5 Planta Termica

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO LABORATORIO DE ENERGÍA

Página 1 de 18 MEC245 TERMODINAMICA GENERAL

V. PLANTA TÉRMICA A VAPOR

1. OBJETIVOS 

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. Caldera

Sobrecalentador

3 Regulador de velocidad

2 4

1´

Válvula Bomba

5

1

Generador

Turbina Bomba de vacío

8´

Condensador

8

7 9

Dh

6

10

Tanque Medidor

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

(a) Caldera Marca Bryan, modelo LCM – 150, – 150, horizontal, acuotubular, automática, con capacidad de producción de 1237 lb/h de vapor a 212 F y presión de trabajo de 150 psi. (b) Sobrecalentador Automático con quemador quemador a petróleo, Melesco, Melesco, con capacidad de 1000 lb/h de vapor a 150 psi y temperatura máxima 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 máximo de 50 A. (e) Condensador Marca Greenwood & Batley, de superficie, tipo carcasa y tubos, de 3 pasos. (f) Banco de resistencias (g) Instrumentación * Termocuplas y termómetros termómetros instalados instalados a lo largo de la planta planta * Manómetros tipo Bourdon y transmisores transmisor es de presión, marca Yokogawa, conectados a los equipos de la planta. * Dos contómetros en la línea de combustible del quemador, para el ingreso y el retorno. * Un dinamómetro en el generador, con brazo de palanca de 300 mm. * Un tacómetro en el eje del generador eléctrico. * Un amperímetro en la banco de resistencias. * Un voltímetro en la banco de resistencias. * Un rotámetro en la línea del caudal de agua de enfriamien enfriamiento to del condensador. * Un 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.

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. isoentró pico. Calentamiento Calentamien to y vaporización, isobárico Expansión adiabática reversible, isoentrópico isoentrópic o Enfriamiento Enfriami ento 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 – h – s, s, Ciclo Rankine ideal

3.2. Dispositivos en el ciclo de la planta térmica del LABEN a) Bomba En el proceso 1-1 , 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 DEC, DEP, se tiene: 



W bo mba kW   m v  ν1   p1 '

 p1



Donde: 



mv



ν

1



p1 '



p1

: 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) Caldera En el proceso 1 -2, 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 Suponiendo proceso isobárico isobárico y despreciando despreciando DEC, DEP, el calor suministrado al agua en la caldera es: 



Q12 kW   m v  h 2  h 1 '

Donde: 

h2



h1 '

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

ηcaldera % 

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

 100% 

m v  h 2

 h1 '





 100%

m c  PC

Donde: 

 

mc PC

: flujo neto de combustible consumido por la caldera, en kg/s : poder calorífico superior del combustible, 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.

c) Sobrecalentador En el proceso 2-3, 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 DEK, DEP, el calor suministrado en el sobrecalentador sobrecalentador es: 



Q 23 kW  m v  h 3  h 2 

Donde: 

h3

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

La caída de presión producida puede despreciarse.

d) Línea de distribución 3-4 En 3-4, 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 1

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




través de una tubería.

e) Válvula reguladora En el proceso 4-5, 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: h4



h5

f) Turbina-Generador En el proceso 5-6, se expande el vapor produciendo trabajo al chocar con los álabes de la turbina, con disminución de su entalpía. Suponiendo turbina adiabática y despreciando DEK, DEP, la potencia entregada entregada por el fluido de trabajo sería: 



W 56 kW  m v  h 5  h 6 

Donde: 

h5



h6

: entalpía del vapor a la entrada de la turbina, t urbina, en kJ/kg : 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  100%  m v  (h 5  h 6 )  1000

Rendimiento Rendimiento del generador: ηgen% 

VI  100% Tω

Rendimiento Rendimiento del grupo turbo-generador: turbo-generador: ηtg% 

VI 100%  m v  (h 5  h 6 )  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

g) Línea de distribución 6-7 Ídem al proceso 3-4. h) Condensador En el proceso 7-8, 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.  Q

8

7

9

10

Figura 5: Primera Ley en el Condensador

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



Q condkW  m v  h 8







 m R  h 10  m v  h 7  m R  h 9

Luego: 



Q cond kW   m v  h 8





 h 7  m R  Cp H

2O



T10  T9 

Donde: 

 

m R Cp H 2O

: flujo másico de agua de refrigeración a través del condensador, en kg/s : calor específico (p=const.) del agua, en kJ/kg 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.

