5. Planta Térmica

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO LABORATORIO DE ENERGÍA

Página 1 de 18 MEC245 TERMODINAMICA GENERAL

1. OBJETIVOS

V. PLANTA TÉRMICA A VAPOR



Aplicar las Leyes de la Termodinámica Termodinám ica a una planta térmica a vapor, obteniendo valores cuantitativos de energía, eficiencia de la planta y rendimiento de sus componentes.



Observar y analizar analizar las tendencias de los procesos procesos del ciclo termodinámico termodinámico de vapor vapor y compararlos con los procesos correspondientes al ciclo t eórico.

2. EQUIPO A EMPLEAR La planta térmica consta de una caldera de vapor, un sobrecalentador, una válvula de control de flujo, un regulador de Watt, una turbina de vapor, un condensador, una bomba de vacío, un generador eléctrico y un banco de resistencias eléctricas.

Planta Térmica a Vapor Vapor del Laboratorio Figura 1. Esquema de la Planta

(a) Intercambiador de Calor Intercambiador de calor de tubos y coraza – dos pasos por los tubos, su función es incrementar la temperatura del agua de alimentación de la caldera, el fluido caliente es vapor que se obtiene de la misma caldera. (b) Caldera Marca Bryan, modelo LCM – 150, horizontal, acuotubular, automática, con capacidad de producción de 1237 lb/h de vapor a 212 F y presión de trabajo de 150 psi. (c) Sobrecalentador Automático con quemador quemador a petróleo, Melesco, Melesco, con capacidad de 1000 lb/h lb/h de vapor a 150 psi y temperatura máxima de 400 °C.


LABORATORIO DE ENERGÍA


(d) Turbina Marca Greenwood & Batley, de 10 kW de potencia y velocidad de 3000 rpm. (e) Generador De corriente continua, voltaje de 220 V y amperaje máximo de 50 A. (f) Condensador Marca Greenwood & Batley, de superficie, tipo carcasa y tubos, de 3 pasos. (g) Banco de resistencias (h) Instrumentación * (12) Termocuplas con transmisores de temperatura, marca Yokogawa, instaladas a lo largo de la planta. * (12) Manómetros tipo Bourdon y transmisores de presión, marca Yokogawa, conectados a los equipos de la planta. * (02) Contómetros en la línea de combustible del quemador, para el ingreso y el retorno. * (01) Dinamómetro en el generador, con brazo de palanca de 300 mm. * (01) Tacómetro en el eje del generador eléctrico. * (01) Amperímetro en el banco de resistencias. * (01) Voltímetro en el banco de resistencias. * (01) Rotámetro en la línea del caudal de agua de enfriamiento del condensador. * (01) Tanque piezométrico a la salida de la bomba de vacío, para medir el caudal de condensado con un tubo piezométrico con la equivalencia: 1 cm  1,14 litros. * (02) Cronómetros. * (01) Display de temperatura.

3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.1. Ciclo Rankine ideal Es el ciclo característico de la planta térmica a vapor y está constituido por los siguientes procesos (ver Figuras 2, 3 y 4): 1-2 2-3 3-4 4-5

Bombeo de líquido, isoentrópico. Calentamiento y vaporización, isobárico Expansión adiabática reversible, isoentrópico Enfriamiento y condensación, isobárico



Página 3 de 18 MEC245 TERMODINAMICA GENERAL Q23

3

2 Caldera Wt12 Wt34

Bomba

Turbina

Condensador 1

4

Q41

Figura 2: Esquema de los principales componentes del Ciclo Rankine. T

h

3

3

2

2

4

1

1

4

s s

Figura 3: Diagrama T-s, del ciclo Rankine ideal.

Figura 4: Diagrama h – s, Ciclo Rankine ideal.

