UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DPTO. DE INGENIERÍA MECÁNICA
EXPERIENCIA E-952 INFORME “Turbina de vapor ”
NOMBRE: José Ignacio Arancibia Fernández. ASIGNATURA: Equipos térmicos e hidráulicos. PROFESOR: Ivan Jerez. Codigo Horario: 9562
Santiago de Chile, 20 de junio del 2011
ÍNDICE ..................................... ......................... ........................ ......................... ..............................................3 .................................3 RESUMEN........................
..................................... ..............................................3 ..................................3 OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA ......................... •
..................................... ......................... ..................................................... ........................................3 3 Objetivo general.........................
•
.................................... ......................... ........................ ....................................3 ........................3 Objetivos especificos.......................
.................................... ......................... ......................... ..........................4 ..............4 CARACTERISTICAS TECNICAS ........................ DESCRIPCION DEL METODO SEGUIDO ............................................................11 PRESENTACION DE LOS RESULTADOS ............................................................12
.................................... .......................................15 ...........................15 CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES ........................ APENDICE…………………………………………………………………………….…………………..…..17 a) Teoría Teoría del experiment experimento………… o……………………… ………………………… ………………………… ………………………… ………………………. …………......… .....…17 17 b) Desarrollo Desarrollo de cálcu cálculos……… los…………………… ………………………… ………………………… ………………………… ………………………… …………………... ……...19 19 BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………………………………..25
Resumen
2
En el presente informe, se describe y se muestra lo realizado en la experiencia E952 “turbina de vapor”. En el informe se detallan diferentes parámetros de una turbina a vapor acompañada por un generador, para el caso del generador también se determinan datos de gran utilidad, la experiencia imita el funcionamiento de una central termoeléctrica, la experiencia avanza a medida que le ponemos cargas al generador, las cargas imitarían el consumo de energía demandado, finalmente con los datos recopilados calcularemos rendimientos, tanto del generador como de la turbina a vapor, como también flujo de vapor consumido y energía eléctrica producida para cada carga.
Objetivos de la experiencia 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.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
1. 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. 2. Dar una idea general del funcionamiento de una central térmica de vapor real, así como de los aspectos termodinámicos involucrados.
3
Características técnicas de equipos e instrumentos empleados. Para haber llevado a cabo la experiencia realizada, fue necesaria la utilización de los siguientes instrumentos y materiales con el fin de lograr los objetivos propuestos.
Equipos. 1. Turbina de vapor. Marca: Coppus Tipo: TW9 (de acción). Potencia: 1,9 HP Velocidad: 3750 RPM Presión de Vapor: 75 PSIG Temperatura de Vapor: 320 ºF
2. Generador eléctrico. Marca : Westinghouse. Potencia: 1 (Kw). Velocidad: 3750 rpm. Voltaje: 110 (Volt C.C). Intensidad: 9,1 (A). Factor de servicio: 1,15 Frame: 187 – AY.
4
3. Caldera Descripción: •
•
•
Caldera de alta eficiencia para la generación de vapor, utilizando como combustible petróleo diesel, gas natural o gas licuado. La caldera está diseñada para generar desde 100 a 600 kg de vapor por hora y para presiones de trabajo de 6, 8, 10 y 12 bar. Posee una eficiencia de combustión de hasta un 90%. Genera vapor de forma muy rápida y eficiente, debido a su bajo contenido de agua, esto permite que su utilización sea rentable.
Características generales: •
•
Marca: SERVIMET Modelo: MIX 500 V.P.G
Características operacionales: •
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•
•
Superficie de calefacción: 17.2 m² Presión máxima de trabajo: 7 Kg/cm² Flujo de vapor: 500 Kg/hr. Potencia térmica útil: 349 Kw Tipo de combustible: Petróleo diesel (P2) Consumo máximo hora de combustible: 38,5 Lt/hr.
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1. Tablero de carga VOLTIMETRO
:0 - 300 [V]
AMPERIMETRO:0 – 20 [A] Nº
RESISTENCIAS:10
(AMPOLLETAS)
2.
Condenzador.
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Instrumentos. 1. Termómetro digital. Marca: Fluke. Modelo: 52 װ
Características Para 2 Entradas de Termopares. Para Termopares del tipo: J, K, T y E Registra temperaturas en ºC, ºF Y º K Registra valor de temperatura MAX / MIN /AVG. Permite obtener diferenciales de Temperatura (T 1 – T2). Pantalla doble retro iluminada.