2

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




i) Bomba de vacío En el proceso 8-8 , 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). T

3

2

4 5

6 1´ 7 8´ 1 8

s

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

h 3

2

5 4

6 7

1´

8´ 1 8

s

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 56 



 100% 

Q12  Q 23

h5

 h6

h3

 h1 '

 100%

Rendimiento total de la planta térmica: 

η planta % 

WE 

Q sum

VI

100% 



 100%

m c  PC  1000

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. planta se estabilice estabilice y, con la caldera caldera a la presión presión máxima de 10 10 bar (150 psi), psi),  Esperar que la planta tomar lecturas de: temperaturas en cada cada punto punto requerido  Presiones y temperaturas  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 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: potencia al freno a la salida salida de la turbina. turbina.  La potencia  El calor disipado en el condensador.  El rendimiento rendimient o térmico del ciclo  El rendimiento rendimient o total de la planta.  El rendimiento mecánico de la turbina  El rendimiento rendimient o del generador eléctrico rendimient o del grupo turbina-generador. turbina-g enerador.  El rendimiento




6. GRÁFICOS  



Graficar los ciclos ciclos correspondientes correspondientes a las tres cargas cargas en un solo diagrama 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 la turbina.




7.

HOJA DE DATOS (completar sólo los recuadros en blanco)

% Carga Parámetro

12,5 % P

25 % T

P

50 % T

p

T

Unidades 1 1’ 2 3 4 5 6 7 8 8’ 9 10

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

Símbolo

Unidad

VC

L

t

S

∆h

cm

t

s

V

V

I

A

Flujo de agua de enfriamiento

V R

m3/hr

Fuerza en el dinamómetro

F

kgf

Velocidad de rotación

n

RPM

Consumo neto de combustible

Flujo de condensado

Potencia en el banco resistencias

Volumen neto de combustible Tiempo evaluado Cota neta de condensado Tiempo evaluado Voltaje de las resistencias Amperaje de las resistencias



25 %

50 %




8.

HOJA DE INSTRUMENTACION INSTRUMENT ACION Presión Puntos

Instrumento

Unidades

Rango

Aproximación

1 1’ 2 3 4 5 6 7 8 8’

Temperatura Puntos

1 1’ 2 3 4 5 6 7 8 8’

Instrumento

Unidades

Rango

Aproximación




Medición Flujo de Combustible

Flujo de Condensado

Tiempo Flujo de agua refrigerante Fuerza Velocidad de rotación

Instrumento

Unidades

Rango

Aproximación


LABORATORIO DE ENERGÍA


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 1’ 2 3 4 5 6 7 8

Potencia al Freno Parámetros Fuerza Torque Velocidad rotacional Potencia al freno

Fórmula

Símbolo

Unidad

Hoja de datos

F

N

T  F  0.3

T

N.m

Hoja de datos

n

RPM



WF



πTn



WF

30000

kW




Calor transferido hacia el condensador Parámetros

Fórmula

Flujo vol. de refrigerante



Hoja de datos

V R

Unidad

12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

3

m /h



Flujo másico de refrigerante



m R 

Cota de Condensado Volumende condensado Tiempo evaluado cond.

VV

Flujo másico condensado

mV

Calor transferido hacia condens.

Símbolo

V R  ρ R

m R

kg/s

Δh

cm

VV

litros

t

seg



3600

Hoja de datos  Δh 1.14

Hoja de datos 



Q cond





m v  h 8





VV  ρ8 '



mV

t  1000 

 h 7  m R  4.179 

T10  T9 



kg/s

Q cond

kW

Rendimiento térmico del ciclo Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Entalpías

Calculado en las hojas anteriores

h5

kJ/kg

Entalpías


h6

kJ/kg

Entalpías


h3

kJ/kg




Calor transferido hacia el condensador Parámetros

Fórmula

Flujo vol. de refrigerante



Hoja de datos

V R

Unidad

12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

3

m /h



Flujo másico de refrigerante



m R 

Cota de Condensado Volumende condensado Tiempo evaluado cond.