3.2. Dispositivos en el ciclo de la planta térmica del LABEN a) Bomba En el proceso 1-2, se eleva la presión del agua de ingreso a la caldera mediante una bomba, cuyo trabajo técnico es despreciable respecto al generado por la turbina. Suponiendo proceso adiabático, líquido incompresible y saturado, y despreciando EC, EP, se tiene: 



W bomba kW  m v  ν1   p 2

p1 



Donde: 



mv



ν



p 2



p1

1

: flujo másico de agua, en kg/s : volumen específico del agua a la entrada de la bomba, en m 3/kg : presión a la salida de la bomba, en kPa : presión a la entrada de la bomba, en kPa




b) Intercambiador de calor En el proceso 2-3, la temperatura del agua, luego de haber pasado por la bomba, aumenta isobáricamente gracias a que parte del flujo de vapor que sale de la caldera es utilizado en este proceso. El intercambiador de calor es del tipo carcasa y tubos; tiene dos pasos de tubos y un paso de carcasa. Suponiendo proceso isobárico y despreciando EC, EP, el calor obtenido en la primera ley, es: 





v  h 3  h 2   m va  h 5  h 4  Qint kW  m Donde: 



mv

: Flujo másico de agua precalentada que ingresa a la caldera (Igual al flujo

másico de vapor que sale de la caldera), en kg/s. 



m va

: Flujo másico de vapor que circula por el intercambiador de calor, en kg/s.



h2



h3

: Entalpía del agua a la entrada del intercambiador de calor, en kJ/kg : Entalpía del agua a la salida del intercambiador de calor, en kJ/kg



h4



h5

: Entalpía del vapor a la entrada del intercambiador de calor (vapor saturado), en kJ/kg : Entalpía del líquido a la salida del intercambiador de calor (líquido saturado), en kJ/kg

Por cuestiones prácticas, se trabajará con la condición de que el flujo de vapor que es utilizado en el intercambiador de calor es el 15% del flujo de vapor total que sale de la caldera; por lo tanto, se tiene: 

m va







mv

0.15  m v 





m va  m vb

Donde: 



m vb

: Flujo másico de vapor que continua el ciclo de la planta térmica, en kg/s.

c) Caldera En el proceso 3-4, la temperatura del agua se eleva isobáricamente para generar vapor saturado, mediante el calor proporcionado por una combustión. La caldera es del tipo acuotubular. La combustión se realiza en un quemador cuyo combustible es petróleo Diesel No.2 (densidad = 0,85 kg/litro). Suponiendo proceso isobárico y despreciando EC, EP, el calor suministrado al agua en la caldera es: 



Q34 kW  m v  h 4  h 3 

Donde: 

h4



h3

: entalpía del vapor a la salida de la caldera (vapor saturado), en kJ/kg : entalpía a la salida del intercambiador de calor, en kJ/kg




Debido a las pérdidas de energía, fundamentalmente por la descarga de gases calientes por la chimenea y por combustión incompleta, se define el rendimiento de la caldera como: 

η caldera

%



flujo de calor absorbido por el agua flujo de calor entregado por el combustible



100% 

m v  h 4



h3 





100%

m c  PC

Donde: 



mc



PC

: flujo neto de combustible consumido por la caldera, en kg/s : poder calorífico superior del combustible, en kJ/kg ( PC1 = 45329 kJ/kg )

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

d) Sobrecalentador En el proceso 4-6, se eleva la temperatura del vapor para producir vapor sobrecalentado. De este modo se eleva la entalpía del vapor, mejorando la eficiencia del ciclo, y se evita que circulen gotas de agua que, por su alta velocidad, erosionarían los álabes de la turbina. Suponiendo el proceso isobárico y despreciando EC, EP, el calor suministrado en el sobrecalentador es: 



Q 46 kW  m vb  h 6  h 4 

Donde: 

h6

: entalpía del vapor a la salida del sobrecalentador, en kJ/kg

La caída de presión producida puede despreciarse.

