Problemario ciclos de potencia de vapor y combinados Ciclos de vapor de Carnot 10-3 En la caldera de una maquina de carnot de flujo estacionario entra agua como liquido saturado a 180 psia y sale con una calidad de 0.90. El vapor sale de una turbina a una presión de 14.7 psia. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto de las líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica, b) la calidad al final del proceso de rechazo de calor isotérmico y c) la salida neta de trabajo.
10-4 Un ciclo de carnot de flujo estacionario utiliza agua como fluido de trabajo. El agua cambia de líquido saturado a vapor saturado cuando se transfiere calor de una fuente a 250 0C. El rechazo de calor sucede a una presión de 20 KPa. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto a las líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica, b) la cantidad de calor rechazado en KJ/Kg y c) la salida neta de trabajo.
10-6 Considere un ciclo carnot de flujo estacionario con agua como fluido de trabajo. Las temperaturas máximas y mínima en el ciclo son 350 y 60 0C. La calidad del agua es 0.891 al principio del proceso de rechazo de calor y 0.1 al final. Muestre el ciclo de un diagrama T-s respecto alas líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica, b) la presión en la entrada de la turbina y c) la salida neta de trabajo.
El ciclo Rankine simple 10-15 La turbina de una planta de generación eléctrica que usa vapor de agua y que opera en un ciclo Rankine simple ideal produce 500 KW de potencia cuando la caldera se opera a 500 psia, el condensador a 6 psia, y la temperatura a la entrada de la turbina es de 1200 0F . Determine la tasa de suministró de calor a la caldera, la tasa de rechazo de calor en el condensador y la eficiencia térmica del ciclo.
10-17 Un ciclo Rankine simple ideal con agua como fluido de trabajo opera entre los límites de presión de 3 MPa en la caldera y 30 KPa en el condensador y temperatura a la entrada de la turbina 700 0C. La caldera esta diseñada para dar un flujo de vapor de 50 kg/s. Determine la potencia que produce la turbia y que consume la bomba.
10-19 Un ciclo Rankine simple ideal con agua como fluido de trabajo opera entre los límites de presión de 15 MPa en la caldera y 100 KPa en el condensador. El vapor saturado entra ala turbina. Determine el trabajo que produce la turbina, la transferencia de calor en la caldera y la eficiencia térmica del ciclo.
10-20 Reconsidere el problema 10-19. Las irreversibilidades en la turbina hacen que la calidad del vapor a la salida de la turbina sea 70 %. Determine la eficiencia isentropica de la turbina y la eficiencia térmica del ciclo.
10-21 Un ciclo Rankine de vapor de agua opera entre los límites de presión de 2500 psia en la caldera y 1 psia en el condensador. La temperatura a la entrada de la turbina es de 90 %, las perdidas de la bomba son despreciables y el ciclo esta diseñado para producir 1000 KW de potencia. Calcule el flujo másico a través de la caldera, la potencia que produce la turbina, la tasa de suministro de calor en la caldera y la eficiencia térmica.
10-23 Considere una planta termoeléctrica que quema el carbón y que produce 300 MW de potencia eléctrica. La planta opera en un ciclo Rankine simple ideal con condiciones de entrada de la turbina de 5 MPa y 450 0C y una presión del condensador de 25 KPa. El carbón tiene un poder calorífico (energía liberada cuando se quema el combustible) de 29300 KJ/Kg. Suponiendo que 75 % de esta energía se transfiere al vapor de agua en la caldera y que el generador eléctrico tiene una eficiencia de 96 %. Determine a) la eficiencia total de la planta (la relación de producción neta de potencia eléctrica a entrada de energía como resultado de combustión de combustible) y b) la tasa necesaria de suministro de carbón.