VV

Flujo másico condensado

mV

Calor transferido hacia condens.

Símbolo

V R  ρ R

m R

kg/s

Δh

cm

VV

litros

t

seg



3600

Hoja de datos  Δh 1.14

Hoja de datos 



Q cond



m v  h 8





VV  ρ8 '



mV

t  1000 



 h 7  m R  4.179 

T10  T9 



kg/s

Q cond

kW

Rendimiento térmico del ciclo Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Entalpías


h5

kJ/kg

Entalpías


h6

kJ/kg

Entalpías


h3

kJ/kg




Entalpías


h1’

kJ/kg

ηth

%



Rendimiento

W 56

ηth 







Q12  Q 23

h5

 h6

h 3  h1 '

 100%

Rendimiento total de la planta Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Voltaje

Hoja de datos

V

V

Corriente Volumen de Combustible Tiempo

Hoja de datos

I

A

Hoja de datos

Vc

L

Hoja de datos

tc

s



Flujo másico de combustible

mc



Vc  ρ c



mc

t c  1000

kg/s



Rendimiento

η planta



WE 

Qsum

 100% 

VI 

m c  PC  1000

 100%

η planta

%

12,5 %

Carga 25 %

50 %




Entalpías


h1’

kJ/kg

ηth

%



Rendimiento

W 56

ηth 



h5





 h6

h 3  h1 '

Q12  Q 23

 100%

Rendimiento total de la planta Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Voltaje

Hoja de datos

V

V

Corriente Volumen de Combustible Tiempo

Hoja de datos

I

A

Hoja de datos

Vc

L

Hoja de datos

tc

s



Flujo másico de combustible

mc



Vc  ρ c



mc

t c  1000

12,5 %

Carga 25 %

50 %

kg/s



Rendimiento

η planta

WE





VI

 100% 

Qsum



 100%

η planta

%

m c  PC  1000




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

Fórmula

Símbolo 


WF


mV



Unidad

12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

kW kg/s

Entalpías


h5

kJ/kg

Entalpías


h6

kJ/kg

ηmec

%



Rendimiento

ηmecánico



WF

 100%



m v  (h 5

 h6

)

Rendimiento del generador eléctrico Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Voltaje

Hoja de datos

V

V

Corriente

Hoja de datos

I

A

Potencia al freno


WF

Rendimiento

ηgen 

VI 

W F  1000



 100% ηgen

kW %




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

Fórmula

Símbolo 


WF


mV



Unidad

12,5 %

Carga 25 %

50 %

12,5 %

Carga 25 %

50 %

kW kg/s

Entalpías


h5

kJ/kg

Entalpías


h6

kJ/kg

ηmec

%



Rendimiento

ηmecánico



WF

 100%



m v  (h 5

 h6

)

Rendimiento del generador eléctrico Parámetros

Fórmula

Símbolo

Unidad

Voltaje

Hoja de datos

V

V

Corriente

Hoja de datos

I

A

Potencia al freno


WF

ηgen 

Rendimiento

VI



 100%



ηgen

W F  1000

kW %




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

Fórmula

Símbolo

Unidad


ηmec

%


ηgen

%

ηtg

%

ηtg

%

ηtg 

VI

 100%



m v  (h 5  h 6 )  1000 ηtg 

ηmec  ηgen

10000

 100%

12,5 %

Carga 25 %

50 %




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

Fórmula

Símbolo

Unidad


ηmec

%


ηgen

%

ηtg

%

ηtg

%

ηtg 

VI

 100%



m v  (h 5  h 6 )  1000 ηtg 

ηmec  ηgen

10000

 100%

12,5 %

Carga 25 %

50 %




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”, 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, 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”, 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, McGraw -Hill, New York 1988, 954 p. TJ 265 W26 IN

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