e) Línea de distribución 6-7 En 6-7, el sistema no es adiabático, lo que produce disipación de calor que se manifiesta con caída de temperatura. Además, se presenta una caída de presión debido al paso de un fluido a través de una tubería. f) Válvula reguladora En el proceso 7-8, la presión del vapor disminuye. La válvula regula el flujo de vapor que ingresa a la turbina el cual aumenta o disminuye según 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 centrífugo de Watt. Debido a que el proceso es un estrangulamiento, se tiene: h7



h8

g) Turbina-Generador En el proceso 8-9, se expande el vapor produciendo trabajo al chocar con los álabes de la turbina, con disminución de su entalpía. Suponiendo turbina adiabática y despreciando EC, EP, la potencia entregada por el fluido de trabajo sería: 1

Información extraída de la norma NTP 350.300 (Año: 2002) – Anexo E



Página 6 de 18 MEC245 TERMODINAMICA GENERAL 





W 89 kW







m vb  h 8



h9



Donde: 

h8

: entalpía del vapor a la entrada de la turbina, en kJ/kg



h9

: entalpía del vapor a la salida de la turbina, en kJ/kg

La energía mecánica que entrega la turbina es convertida en energía eléctrica en un generador. Así, para el grupo turbo-generador se tiene: Rendimiento mecánico de la turbina: η mecánico

%

Tω







m vb  (h 8



100%

h 9 ) 1000

Rendimiento del generador:

%

ηgen



VI 100% Tω

Rendimiento del grupo turbo-generador: ηtg

%



VI 

m vb  (h 8





100%

h 9 ) 1000

Donde: 

T



ω



V



I

: torque en el eje de la turbina, en N ∙m : velocidad angular de giro del eje de la turbina, en rad/s : voltaje de las resistencias eléctricas, en V : corriente de consumo de las resistencias eléctrica, en A

h) Línea de distribución 9-10 Ídem al proceso 6-7. i) Condensador En el proceso 10-11, el vapor es enfriado y condensado por una corriente de agua. El condensador está formado por un haz de tubos instalados en la carcasa del equipo por los cuales circula el agua de enfriamiento y exteriormente a los tubos circula el vapor húmedo proveniente de la turbina. A la salida del condensador se tiene, en general, líquido subenfriado. Sin embargo, puede aproximarse al estado de saturación. Adicionalmente, se considera el proceso isobárico.




Figura 5: Primera Ley en el Condensador

Por la Primera Ley se determina el calor transferido hacia el condensador: 













Qcond kW  m vb  h11  m R  h14  m vb  h10  mR  h13

Luego: 

Qcond kW  m vb  h11  h10   m R  Cp H2O  T14  T13 

Donde: 



m R



CpH2O

: flujo másico de agua de refrigeración a través del condensador, en kg/s : calor específico (p=const.) del agua, en kJ/kg∙K ( Cp H O = 4.179 kJ/kg∙K 2) 2

El condensado obtenido es desalojado por la bomba de vacío y descargado a la atmósfera.

j) Bomba de vacío En el proceso 11-12, el condensado eleva su presión hasta la atmosférica. Su función es disminuir la presión en la línea de descarga de la turbina para aumentar el área en el diagrama T-s e incrementar la potencia entregada y el rendimiento térmico del ciclo. Adicionalmente, ayuda a la formación y extracción del condensado formado. 3.3. Gráficas del ciclo de la plata térmica del LABEN: En función al ciclo Rankine y los equipos detallados anteriormente, se muestran los diagramas T-s (Figura 6) y h-s (Figura 7) de la planta térmica de vapor del Laboratorio de Energía (LABEN).

2

SHAPIRO,Howard y Michael MORAN. Fundamentos de Termodinámica Técnica. 2da edición en español. Editorial Reverté. Barcelona, 2004, pág. 843.




Figura 6: Diagrama T-s, Planta térmica del LABEN

Figura 7: Diagrama h-s, Planta térmica del LABEN.

