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TITULO DE LA EXPERIENCIA
TURBINA DE VAPOR
EXPERIENCIA N : E973 Grupo N 1 Fecha de la Experiencia: 25/05/15
Fecha de Entrega:
NOMBRE ASIGNATURA: Sistemas Trmicos e Hidrulicos CODIGO:
15069-0-A-1
CARRERA: Ingeniera de ejecucin en Mecnica Modalidad (Diurna o
Vespertina): Diurna
NOMBRE DEL ALUMNO: Pealoza Gutirrez Enrique Elas Apellido
Paterno Apellido Materno Nombre
________________________ Firma del alumno
Fecha de Recepcin
Nota de Interrogacin ________________ Nombre del Profesor: Ivn
Jerez F. Nota de Participacin ________________
Nota de Informe ____________________
_________________________________
Nota Final __________________ ______ ________________ Firma del
Profesor
SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA
MARCADA CON UNA X
________ Presentacin ________ Clculos, resultados, grficos
________ Caractersticas Tcnicas ________ Discusin,
conclusiones
________ Descripcin del Mtodo seguido _______ Apndice
OBSERVACIONES
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERA Departamento de Ingeniera Mecnica
SANTIAGO
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E973 Turbina de Vapor
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INDICE
1. RESUMEN DEL CONTENIDO DEL INFORME
.................................................................................
3
2. OBJETO DE LA
EXPERIENCIA......................................................................................................
3
2.1. OBJETIVO GENERAL
............................................................................................................
3
2.2. OBJETIVOS
ESPECFICOS....................................................................................................
3
3. CARACTERISTICAS TECNICAS DE EQUIPOS E INSTRUMENTOS EMPLEADOS
........................... 3
4. DESCRIPCION DEL METODO SEGUIDO
.......................................................................................
6
5. PRESENTACION DE LOS RESULTADOS
......................................................................................
7
6. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
......................................................................................
8
7. APENDICE
.........................................................................................................................
9
a) MARCO TEORICO
.....................................................................................................................
9
b) DESARROLLO DE LOS CALCULOS
.........................................................................................
12
c) TABLAS DE VALORES OBTENIDOS
........................................................................................
21
d) ANEXOS
.................................................................................................................................
23
e) BIBLIOGRAFIA
........................................................................................................................
25
f) TEMARIO DEL EXPERIMENTO
................................................................................................
25
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E973 Turbina de Vapor
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1. RESUMEN DEL CONTENIDO DEL INFORME
El informe tcnico presentado es resultado del estudio de la
experiencia realizada de laboratorio Turbina de
Vapor con cdigo E973, perteneciente a la asignatura de Sistemas
Trmicos e Hidrulicos (15069-A-01) de la
carrera de Ingeniera de Ejecucin en Mecnica (Diurna) cursada en
la Universidad de Santiago de Chile. La
experiencia fue desarrollada en las instalaciones de laboratorio
del Departamento de Ingeniera Mecnica de la
Universidad de Santiago de Chile, ubicado en Av. Libertador
Bernardo OHiggins #3363, comuna de Estacin
Central, Santiago, Chile; el da lunes 25 de mayo del 2015 a las
09:40 horas.
La introduccin terica de la experiencia y la gua en la ejecucin
de esta, fueron desarrolladas por el profesor
Sr. Ivn Jerez F.
El presente informe da un estudio del funcionamiento prctico de
una central turbo-generadora, estudiando su
turbina de vapor para la generacin de energa elctrica, de cmo se
afectan sus rendimientos respecto del
aumento de consumo elctrico, holgando analticamente su
funcionamiento con el Ciclo Rankine ideal.
2. OBJETO DE LA EXPERIENCIA
2.1. OBJETIVO GENERAL:
Familiarizar al alumno con el anlisis, operacin y funcionamiento
de una turbina de vapor
empleada en la generacin de energa elctrica, visualizando las
operaciones de cada uno de los
elementos que conforman una central trmica de vapor del tipo de
laboratorio.
2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS:
2.2.1. Determinar el rendimiento de una turbina de vapor del
tipo de accin, as como el de la unidad
turbogeneradora, graficando las curvas caractersticas. Conocer
de la aplicacin e importancia
de los rendimientos.
2.2.2. Dar una idea general del funcionamiento de una central
trmica de vapor real, as como de los
aspectos termodinmicos involucrados.
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E973 Turbina de Vapor
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3. CARACTERISTICAS TECNICAS DE EQUIPOS E INSTRUMENTOS
EMPLEADOS
EQUIPO FOTOGRAFA CARACTERSTICAS TCNICAS
CENTRAL TERMICA DE VAPOR DEL TIPO DE
LABORATORIO
TURBINA DE VAPOR
Marca: Coppus Engeering Corporation. Procedencia: Worcester,
Massachusetts; EE.UU. Tipo: TW9 Potencia: 1.9 [HP] R.P.M. (mx.
soportada): 3750 [rpm] Temp. de Vapor (mx. soportada): 320 [F]
Presin de Vapor (mx. soportada): 75 [PSIG]
GENERADOR DE CORRIENTE
CONTINUA
Marca: Westinghouse Electric Corporation. Procedencia: EE.UU.
Modelo: Life-Line (1S-65) Tipo: SK-H Tipo de Corriente de salida:
Corriente Continua Voltaje: 110 [Vcc] Amperaje: 9.1 [A] R.P.M. (mx.
soportada): 3750 [rpm]
TABLERO ELECTRICO DE
CARGAS
Marca: Westinghouse Electric Corporation. Procedencia: EE.UU.