2. Termocupla de inmersión.
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Marca: Fluke. Modelo: 80 PK -22. Tipo: “K” Cromel – Alumen Rango: - 270 a 1370ºC
3. Balanza digital. Balanza Electrónica marca SNOWREX Modelo NV-30 con display cristal liquido. Plataforma de acero inoxidable de 20 x 26 cm. Visor de cristal liquido LCD con Back Light (luz de contraste Stand By). Operación por batería interna 100 horas (auto recarga) o adaptador 220V. Temperatura de operación: 0 °C – 40 °C. Salida serial RS 232 OPCIONAL. Rango Medida: 0-30 Kg. Precisión: 0.002 Kg.
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4. Probeta Graduada. Rango: 0 – 1000 ml.
5. Cronometro. Marca: Casio. Resolución: 0.01 seg.
6.
Barometro.
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Marca: Schiltknecht Ing. S.I.A. Hecho: Zurich, Suiza. Modelo: B-3457. Escala Presión: 600 a 830 mm de Hg. Escala Temperatura: -20 a 50 ºC. Error Instrumento: 0.06 mm Hg.
7. Tacómetro digital. MARCA:EXTECH INSTRUMENTS MODELO:461891 UNIDADES
MED.[ft/min],
[RPM],
[m/min]
8. Guantes para temperatura. tipo: soldador color: rojo características: forrado y cocido con hilo de kevlar (hilo retardante de incineración)
9. Antiparras de seguridad. 10
Material: plástico flexible Color: transparente Sujeción: elástico
Descripción del método seguido. La experiencia comienza con una completa explicación del profesor donde deja muy claro todos los temas a tratar en el laboratorio, como también realiza una completa explicación teórica sobre las leyes a tratar. Luego de eso nos dirigimos al equipo a operar, este es presentado por el profesor y se explican cada una de las partes y su funcionamiento, así como también los cuidados a tener durante la experiencia. Luego de esto el profesor no explica cómo podemos desarrollar la experiencia y como debemos asignarnos en el equipo, las asignaciones fueron las siguientes: – Un alumno en el tablero de carga, este alumno se encargara de activar las cargas y anotar la tensión y la intensidad producida por el equipo. 11
– Un segundo alumno se encargara de mazar el condensado y determinar el tiempo del intervalo mediante un cronometro. – Un tercer alumno se dedica a regular las RPM durante toda la experiencia, estas RPM se mantuvieron a 2400 RPM durante el tiempo que duro la experiencia, estas RPM se regularon mediante dos válvulas que controlan el flujo de vapor asía la turbina, una válvula es de baja y otra de alta, también este alumno se encarga de medir la presión de entrada a la turbina. – Un cuarto alumno se dedico a medir las temperaturas de salida y entrada de vapor en la turbina El ensayo comienza cuando se le da partida a la caldera, esta alimenta el circuito de vapor, una vez que el circuito está completamente con vapor se da partida a la turbina la cual es controlada a las RPM que queremos fijar durante toda la experiencia esta etapa se hace con la máxima carga, en este punto no podemos llegar a las RPM deseadas asique tenemos que bajar las RPM a 2400 estas se respetaran durante toda la experiencia Ya cumplido este paso se bajan las RPM de la turbina y se cancelan las cargas generadas, luego de esto aplicamos una sola carga, esto quiere decir prender una sola ampolleta, en este punto se estabilizan las RPM a 2400 y se da aviso al alumno que maza el condensado, durante el mazado del condensado se toman otros datos como temperaturas de entrada y salida del vapor en la turbina, presión de entrada del vapor a la turbina, y mediciones de tensión e intensidad en el tablero, todo esto se realiza en 20 segundos luego de esto se deja de acumular condensado y se procede a aumentar en una carga mas, este procedimiento se repite hasta llegar a la decima carga.
Presentación de los resultados. De acuerdo a lo desarrollado en la experiencia los datos obtenidos y calculados fueron los siguientes:
1- Datos obtenidos directamente de laboratorio.