10-25 Considere una planta eléctrica de vapor de agua que opera en un ciclo Rankine simple ideal y tiene una producción neta de potencia de 45 MW. El vapor entra ala turbina a 7 MPa y 500 0C y se enfría en el condensador a una presión de 10 KPa mediante la circulación de agua de enfriamiento de un lago por tubos del condensador a razón de 2000 Kg/s. muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica del ciclo, b) el flujo másico de vapor y c) la elevación de temperatura de agua de enfriamiento.
10-28 En la figura P10-28 se da el esquema de una planta geotérmica de una sola cámara de vaporización instantánea, con números de estados indicados. El recurso geotérmico esta disponible como líquido saturado a 230 0C. El líquido geotérmico se saca del pozo de producción a razón 230 Kg/s, y se estrangula de la cámara de vaporización instantánea a una presión de 500 KPa, mediante un proceso esencialmente isentalpico y se conduce a la turbina. El vapor sale de la turbina a 10 KPa con un contenido de humedad de 10 % y entra al condensador donde se condensa y se conduce a un pozo de reinyección al suelo, junto con el líquido que viene del separador. Determine a) el flujo másico del vapor a través de la turbina, b) la eficiencia isentropica de la turbina, c) la producción de potencia por la turbina y d) la eficiencia térmica de la panta (la relación de la producción de trabajo por la turbina a la energía del fluido geotérmico relativa a las condiciones ambientales estándar).
10-30 Reconsidere el problema 10-28 . Ahora se propone que el agua liquida que viene del separador se use como fuente de calor en un ciclo binario con isobutano como fluido de trabajo. El agua liquida geotérmica sale del intercambiador de calor a 90 0c mientras que el isobutano entra a la turbina a 3.25 MPa Y 145 0C y sale a 80 0C y 400 KPa. El isobutano se condensa en un condensador enfriado por aire y luego se bombea a la presión del intercambiador de calor, suponiendo una eficiencia isentropica de 90 % para la bomba, determine a) el flujo másico del isobutano en el ciclo binario, b) la producción neta de potencia tanto por la sección donde se tiene vaporización instantánea de agua geotérmica como por la sección binaria de la planta y c)la eficiencia térmica del ciclo binario y la planta combinada, las propiedades del isobutano se pueden obtener de EES.
El ciclo Rankine con recalentamiento 10-33 Considere un ciclo Rankine simple ideal y un ciclo Rankine con tres etapas de recalentamiento. Ambos ciclos operan entre los mismos límites depresión. La temperatura máxima es 700 grados en el ciclo simple y 450 0C en el ciclo con recalentamiento. ¿Cual ciclo piensa usted que tendrá una eficiencia térmica mas alta?
10-34 Una planta termoeléctrica que usa el vapor de agua, opera en el ciclo Rankine con recalentamiento. El vapor entra a la turbina de alta presión a 8 MPa y 500 0C antes de expandirse a 20 KPa en la turbina de baja presión. Determine la producción de trabajo de la turbina en KJ/Kg y la eficiencia térmica del ciclo. También muestre el ciclo de un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación.
10-36 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine con recalentamiento. La planta mantiene la entrada de la turbina de alta presión a 600 psia y 600 0F, La entrada de la turbina de baja presión a 200 psia y 600 0 F, y el condensador a 10 psia. La potencia neta que produce esta planta es de 5000 KW. Determine la tasa de adición y rechazo de calor y la eficiencia térmica del ciclo.
10-38 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine ideal con recalentamiento. La planta mantiene la caldera a 4000 KPa, la sección de recalentamiento a 500 KPa, el condensador a 10 KPa. La calidad del vapor húmedo a la salida de ambas turbinas es de 90 %. Determine la temperatura a la entrada de cada turbina y la eficiencia térmica del ciclo.
10-42 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en un ciclo Rankine con recalentamiento. El vapor entra a la turbina de alta presión a 12.5 MPa y 550 0C, a razón de 7.7 Kg/s y sale 2 MPa. El vapor luego se recalienta a presión constante a 450 0 C antes de expandirse en la turbina de baja presión. Las eficiencias isentropicas de la turbina y la bomba son 85 % y 90 % respectivamente. El vapor sale del condensador como liquido saturado. Si el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina no debe exceder 5 % determínese a) la presión de condensador, b) la producción neta de potencia y c) la eficiencia térmica.
