10
2000
300
220
5 75 30
10
2000
300
240
°C
°C mL
s
°C
°C
s
°C
18
45
24
18
65
66
95
1
c). Curvas características F1 - F2 Vol [N] [ml] 1 2 3 4 5
2 4 6 10 10
52 47 64 68 75
Vol [m3]
t [s]
mv [kg/s]
0.000052 0.000047 0.000064 0.000068 0.000075
30 30 30 30 30
0.0017333 0.00156667 0.00213333 0.00226667 0.0025
Pcal PEM N [kN/m2] [kN/m2] [RPM]
Línea Willans mv [kg/s] W [Watt]
0 1 2 3 4 5
0 0.0017 0.0016 0.0021 0.0023 0.0025
-175 23.7954 47.5907 71.3861 118.9768 118.9768
300 300 300 300 300
160 170 180 220 240
2000 2000 2000 2000 2000
Gasto de vapor-Potencia al Freno 0.003
0.0025 0.0025 0.0021
0.0023
0.002 0.0017 0.0016 r o p a v e d o t s a G
0.0015
y = 8E-06x + 0.0014 R² = 0.8649
0.001
0.0005
0 -200
-165
-130
-95
-60
-25
10
45
80
115
150
-0.0005
Potencia al Freno
y = 8E-06x + 0.0014 si y=0; x=-175. Entonces Wp = -175 [W] y Wf = 118.9768 [W]
= + | | = . + = . [] = . []
Presión de entrada del motor y el consumo específico de vapor como funciones de la potencia desarrollada al freno.
0 1 2 3 4 5
PEM [kN/m2]
W [Watt]
0 160 170 180 220 240
-174.24 23.7954 47.5907 71.3861 118.9768 118.9768
PEM vs Potencia al Freno 260 240 220 y = 0.7748x + 135 R² = 0.9219
M200 E P
180 160 140 0
20
40
60
80
100
120
140
Potencia al Freno
d). Conclusiones y recomendaciones
En conclusión de los resultados de esta práctica primeramente desde un inicio nos dejaron claro que las eficiencias no serían altas por el tamaño de la planta, pues solo es una representación a escala para poder entender el funcionamiento de las máquinas de vapor y el sistema que estas siguen, desafortunadamente los resultados que presento no son del todo satisfactorios pues hubo muchas confusiones en torno a las eficiencias, otro problema se presentó en la potencia reportada por el motor en las tabulaciones para hacer las líneas de Willans y que al principio parecían ser muy diferentes de la necesaria para calcular las eficiencias tanto del motor como la potencia de la planta misma. No logro entender porque el valor de mis eficiencias, ya revise todos mis cálculos, las operaciones y los respectivos análisis de unidades y no encuentro el erro r para que salgan cantidades tan elevadas en la eficiencia del motor real y de la caldera. De aquí en fuera creo que todos mis demás cálculos están correctos. e). Bibliografía -
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FACULTAD DE INGENIERÍA.- Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas (DIMEI- Departamento de Fluidos y Térmica) tablas de vapor. Lester Haar. John S. Gallagher. Aplicación Steam Tables