3.4. Rendimientos generales Rendimiento térmico del ciclo (despreciando el trabajo técnico de las bombas): 



ηth

% 

W 89 





100% 

m vb  (h 8 



h9 )





m v  h 4  h 3   m vb  h 6  h 4 

Q 34  Q 46

Rendimiento total de la planta térmica: 

η planta

%



WE 

Qsum



100% 

V I 

m c  PC 1000



100%

100%




4. PROCEDIMIENTO: 4.1. Pruebas a realizar  Manteniendo constante la velocidad del generador eléctrico (3000 rpm), conectar la carga en 12,5% de su capacidad.  Esperar que la planta se estabilice y, con la caldera a la presión máxima de 10 bar (150 psi), tomar lecturas de:  Presiones y temperaturas en cada punto requerido  Tensión y corriente eléctricas  Fuerza en el dinamómetro  Tiempo transcurrido durante 2 ó 3 ciclos arranque/parada de la caldera  Volumen de combustible consumido en ese tiempo  Tiempo para una diferencia de altura en el tanque piezométrico igual a 10 cm.  Caudal de agua de enfriamiento en el rotámetro.  Repetir las mediciones para 25% y 50% de carga. 4.2. Durante el ensayo:  La operación de la planta térmica estará a cargo de los Jefes de Práctica y el personal a cargo del Laboratorio de Energía. 5. CÁLCULOS Evaluar para cada carga:  La potencia al freno a la salida de la turbina.  El calor disipado en el condensador.  El rendimiento térmico del ciclo  El rendimiento total de la planta.  El rendimiento mecánico de la turbina  El rendimiento del generador eléctrico  El rendimiento del grupo turbina-generador. 6. GRÁFICOS 

 



Graficar los ciclos correspondientes a las tres cargas en un solo diagrama T-s. Graficar los siguientes parámetros vs. el porcentaje de carga:  El flujo másico de vapor  La potencia al freno obtenida a la salida de la turbina  El rendimiento térmico del ciclo y el rendimiento total de la planta Graficar el flujo de másico de vapor vs. la potencia al freno a la salida de la turbina.




HOJA DE DATOS (completar sólo los recuadros en blanco3)

7.

% Carga Parámetro

12,5 % P

25 % T

P

50 % T

p

T

Unidades 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Porcentaje de carga en las resistencias eléctricas 12,5 % Parámetros Consumo neto de combustible

Símbolo

Unidad

Volumen neto de combustible

VC

L

Tiempo evaluado

t

S

Cota neta de condensado

∆h

cm

Tiempo evaluado

t

s

25 %

50 %

Flujo de condensado

3 Sobre

los recuadros en gris: Las presiones 1, 12, 13 y 14 corresponde a las presión atmosférica, la presión 5 es igual a la presión 4, la temperatura 1 corresponde a la temperatura ambiental, la temperatura en 5 es igual a la temperatura de líquido saturado a la presión 5, la temperatura 8 se determina según el proceso isoentálpico 7-8.




V

V

I

A

Flujo de agua de enfriamiento

V R

m3/hr

Fuerza en el dinamómetro

F

kgf

Velocidad de rotación

n

RPM

Potencia en el banco resistencias

8.

Voltaje de las resistencias Amperaje de las resistencias



HOJA DE INSTRUMENTACION Estado

Instrumento

Presión Unidades Rango

Aproximación

Instrumento

Temperatura Unidades Rango

Aproximación

1 2 3 4 5 6 7 8 10

Estado 1 2 3 4 5 6 7 9 11 12 13




Medición Flujo de Combustible Flujo de Condensado

Volumen Tiempo Volumen Tiempo

Flujo de agua refrigerante Fuerza Velocidad de rotación

Instrumento

Unidades

Rango

Aproximación




9. HOJA DE CÁLCULOS Porcentaje de carga: 12,5 %

Porcentaje de carga: 25 %

Porcentaje de carga: 50 %

pabs

T

h

pabs

T

h

pabs

T

h

kPa

°C

kJ/kg

kPa

°C

kJ/kg

kPa

°C

kJ/kg

12,5 %

Carga 25 %

50 %

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Potencia al Freno Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Fuerza

Hoja de datos

F

N

Torque

T  F  0.3

T

N.m




Velocidad rotacional Potencia al freno

Hoja de datos 

WF



n

πTn



30000

RPM

WF

kW

Símbolo

Unidad

Calor transferido en el condensador Parámetros

Fórmula

Flujo vol. de refrigerante



Hoja de datos

V R

m3/h



Flujo másico de refrigerante



m R

Cota de Condensado Volumen de condensado Tiempo evaluado cond.