Ciclo Rankine regenerativo 10-48 Entra agua fría a 70 0C a razón de diez kilogramos por segundo, a un calentador abierto de agua de alimentación, de 200 KPa de presión de un ciclo Rankine regenerativo. Hay disponible vapor de purga de la turbina a 200 KPa y 160 0C ¿A que flujo se debe suministrar el vapor de purga al calentador abierto de agua de alimentación de modo que el agua de alimentación salga de la unidad como liquido saturado?
10-49 En un ciclo Rankine regenerativo, el calentador cerrado de agua de alimentación con una bomba, como se muestra en la figura, esta dispuesto de tal manera que el agua en el estado 5 se mezcla con el agua en el estado 2 para formar agua de alimentación que es un liquido saturado a 200 psia a una razón de 2 lbm/s. E l vapor de purga se toma de la turbina a 160 psia y 400 0F y entra a la bomba como liquido saturado a 160 psia. Determine el flujo másico de vapor purga necesaria para operar esta unidad.
10-50 El calentador cerrado de agua de alimentación de una ciclo Rankine regenerativo debe calentar el agua de alimentación a 400 psia y 370 0F hasta liquido saturado a 400 psia. La turbina tiene disponible vapor de purga a 300 psia y 500 0F que se condensara a líquido saturado. ¿Cuánto vapor de purga se necesitara para calentar 1 Lbm de agua de alimentación en esta unidad?
10-52 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en un ciclo ideal Rankine regenerativo con dos calentadores abiertos de agua de alimentación. El vapor entra a la turbina a 10 MPa y 600 0C y sale del condensador a 5 KPa. Se extrae vapor de la turbina a 0.6 y 0.2 MPa. El agua sale de ambos calentadores de agua de alimentación como liquido saturado. El flujo másico de vapor a través de la caldera es de 22 Kg/s. Muestre el ciclo en un diagrama T-s y determine a) la producción neta de potencia de la planta y b) la eficiencia térmica del ciclo.
10-53 Considere un ciclo ideal Rankine regenerativo de alimentación, uno cerrado y uno abierto. El vapor de la turbina a 0.8 MPa para el calentador cerrado y a 0.3 MPa para el abierto. El agua de alimentación se calienta a la temperatura a la temperatura de condensación del calentador cerrado como liquido saturado, que en seguida se estrangula para conducirlo al calentador abierto. Muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación y determine a) el flujo másico de vapor a través de la caldera para una producción neta de potencia de 250MW y b) la eficiencia térmica del ciclo.
10-55 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en un ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador cerrado de agua de alimentación como se muestra en la figura. La planta mantiene la entrada a la turbina a 3000 KPa y 350 0C y opera el condensador a 20 KPa. Se extrae vapor a 1000 KPa para servicio del calentador cerrado de agua de alimentación que se descarga en un condensador después de estrangularse a la presión del condensador. Calcule el trabajo que produce la turbina, el trabajo que consume la bomba y el suministro de calor en la caldera para este ciclo, por unidad de flujo en la caldera.
10-61 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en un ciclo ideal Rankine regenerativo con recalentamiento con recalentador y dos calentadores abiertos de agua de alimentación. El vapor entra a la turbina de alta presión a 1500 psia y 1100 0F y sale de la turbina de baja presión a 1 psia. El vapor se extrae de la turbina a 250 y 40 psia y se recalienta a 1000 0F a una presión de 140psia. El agua sale de ambos calentadores de agua de alimentación como liquido saturado. Se trasfiere calor a la caldera a razón de 4 X 105 Btu/s. muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación y determine a) el flujo másico de vapor a través de la caldera, b) la producción neta de potencia de la planta y c) la eficiencia térmica del ciclo.
