UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Físico-Mecánicas - Escuela de Ingeniería Mecánica Febrero de 2012, Bucaramanga, Santander, COLOMBIA
LABORATORIO DE SISTEMAS TÉRMICOS. LABORATORIO DE PLANTAS TÉRMICAS
Cristian Daniel Rodríguez Villamizar.
Jose Ignacio Suarez.
Código: 2062609 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Código:2062642 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Andrea Angarita.
Juan Pablo Domínguez.
Código: 2061486 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Código:2062621 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Lisseth Ramírez.
Sergio Beltrán.
Código: 2062632 Bucaramanga, Santander, Colombia.
Código:2060955 Bucaramanga, Santander, Colombia.
INTRODUCCION Las plantas de potencia de vapor de agua trabajan fundamentalmente con el mismo ciclo básico Rankine, tanto si el suministro de energía viene de la combustión de combustibles fósiles (Carbón, gas o petróleo), como si proviene de un proceso de fisión en un reactor nuclear. El ciclo de vapor de agua se diferencia de los ciclos de
modelos es que proporcionan información cualitativa importante sobre la mayoría de los parámetros que afectan al funcionamiento del ciclo en su conjunto, reforzándose con prácticas de laboratorio donde se obtiene experiencias reales de la operación de estos sistemas mejorando la compresión de las plantas de potencia de vapor bajo los principios del ciclo Rankine.
potencia de gas debido que en algunas partes de los procesos en el ciclo, se hallan presente tanto la fase liquida como la fase de vapor. Un ciclo de potencia eléctrica moderno a gran escala resulta bastante complicado en
OBJETIVOS
Conocer e identificar los diferentes equipos que
cuanto a los flujos de masa y energía. Para simplificar la
conforman la planta térmica existente en el
naturaleza de estos ciclos se estudian en profundidad
laboratorio.
tomando modelos sencillos. La ventaja que presentan estos
LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I PRACTICA DE PLANTAS TÉRMICAS
Conocer e identificar el sistema de regulación y
ECONOMIZADOR: Es un elemento que recupera calor
control automático de combustión con que cuenta
sensible de los gases de salida de una caldera para
la caldera.
aumentar la temperatura del fluido de alimentación de la
Aprender el procedimiento de arranque de una
misma.
caldera pirotubular
Calcular la eficiencia térmica de una turbina de
SOBRECALENTADOR : Es un elemento en donde, por
impulso.
intercambio calorífico, se eleva la temperatura del vapor
Aprender la secuencia de arranque de una turbina
saturado procedente de la caldera antes de entrar a la
de impulso.
turbina.
.MARCO
TEÓRICO
CALDERA: Es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de
TURBINA: Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices o cuchillas alrededor de su circunferencia.
transporte en fase líquida o vapor.
EFICIENCIA TERMICA EN LAS CALDERAS La eficiencia de combustión en las calderas esta dada
por lo completa y eficiente que sea la reacción Oxigeno-Carbono. Disminuye con el aumento de oxigeno necesario para la
combustión completa. El combustible no quemado representa una menor
TURBINA DE VAPOR: Una turbina de vapor es una turbo máquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete. Este cambio de energía típicamente es aprovechado por un generador para producir electricidad.
eficiencia de combustión. Los contenidos de (CO) en los gases, significa una
combustión ineficiente. La eficiencia total de la caldera está dada por la energía
bruta que sale sobre la que entra.
GENERADOR ELÉCTRICO: Un generador eléctrico es el encargado de transformar la energía mecánica en eléctrica por la acción de un campo magnético sobre unos conductores eléctricos. Mecánicamente se produce un movimiento relativo de los
PRESIÓN DE DISEÑO: Valor de la presión que se
conductores y el campo, se genera en los conductores una
considera durante el diseño de los elementos de los equipos
fuerza electromotriz de modo que si se enlaza a un circuito
a presión.
exterior le suministra corriente.
PRESIÓN DE TRABAJO: Es la presión a la cual opera
CONDENSADOR
normalmente un equipo a presión para una operación
intercambiador de calor cuya función es extraer el calor
segura.
latente del vapor que sale de la turbina a una presión lo más baja posible.
DE
SUPERFICIE:
Es
un
LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I PRACTICA DE PLANTAS TÉRMICAS TORRE DE ENFRIAMIENTO: Se encarga de enfriar
VÁLVULA DE COMBUSTIBLE
el fluido de refrigeración para la condensación del
Es la encargada de regular el paso del gas natural al
vapor a la salida de la turbina, transfiriendo esta
quemador de acuerdo a la demanda de energía.
energía al aire.