V R  ρ R



m R

3600

Hoja de datos Vvb



Δh 1.14

Δh

cm

Vvb

litros

t

seg

m vb

kg/s

Hoja de datos 

Flujo másico condensado

m vb



Vvb  ρ12



t 1000

kg/s



m vb



mv

Flujo másico de vapor total 

m va

Calor transferido en el condensador













mv

0.85 



m v  m vb

m va



Qcond kW  m vb  h 11  h 10   m R  4,179  T14



T13 



Q cond

kg/s kg/s kW

12,5 %

Carga 25 %

50 %




Velocidad rotacional Potencia al freno

Hoja de datos 

WF



n

πTn



30000

RPM

WF

kW

Símbolo

Unidad

Calor transferido en el condensador Parámetros

Fórmula

Flujo vol. de refrigerante



Hoja de datos

V R

12,5 %

Carga 25 %

50 %

m3/h



Flujo másico de refrigerante



m R

Cota de Condensado Volumen de condensado Tiempo evaluado cond.

Vvb

Flujo másico condensado

m vb



V R  ρ R



m R

3600

Hoja de datos 

Δh 1.14

Δh

cm

Vvb

litros

t

seg

m vb

kg/s

Hoja de datos 



Vvb  ρ12



t 1000

kg/s



m vb



mv

Flujo másico de vapor total 







mv

0.85



m va

Calor transferido en el condensador







m v  m vb



m va



Qcond kW  m vb  h 11  h 10   m R  4,179  T14



T13 



Q cond

kg/s kg/s kW




Rendimiento mecánico de la turbina: Parámetros Potencia al freno Flujo masico de condensado

Fórmula

Símbolo 

Unidad

Calculado en las hojas anteriores

WF


m Vb

kg/s

Entalpías


h8

kJ/kg

Entalpías


h9

kJ/kg

ηmec

%



12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

kW



Rendimiento

η mecánico



WF





m vb  (h 8



100%

h9 )

Rendimiento del generador eléctrico Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Voltaje

Hoja de datos

V

V

Corriente

Hoja de datos

I

A

Potencia al freno Rendimiento

Calculado en las hojas anteriores ηgen



VI 

W F 1000





WF

kW

η gen

%

100%




Rendimiento mecánico de la turbina: Parámetros

Fórmula

Potencia al freno Flujo masico de condensado

Símbolo 

Unidad


WF


m Vb

kg/s

Entalpías


h8

kJ/kg

Entalpías


h9

kJ/kg

ηmec

%



12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

kW



Rendimiento

η mecánico

WF







m vb  (h 8



100%

h9 )

Rendimiento del generador eléctrico Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Voltaje

Hoja de datos

V

V

Corriente

Hoja de datos

I

A

Potencia al freno


WF

kW

η gen

%

ηgen

Rendimiento

VI









100%

W F 1000




Rendimiento del grupo turbina – generador Parámetros Rendimiento mecánico Rendimiento del generador Rendimiento turbogenerador. Rendimiento turbogenerador.

Fórmula

Símbolo

Unidad


ηmec

%


η gen

%

ηtg

%

ηtg

%

Símbolo

Unidad

ηth

%

ηtg

V I







m

vb 

ηtg

(h 8



h 9 ) 1000

10000

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %



ηmec  ηgen



100%

12,5 %



100%

Rendimiento térmico del ciclo Parámetros

Fórmula 



Rendimiento

ηth



W 89 



Q 3-4  Q 4-6



m vb  (h 8 



h 9 ) 100% 

m v  h 4  h 3   m vb  h 6  h 4 

Rendimiento total de la planta Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Voltaje

Hoja de datos

V

V

Corriente Volumen de Combustible

Hoja de datos

I

A

Hoja de datos

Vc

L




Rendimiento del grupo turbina – generador Parámetros Rendimiento mecánico Rendimiento del generador Rendimiento turbogenerador. Rendimiento turbogenerador.