10-62 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en un ciclo Rankine regenerativo con un calentador cerrado de agua de alimentación. El vapor entra a la turbina a 12.5 MPa a 550 0C a razón de 24 Kg/s y se condensa en el condensador a una presión de 24 KPa. El vapor se recalienta a 5 MPa a 550 0C. Algo de vapor se extrae de la turbina de baja presión a 1.0 MPa, se condensa por completo en el calentador cerrado de agua de alimentación y se bombea a 12.5 MPa antes de que se mezcle con el agua de alimentación a la misma presión. Suponiendo una eficiencia isentropica de 88 % tanto para la turbina como para la bomba determine a) la temperatura de vapor a la entrada del calentador cerrado de agua de alimentación, b) el flujo másico del vapor extraído de la turbina para el calentador cerrado de agua de alimentación, c) la producción neta de potencia y d) la eficiencia térmica.
Cogeneración. 10-75 El vapor de agua entra a la turbina de una planta de cogeneración a 7 MPa y 0 500 C . Una cuarta parte del vapor se extrae de la turbina a una presión de 600 KPa para calentamiento de proceso. EL vapor restante sigue expandiéndose hasta 10 KPa. El vapor extraído se condensa luego y se mezcla se bombea a la presión de la caldera de 7 MPa. El flujo másico de vapor a través de la caldera es 30 Kg/s. Despreciando cualquier caída de presión y cualquier pérdida de calor en la tubería y suponiendo que la turbina y la bomba son isentropicas, determine la producción neta de potencia y el factor de utilización de la planta.
10-76 Una planta grande de procesamiento de alimentación necesita 2 lbm/s de vapor saturado de agua o ligeramente sobrecalentado a 80 psia, que se extrae de la turbina de una planta de cogeneración. La caldera genera vapor a 1000 psia y 1000 0F a razón de 5 lbm/s, y la presión del condensador es de 2 psia. El vapor sale del calentador del proceso como liquido saturado. Luego se mezcla con el agua de alimentación a la misma presión de la caldera. Suponiendo que tanto ambas bombas como la turbina tienen eficiencias isentropicas de 86 % determine a) la tasa de transferencia de calor a la caldera y b) la producción de potencia de la planta de cogeneración.
10-77 Se genera vapor de agua en caldera de una planta de cogeneración a 10 MPa y 450 0C a un flujo estacionario de 5 Kg/s. En operación normal, el vapor se expande en una turbina a una presión de 0.5 MPa, luego se conduce al calentador de proceso, donde suministra el calor de proceso. El vapor sale del calentador de proceso como liquido saturado y se bombea a la presión de la caldera. En este modo operativo, no pasa vapor por el condensador que opera a 20 KPa. a) Determine la potencia producida y la tasa de suministro de calor de proceso en este modo operativo. b) Determine la potencia producida y la tasa de suministro de calor de proceso si solo 60 % del vapor se conduce al calentador de proceso y el resto se expande a la presión del condensador.
10-78 Considere una planta eléctrica de cogeneración modificada con regeneración. El vapor de agua entra a la turbina a 6 MPa y 450 0C y se expande a una presión de 0.4MPa. A esta presión, 60 % del vapor de la turbina, y el resto se expande a 10 KPa. Parte del vapor extraído se usa para calentar el agua de alimentación en un calentador abierto de agua de alimentación. El resto del vapor extraído se usa para calentamiento de proceso y sale del calentador de proceso como liquido saturado a 0.4 MPa. Luego se mezcla con el agua de alimentación que sale del calentador de agua de alimentación, y la mezcla se bombea a la presión de la caldera. Suponiendo que las turbinas y las bombas son isentropicas, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine el flujo másico de vapor a través de la caldera para una producción neta de potencia de 15 MW.