12
carg as 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RP M 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400
Presión [PSI] 62 82 84 86 86 86 86 80 86 80
Temp de entrada °K 437,3 436,9 436,3 437 437,3 437,1 436,7 436,2 437,1 436,1
temp de salida °K 372,7 372,7 372,9 372,6 372,6 372,6 372,6 372,7 372,6 373
Tension Intensid [V] ad [amp] 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55
0,5 1 1 1,5 2 2,5 3 4 4,5 5
Masa Tiempo [grm] [seg] 252 294 270 284 308 320 346 348 380 386
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
2- Datos calculados a partir de los datos obtenidos, los datos calculados los dividiremos en dos partas (a y b). a) carg ṁ as [Kgr/seg ] 1 0,0126 2 0,0147 3 0,0135 4 0,0142 5 0,0154 6 0,016 7 0,0173 8 0,0174 9 0,019 10 0,0193
s3 h4' h3 [KJ/Kg] [KJ/Kg°K [KJ/Kg] ] 2674,86 2762,138 6,71428 6 2674,86 2761,714 6,71764 6 2675,18 2761,078 6,72268 2 2674,70 2761,82 6,7168 8 2674,70 2762,138 6,71428 8 2674,70 2761,926 6,71596 8 2674,70 2761,502 6,71932 8 2674,86 2760,972 6,72352 6 2674,70 2761,926 6,71596 8 2760,866 6,72436 2675,34
hf4 [KJ/Kg] 417,64 417,64 418,48 417,22 417,22 417,22 417,22 417,64 417,22 418,9
hfg4 [KJ/Kg] 2257,22 6 2257,22 6 2256,70 2 2257,48 8 2257,48 8 2257,48 8 2257,48 8 2257,22 6 2257,48 8 2256,44
Sf4 [KJ/Kg° K] 1,3029 02 1,3029 02 1,3051 54 1,3017 76 1,3017 76 1,3017 76 1,3017 76 1,3029 02 1,3017 76 1,3062
Sfg4 [KJ/Kg° K] 6,0568 36 6,0568 36 6,0521 72 6,0591 68 6,0591 68 6,0591 68 6,0591 68 6,0568 36 6,0591 68 6,0498 13
8
4
b) cargas
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
titulo X despues de la turbina 0,893433 14 0,893987 88 0,895137 48 0,893691 02 0,893275 12 0,893552 38 0,894106 91 0,894958 69 0,893552 38 0,895574 1
h4 [KJ/Kg] teorico 2434,320 51 2435,572 7 2438,538 54 2434,716 74 2433,777 86 2434,403 78 2435,655 63 2437,764 02 2434,403 78 2439,709 22
Ẇ real Ẇ teorico Energia ƞ ƞ turbina de la de la electrica generado [%] turbina turbina E [Kw] r [%] 1,09962 72 1,27666 56 1,15959 6 1,23699 04 1,34642 2 1,39548 8 1,50153 62 1,49824 44 1,65714 2 1,65065 18
4,130500 37 4,794277 17 4,354282 65 4,644866 26 5,056746 22 5,240355 52 5,637142 23 5,623818 86 6,222922 18 6,198325 91
0,0275 0,055 0,055 0,0825 0,11 0,1375 0,165 0,22 0,2475 0,275
26,62213 06 26,62894 85 26,63116 04 26,63134 59 26,62625 22 26,62964 36 26,63647 89 26,64105 01 26,62964 36 26,63060 68
2,500847 56 4,308097 59 4,743031 19 6,669413 12 8,169801 15 9,853183 98 10,98874 61 14,68385 26 14,93535 26 16,66008 54
1- A partir de los datos calculados y obtenidos generamos los siguientes gráficos. a)
b)
14
c)
Discusión de resultados, Conclusiones y observaciones Como hemos podido ver a través de los resultados de esta experiencia, en un ciclo Rankin sin modificación, ya que el sobrecalentador se encontraba inoperativo podemos observar lo siguiente: En primer lugar comenzaremos analizando el rendimiento de la turbina, este rendimiento fue bajo ya que fluctuó entre el 26% (generalmente este rendimiento es de un 30%), esto se debió a un desperfecto en la turbina que nos pudimos dar cuenta al momento de regular las RPM. Analizando el fluido podemos observar la inmensa energía que puede almacenar y luego liberar de forma isoentropica en la turbina a vapor, esta turbina se encargara de transformar el calor en trabajo, este trabajo es de una gran amplitud es por eso que se utiliza en termo eléctricas, aprovechando la energía de la turbina mueven grandes generadores de electricidad, y mirando este proceso de un punto de vista económico las termo eléctricas son muchos más económicas que los grupos electrógenos (motor a combustión- generador), ya que para generar la misma cantidad de energía deberían instalarse grandes motores los cuales sin duda ocuparías una gran cantidad de combustible elevando los costos desde el punto de vista del consumo y la costosa mantención que requieren. Analizando el generador nos podemos dar cuenta que su rendimiento es directamente proporcional a las cargas aplicadas ya que su rendimiento incrementa junto con las cargas, de todas maneras es un rendimiento bajo y que como el generador interactúa directamente con la turbina las fallas que conlleve esta también afectan al generador. Con respecto al consumo de vapor nos podemos dar cuenta que este va en ascenso ya que al momento de pedir cargas al generador este demandaba un mayor consumo de vapor ya que la turbina debía suplir la carga al generador, recordemos que el trabajo del generador es convertir la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica. 15
Analizando el consumo de vapor en el grafico nos podemos fijar que es directamente proporcional con respecto a la energía electrica, esto quiere decir que a mayor demanda de electricidad mayor es el consumo de vapor, esto se debe a que la turbina para mantener sus RPM constantes requiere un mayor consumo de vapor.