Ciclo Rankine con Calentadores Abiertos SISTEMAS QUE CONFORMAN LA CALDERA Los principales sistemas que conforman la caldera son: sistema eléctrico
•
sistema de vaporización de agua
•
sistema de agua de alimentación
•
sistema de suministro de combustible
•
sistema de suministro de aire de combustión
•
sistema de control y seguridad
DE
AUTOMATICO
corrientes que entran al calentador, de manera que el resultado de la mezcla a la salida del calentador sea
•
SISTEMA
En el caso ideal, se ajustan los flujos másicos de las
REGULACION DE
líquido
saturado a una presión determinada. Las presiones de entrada deben ser
iguales, para que no se produzcan
retornos indeseables en las líneas de tuberías.
Y
CONTROL
COMBUSTION
DELA
CALDERA El sistema de regulación y control automático de combustión está conformado por: •
El motor modulador
•
Las válvulas de combustible
•
Las válvulas de aire
•
El controlador proporcional de presión
El análisis teórico de un calentador abierto en un ciclo ideal regenerativo se emplean los principios de conservación de la masa y la energía aplicados al volumen de control mostrado en la figura 1.10
MOTOR PASO A PASO
De la misma manera, el balance de energía con Q=0 y W=0
Conduce simultáneamente el desplazamiento de las
es:
compuertas de flujo de aire y de flujo de combustible, ajustando la combustión para que la producción de vapor sea proporcional a las condiciones requeridas.
Eliminando al combinar las ecuaciones anteriores tenemos:
CONTROLADOR PROPORCIONAL DE VAPOR Recibe y censa la presión del vapor y de acuerdo a ella,
Dividiendo toda la ecuación 1.24 entre la masa total
controla el motor paso a paso ajustando el rango de giro, el
tenemos:
motor realiza la modulación y el valor mínimo de presión deseado.
LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I PRACTICA DE PLANTAS TÉRMICAS Si la fracción de vapor de agua extraída de la turbina
, en
•
anteriores operaciones.
el estado 4 se representa por , en la ecuación anterior, entonces:
Se acciona el ventilador para disipar productos de
•
Se abren las válvulas de agua (debe ser tratada).
•
Una vez que el agua de alimentación ha empezado a circular, se arrancan los interruptores de la caja de control. Estos interruptores alimentan eléctricamente a
El trabajo total que sale de la turbina, referido a la unidad
la caldera.
de masa que atraviesa la zona de la caldera y el •
sobrecalentador, es:
Ya con corriente eléctrica circulante, se conecta el interruptor de operación automática. Este sistema de operación permite que el cerebro electrónico de la caldera realice todas las operaciones necesarias para la
PERO NO IMPLICA QUE
El trabajo de la bomba de condensado en condiciones
protección del equipo,
isentrópicas,
LOS OPERADORES SE DESENTIENDAN DE LA
referido
a
la
masa
que
atraviesa
al
condensador, es:
CALDERA. Previo al arranque definitivo del equipo, se debe
•
abrir la válvula de purga de aire. La finalidad de esta El trabajo de la bomba de alimentación en condiciones isentrópicas, referido a la masa total del ciclo, es:
válvula es eliminar la mayor cantidad de aire que pudiese estar dentro de la caldera, a fin de optimizar la cantidad de vapor generada.
PROCEDIMIENTO
NOTA:
CUANDO
LA
CALDERA
YA
ESTA
OPERANDO, ESTA VALVULA DEBE CERRARSE AL MOMENTO EN QUE EMPIEZA A SALIR VAPOR POR ELLA. •
Ahora debe revisarse el nivel de agua: En caso de que el nivel de agua sea muy alto, debe abrirse la válvula principal de purga. En caso contrario, la caldera está programada para no arrancar.
•
SOLAMENTE ANTERIORES
CUANDO SE
TODOS HAN
LOS
PASOS
SEGUIDO
CUIDADOSAMENTE SE ARRANCA LA CALDERA A partir de este momento, la operación de la caldera será controlada automáticamente por el cerebro electrónico de la misma. Finalmente, cuando la caldera ha alcanzado su presión de
ARRANQUE DE LA CALDERA •
Verificar la línea de combustible para realizar las prácticas.
operación, lo cual se detecta cuando cesa la combustión, se abre lentamente la válvula principal del equipo para alimentar las unidades que operarán con el vapor.
LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I PRACTICA DE PLANTAS TÉRMICAS APAGADO DE LA CALDERA •
Para apagar la caldera, se deben seguir los siguientes pasos:
1. Apagar el interruptor principal (debe esperarse a que la caldera no esté en proceso de combustión). 2. Abrir la llave de purga de las líneas de vapor, y esperar hasta que todo el vapor haya sido eliminado de las mismas. 3. Cerrar la llave principal de vapor de la caldera. 4. Poner el interruptor de operación en "Manual". 5. Cerrar los interruptores del tablero eléctrico principal.
TABLAS DE DATOS
GENERADOR ELÉCTRICO
CONDENSADOR DE SUPERFICIE
LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I PRACTICA DE PLANTAS TÉRMICAS CÁLCULOS
q_caldera=m_1*(h_3-h_2) q_caldera=0,196 "Tabla de datos (unidades en Kw)"
Diagrama del ciclo de vapor en la fig 1,10
v_fa=Volume(Water;x=x_7;T=T_7) "Volumen específico bomba 1" v_fb=Volume(Water;x=x_1;T=T_1) "Volumen específico bomba 2"
m_4+m_7=m_1 "Balance de masa" m_4/m_1=y_4 h_1=(m_4/m_1)*h_4+ (1-m_4/m_1)*h_7 "Entalpía a la salida del calentador" h_1=y_4*h_4+(1-y_4)*h_7 h_1=Enthalpy(Water;T=T_1;x=x_1) s_1=Entropy(Water;x=x_1;T=T_1) P_1=Pressure(Water;T=T_1;x=x_1) T_1=38 "Tabla de datos" x_1=0 "Líquido satudaro"
n_termica=(w_turbina(w_bomba1+w_bomba2))/q_caldera2 q_caldera2=q_caldera*m_1 "Calor específico de la caldera " RESULTADOS
P_2=Pressure(Water;x=x_2;T=T_2) s_1=s_2 T_2=50 x_2=x_1 h_3=Enthalpy(Water;x=x_3;P=P_3) "Entalpía a la entrada de la turbina" s_3=Entropy(Water;x=x_3;P=P_3) P_3=758,42 "Tabla de datos" x_3=1 s_3=s_4 "Se asume como un proceso isoentrópico" s_3=s_5 h_4=Enthalpy(Water;s=s_4;P=P_4) "Entalpía a la salida de la turbina" P_4=34,473 "Tabla de datos" T_4=165 "Tabla de datos" T_5=12 "Tabla de datos" T_5=T_6 h_6=Enthalpy(Water;x=x_6;s=s_6) x_6=x_7 s_6=s_7 P_6=Pressure(Water;x=x_6;T=T_6)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
h_7=Enthalpy(Water;x=x_7;T=T_7) x_7=0 s_7=Entropy(Water;T=T_7;x=x_7) P_7=Pressure(Water;x=x_7;T=T_7) T_7=15 "Tabla de datos"
Los resultados que se obtuvieron son aceptables, debido a
w_turbina=w_turb/m_1 w_turbina=h_3-h_4+(1-y_4)*(h_4-h_5) w_bomba1=v_fa*(P_7-P_6)*(1-y_4) w_bomba2=v_fb*(P_2-P_1)
valores de temperatura, debido a que en el ciclo de vapor
que la eficiencia del ciclo de vapor fue aproximadamente del 40%; estas eficiencias son las que normalmente se obtienen en dichos procesos. Aunque se asumieron algunos
real del laboratorio el condensador estaba fuera de servicio, se tuvo cuidado de que no fueran valores muy alejados de la realidad a la hora de hacer los cálculos.
w_turb=4,474 "Kw Tabla de datos"
LABORATORIO DE SISTEMAS TERMICOS I PRACTICA DE PLANTAS TÉRMICAS CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFÍA
No se pudo analizar de una forma confiable el
o
MacGrawHill, 1998
ciclo de vapor debido a la ausencia del condensador.
o
encontró
una
eficiencia
térmica
que
se
aproxima a la realidad.
La utilización de calentadores de agua para utilizarla en el proceso, aumenta la eficiencia del proceso de manera considerable.
En los ciclos de vapor las eficiencias caen entre el 30 y el 50%, aunque comparándolas con el 100% parecen bajas, lograr estas eficiencias requiere de un gran esfuerzo.
AGRADECIMIENTOS A la Universidad Industrial de Santander y más específicamente a la Escuela de Ingeniería Mecánica.
MILLS, A.F. (1995) “Transferencia de Calor”. Irwin.
Aunque se hicieron algunas suposiciones para encontrar los estados termodinámicos, se
J.P. Holman, Transferencia de Calor.
o
Incropera, Frank p. Fundamentos de la transferencia de calor, Prentice hall, México 1999