10-80 Se genera vapor de agua en la caldera de una planta de cogeneración a 600 psia y 800 0F a razón de 18 lbm/s. la planta debe producir potencia al mismo tiempo que satisface las necesidades de vapor de proceso para cierta aplicación industrial. Una tercera parte del vapor que sale de la caldera se estrangula una presión de 120 psia y se conduce al calentador de proceso. El resto del vapor se expande en una turbina isentropica a una presión de 120 psia y también se conduce al calentador de proceso. El vapor sale del calentador de proceso a 240 0F. Despreciando el trabajo de la bomba, determine a) la potencia neta producida, b) la tasa de suministro de calor de proceso y c) el factor de utilización de esta planta.
10-81 Una planta ideal de vapor de agua de cogeneración debe generar electricidad y 8 600 KJ/s de calor de proceso. El vapor entra a la turbina desde la caldera a 7 MPa y 500 0 C. Una cuarta parte del vapor se extrae de la turbina a una presión de 600 KPa. El resto del vapor se sigue expandiendo y sale del condensador a 10 KPa. El vapor extraído para el calentador de proceso se condensa en el calentador y se mezcla con el agua de alimentación a 600 KPa. La mezcla se bombea a la presión de la caldera de 7 MPa. Muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación y determine a) el flujo másico de vapor que se debe suministrar para la caldera, b) la potencia neta producida por la planta y c) el factor de utilización.
Ciclos de potencia combinados de gas-vapor. 10-84 Considere una planta eléctrica de ciclo combinado de gas- vapor que tiene una producción neta de potencia de 450 MW. La relación de presiones del ciclo de la turbina de gas 14. El aire entra al compresor a 300 K, y la turbina a 1400 K. Los gases de combustión que salen de la turbina de gas se usan para calentar el vapor a 8 MPa a 400 0C en un intercambiador de calor a 460 K. Un calentador abierto de agua de alimentación incorporado al condensador es de 20 KPa. Suponiendo que todos los procesos de compresión y expansión son isentropicos, determine a) la relación de flujos másicos de aire a vapor, b)la tasa necesaria de entrada de calor en la cámara de combustión y c) la eficiencia térmica del ciclo combinado.
10-86 Un ciclo de potencia combinado de gas-vapor usa un ciclo simple de turbina de gas para el ciclo de aire y un ciclo Rankine simple para el ciclo de vapor de agua. El aire atmosférico entra a la turbina de gas a 101 KPa y 20 0C, y la temperatura máxima del ciclo de gas es 1 100 0C. La relación de presiones del compresor es 8; la eficiencia isentropica del compresor es de 85 %, y la eficiencia isentropica de la turbina de gas es de 95 %. El flujo de gas sale del intercambiador de calor a la temperatura de saturación del vapor de agua que fluye por el intercambiador de calor a una presión de 6 000 KPa y sale a 320 0C. El condensador del ciclo de vapor opera a 20 KPa, y la eficiencia isentropica de la turbina de vapor es 90 %. Determine el flujo másico de aire a través del compresor que se necesita para que este sistema produzca 100 MW de potencia. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente.
10-89 Considere una planta eléctrica de ciclo combinado de gas- vapor que tiene una producción neta de potencia de 450 MW. La relación de presiones del ciclo de la turbina de gas es 14. El aire entra al compresor a 300 K y la turbina a 1400 K. Los gases de combustión que salen de la turbina de gas se usan para calentar el vapor a 8 MPa a 400 0C en un intercambiador de calor. Los gases de combustión salen del intercambiador de calor a 460 K. Un calentador abierto de agua de alimentación incorporado en el ciclo de vapor opera a una presión de 0.6 MPa. La presión del condensador es de 20 KPa, suponiendo eficiencias isentropicas de 100 % para la bomba, y 82 % para el compresor y 86 % para las turbinas de gas-vapor determine, a) la relación de flujos másicos de aire vapor , b) la tasa necesaria de entrada de calor en la cámara de combustión y c) la eficiencia térmica del ciclo combinado.