Apéndice. a)
Teoría del experimento.
Turbina de vapor Es un dispositivo por el cual se hace pasar un fluido, vapor a presión y mediante una conversión apropiada de energía se logra obtener un trabajo con la expansión de éste. El fluido es acelerado a través de toberas fijas y el momentum resultante es transferido a los álabes del rotor obteniéndose así, el movimiento del eje motriz. Este puede estar conectado a un generador eléctrico, un compresor u otra carga en general. La clasificación de las turbinas depende de diferentes factores, entre los relevantes se tiene: a) Considerando la expansión del vapor en la turbina, se tendrá turbinas de acción o impulso, de reacción y mixtos (acción-reacción). b) Considerando la descarga del vapor, encontramos turbinas de descarga libre, de condensación y de contrapresión. c) Si se considera la dirección del flujo de vapor, relativo al plano de rotación, se habla de turbinas de flujo axial, radial y tangencial.
Ciclo Rankine Ciclo termodinámico de máquina térmica comúnmente utilizado en plantas de fuerza, la sustancia de trabajo en general es agua, quien participará en fases líquidas y gaseosas. El ciclo básico, totalmente idealizado, considera los siguientes dispositivos operando en forma estacionaria como flujo estable estado estable: 16
1-2 Bomba, adiabática reversible. 2-3 Caldera, isobárica. 3-4 Turbina de vapor, adiabática reversible. 4-1 Condensador, isobárico.
La formación energética, con las simplificaciones del caso conduce a: Calor aportado Calor rechazado Trabajo ciclo
:
2 3
q
= h3 - h2
:
4 1
q
= h1 - h4
wn
= (h2 - h1) + (h4 - h3)
:
Rendimiento térmico del ciclo: ɳ térmico
=
(h2 - h1) + (h4 - h3) h3 - h2
Ciclo Rankine Básico .y que fue el usado durante la experiencia.
17
La presencia efectiva de irreversibilidades justifica establecer el concepto de rendimiento termodinámico de proceso en turbina y bomba, en el caso de la primera.
ɳ turbina =
Trabajo efectivo turbina Trabajo teórico idealizado
h4´ – h3 =
Wreal =
h4 – h3
Wideal
En las instalaciones como en la que se ensayará la turbina se encuentra acoplada a un generador eléctrico dando lugar a un rendimiento de grupo generador. ɳ generador
=
Energía eléctrica Trabajo efectivo turbina
Curva Característica Generador.
Luego el rendimiento del conjunto turbo-generador será: ɳ turbogenerador
=
Energía eléctrica Trabajo teórico idealizado 18
Sin perjuicio de lo anterior, el ciclo de Rankine básico podrá ser modificado incorporando dispositivos adicionales: sobrecalentadores, intercambiadores de calor y otros con la intención de aumentar la producción de trabajo y/o la eficiencia térmica.
a) Desarrollo de los cálculos. A continuación determinaremos los cálculos hechos durante la experiencia, efectuaremos los cálculos solo para el primer parámetro ya que para el resto de las cargas es lo mismo. 1-
En primer lugar determinamos la entalpia en el punto 3 junto con la entropía en el punto tres, estos dos parámetros los interpolamos directamente de las tablas termodinámicas de vapor saturado ya que entendemos que el vapor a la salida de la caldera es de un titulo 100% y los buscamos a través de las temperaturas ya que es el dato más exacto por su precisión en instrumento y de lectura.