Fórmula

Símbolo

Unidad


ηmec

%


η gen

%

ηtg

%

ηtg

%

Símbolo

Unidad

ηth

%

ηtg

V I







m vb  (h 8 ηtg



ηmec  ηgen



100%

h 9 )  1000

10000



100%

12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

Rendimiento térmico del ciclo Parámetros

Fórmula 



Rendimiento

ηth

W 89









m vb  (h 8





h 9 ) 100% 

m v  h 4  h 3   m vb  h 6  h 4 

Q 3-4  Q 4-6

Rendimiento total de la planta Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Voltaje

Hoja de datos

V

V

Corriente Volumen de Combustible

Hoja de datos

I

A

Hoja de datos

Vc

L




Tiempo

Hoja de datos 

Flujo másico de combustible

mc



Vc tc

ρ

tc

c



 1000

s

mc

kg/s

η planta

%



Rendimiento

η planta



WE 

Q sum



100% 

VI 

m c  PC 1000



100%




Tiempo

Hoja de datos 

Flujo másico de combustible

mc



Vc tc

ρ

tc

c



 1000

s

mc

kg/s

η planta

%



Rendimiento

η planta



WE 



100% 

Q sum

VI 



100%

m c  PC 1000




10. BIBLIOGRAFÍA (a) BURGHARDT, David, “Ingeniería Termodinámica”, Harla Editores, 2da, Edición, México, 1984, 558 p. TJ 265 P79 (b) MORÁN, Michael y SHAPIRO, Howard, “Fundamentos de Termodinámica Técnica”, 2do. Vol., Editorial Reverté, Barcelona, 1995 TJ 265 M79 (c) MORSE, Frederick, “Centrales Eléctricas: teoría y práctica de las plantas generadoras eléctricas estacionarias”, Editorial Continental, México , D.F. 1966, 954 p. TK 1191 M79 (d) POSTIGO, Jaime y CRUZ, Juan, “Termodinámica Aplicada”, W.H. Editores, 2da. Edición, Lima, 1991, 101 p. TJ 265 P79 (e) VAN WYLEN, Gordon y SONNTAG, Richard, “Fundamentos de Termodinámica”, Limusa Editores, México, 1975, 734 p. TJ 265 V28 (f) WARK, Kenneth, “Thermodynamics”, Ed. McGraw-Hill, New York 1988, 954 p. TJ 265 W26 IN




10. BIBLIOGRAFÍA (a) BURGHARDT, David, “Ingeniería Termodinámica”, Harla Editores, 2da, Edición, México, 1984, 558 p. TJ 265 P79 (b) MORÁN, Michael y SHAPIRO, Howard, “Fundamentos de Termodinámica Técnica”, 2do. Vol., Editorial Reverté, Barcelona, 1995 TJ 265 M79 (c) MORSE, Frederick, “Centrales Eléctricas: teoría y práctica de las plantas generadoras eléctricas estacionarias”, Editorial Continental, México , D.F. 1966, 954 p. TK 1191 M79 (d) POSTIGO, Jaime y CRUZ, Juan, “Termodinámica Aplicada”, W.H. Editores, 2da. Edición, Lima, 1991, 101 p. TJ 265 P79 (e) VAN WYLEN, Gordon y SONNTAG, Richard, “Fundamentos de Termodinámica”, Limusa Editores, México, 1975, 734 p. TJ 265 V28 (f) WARK, Kenneth, “Thermodynamics”, Ed. McGraw-Hill, New York 1988, 954 p. TJ 265 W26 IN

5. Planta Térmica

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