temperatura s [°K] 435 437,3 440
entalpias [KJ/Kg] 2759,7 2762,138 2765 h3= 2762,138
temperatura s [°K] 435 437,3 440
entropías [KJ/Kg°K] 6,7336 6,71428 6,6916 s3= 6,71428 19
2- Luego determinamos h4’ este punto está a la salida de la turbina temperatura s [°K] 370 372,7 375
entalpias [KJ/Kg] 2670,6 2674,866 2678,5 h4'= 2674,866
3- Para determinar la entalpía (h) en el punto 4 (teórico), este punto teórico se obtiene bajando isoentropicamente desde el punto 3, es en este punto donde ya se determino la entropía (S3), el punto 4 se produce a la salida de la turbina, por lo tanto se debe ingresar a las tablas de termodinámica de vapor saturado con los siguientes datos: ○
Temperatura a la salida de la turbina (Tº4) En esta tabla se debe ingresar por temperatura y obtener los
datos de Sf y Sfg, hf y hfg, para obtener los valores se debe interpolar, por lo tanto tenemos: temperatu ras [°K] 370 372,7 375
temperatu ras [°K]
entropías [KJ/Kg°K] 1,2725 1,302902 1,3288 sf4= 1,302902
temperatu ras [°K] 370 372,7 375
entropías [KJ/Kg°K]
temperatu ras [°K]
entalpias [KJ/Kg] 406,3 417,64 427,3 hf4= 417,64 entalpias [KJ/Kg] 20
370 372,7 375
6,1198 6,056836 6,0032 sfg4= 6,056836
370 372,7 375
2264,3 2257,226 2251,2 hfg4= 2257,226
Para poder determinar la entalpía h4 (teórica), debemos determinar empíricamente el título, a partir de los datos de entropía ya determinados, utilizando el siguiente modelo matemático: S 3 = Sf + X .Sfg
Donde: S3
: Entropía [ kJ/kg°K]
Sf
: Entropía de liquido saturado [kJ/kg°K]
Sfg
: Diferencia de Entropía entre el vapor sat. y el liquido sat [kJ/kg°K]
X
: Título Desarrollando obtenemos:
6.71428 = 1.2898853+ X * 6.0837923
X =
6.71428 − 1.2898853 6.0837923
X = 0.8934331 X = 89.34[%] Una vez determinado el titulo se procede a determinar la entalpia h4 (Teorica), mediante el siguiente modelo matemático:
h 4 = hf + X .hfg 21
Donde: h4
: Entalpía [kJ/kg]
hf
: Entalpía de liquido saturado [kJ/kg]
hfg
: Diferencia de Entalpia entre el vapor sat. y el liquido sat [kJ/kg]
X
: Título [tanto por uno]
Desarrollando se obtiene:
h 4 = 412.8475 + 0.89343314x 2260.208 h4 = 2434.32051
1- Primera Carga medida, determinación del Flujo Másico: El flujo másico (condensado), se obtiene mediante la siguiente fórmula:
•
m
m = t
Donde: :
Flujo másico [kg/seg]
•
m
m:
masa de condensado [kg]
t:
tiempo de llenado de la probeta (20 seg)
Desarrollando se obtiene para la primera carga:
22
0.252 20
•
m= •
m = 0.0126[ Kg / seg ]
2- Primera Carga medida, determinación del Trabajo Efectivo de la Turbina (Real): El Trabajo Efectivo (Real), de la turbina, se determina mediante la siguiente fórmula:
•
•
W = m• (h3 − h4`) Desarrollando se obtiene para la primera carga: •
W = 0.0126• (2762.138 − 2674.366) •
W = 1.0996272[ Kw]
3- Primera Carga medida, determinación del Trabajo Teórico Idealizado de la Turbina El Trabajo Teórico Idealizado, de la turbina, se determina mediante la siguiente fórmula: •
•
W = m• (h3 − h4) Desarrollando se obtiene para la primera carga: •
W = 0.0126• (2762.138 − 2434.32051) 23
•
W = 4.13050037[ Kw] 4-
Primera Carga medida, determinación del Rendimiento Térmico de la Turbina (ŋt )
El rendimiento térmico de la turbina, se determina mediante la siguiente fórmula: •
η t
W Efectivo.Turbina
=
•
W Teorico. Idealizado Desarrollando se obtiene para la primera carga: η t
=
1.0996272
x100[%] 4.13050037
η t
= 26.6221306[%]
5- Primera Carga medida, determinación de la Energía Eléctrica (E) La Energía Eléctrica se determina mediante la siguiente fórmula:
E =
Voltaje. x.Intensidad 1000
24
Donde: E
: Energía eléctrica [kW]
V
: Voltaje [Volts]
I
: Corriente [Amp]
Desarrollando se obtiene para la primera carga:
E =
55.x.0.5 1000
E = 0.0275[ Kw] 6-
Y por último la determinación del Rendimiento Térmico para el grupo turbo generador ( ŋgenerador)
El rendimiento térmico del grupo Turbo generador se determina mediante la siguiente fórmula: η t
=
EnergiaElectrica •
W real Desarrollando se obtiene para la primera carga:
η t
=
0.0275
x100[%] 4.13050037
η t
= 2.50084756[%]
Bibliografía. 25
•
Guía de Laboratorio E-952
•
Manual de Formulas Técnicas de Giek – 30ª Edición
•
•
Tablas Termodinámicas Libro Claudio Mataix “Mecánica de fluidos y Maquinas Hidráulicas”, HARLA
26