Componentes:
Cargas (Resistencias): 10 Ampolletas
Ampermetro
Voltmetro
Indicadores luminosos de encendido
Interruptores encendido de componentes
MANOMETRO (CONECTADO A
TURBINA DE VAPOR)
Marca: Marsh Instrument Company Procedencia: Newell, EE.UU.
Modelo: Mastergaugue Tipo: 103 Resolucin: 1 [lb] Rango de Operacin:
0 [lb] a 100 [lb]
CALDERA
CALDERA
Marca: I.VAR. INDUSTRY Procedencia: Verona, Italia. Modelo: BHP
800 Ao de Fabricacin: 2013 Potencia mxima de entrada: 616 [KW]
Potencia nominal de salida: 554 [KW] Presin de diseo: 11.8 [bar]
Presin de prueba: 18.5 [bar] Temperatura mnima: 20[C] Temperatura
mxima: 150,7 [C] Produccin de vapor: 800 [kg/hrs] Superficie de
transferencia de calor: 14 [m2] Volumen de fluido: 1280 [L] Fluido
contenido: Agua
QUEMADOR
Marca: ANWO - RIELLO Modelo: OIL RL 70TL Procedencia: ITALIA Ao
Fabricacin: 2013 Norma Fabricacin: EN-267 Potencia mnima: 255/474
[KW] Potencia mxima: 830 [KW] Presin: 12 [bar] Potencia elctrica:
1400 [KW] Alimentacin: 380 V / 50 Hz Combustible: DIESEL N2
TERMOMETRO DIGITAL
EQUIPO
Marca: FLUKE Procedencia: EE.UU. Modelo: 51 II Unidades de
Medicin: F / C / K
TERMOCUPLA DE INMERSION
Marca: FLUKE Procedencia: EE.UU. Tipo: K (Cr/Al) Rango de
medicin: -200 C a +1372 C
Tabla N1. Equipos e Instrumentos empleados
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E973 Turbina de Vapor
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TERMOMETRO DE MERCURIO
Marca: E. Schiltknecht, Ing S.I.A. Zrich Procedencia: Suiza
Unidad de medicin: [C] Rango de escala: -23[C] a 55[C] Resolucin:
1[C]
BAROMETRO DE TORRICELLI
Marca: E. Schiltknecht, Ing S.I.A. Zrich Procedencia: Suiza
Unidad de medicin: [mmHg] Rango de operacin: 595 [mmHg] a 825
[mmHg] Resolucin: 0.1 [mmHg] Error instrumental: 0.06 [mmHg]
TACOMETRO DIGITAL DE CONTACTO
Marca: EXTECH Instruments Modelo:461891 Procedencia: EE.UU.
Rango de Medicin: 0.5 a 19999 [rpm] / 0.2 a 6560 [ft/min] / 0.05 a
1999.9 [m/min] Resolucin: 0.1 [rpm] (0.5 a 999.9 [rpm]) / 1 [rpm]
(sobre 1000 [rpm]) 0.1 [ft/min] (0.2 a 999.9 [ft/min]) / 1 [ft/min]
(sobre 1000 [rpm]) 0.01 [m/min] (0.05 a 99.99 [m/min]) / 0.1[m/min]
(sobre 1000 [rpm]) Precision: [rpm]: (0,05% + 1d) @235[C] [ft/min]
; [m/min] : (1% rdg + 1d)
CRONOMETRO
Marca: Casio Computer Co., Ltd. Modelo: Hs-100 Procedencia: Japn
Resolucin: 0.001 [seg] Milsima de Segundo
BALANZA DIGITAL - Rango de Medicin: 0-10 [Kg] Resolucin:
0,01[gr].
PROBETA - Capacidad: 1000 [ml]
EQUIPO DE PROTECCION
PERSONAL [EPP]
GAFAS PROTECTORAS
- -Proteccin ocular frente a impactos de elementos.
GUANTES AISLANTE TERMICO
- -Proteccin de manos en trabajos con altas temperaturas.
Tabla N1 (Continuacin). Equipos e Instrumentos empleados
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E973 Turbina de Vapor
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4. DESCRIPCION DEL METODO SEGUIDO
4.1. Realizacin de introduccin terica para la Experiencia E973
dictada por el profesor a los alumnos
(Donde se deben abarcaran los tpicos presentados en el apndice
(Seccin 7) de este documento
en la seccin g) referida a Temario de la experiencia).
4.2. Profesor instruye a los alumnos sobre lo que observaran en
el laboratorio y los parmetros a
determinar tras realizada la experiencia para cumplir con los
objetivos planteados.
4.3. Profesor instruye sobre procedimiento de montaje y ejecucin
experimental a efectuar por los alumnos
para realizar de forma ptima la experiencia E973.
4.4. Se procede ir al laboratorio, Profesor explica de forma
didctica el principio de central trmica de
vapor de laboratorio, indicando sus compontes y relacionndolos
con los tpicos tericos
presentados.
Nota: Los puntos marcados con este smbolo , son etapas que se
deben realizar de forma obligatoria, su no realizacin puede
poner en riesgo la integridad del ejecutor del procedimiento y
del grupo de curso.
4.5. Procedimiento de ejecucin experimental:
i. Se suministra flujo de vapor desde caldera a central de vapor
del laboratorio.
ii. Se ve que el tablero de cargas se encuentre en estado de
apagado.
iii. Se da paso de vapor a turbina mediante el giro de la vlvula
de baja velocidad de esta (azul).
iv. Con tacmetro, se miden determinan las [RPM] mximas que
soportara la turbina antes de que su
vlvula de alivio se active (Para esta experiencia de
determinaron 3400 [RPM]), estas sern
constantes para todas las mediciones a realizar.
Alumnos que esta accionando las vlvulas, obligatoriamente debe
ocupar guantes de proteccin
para evitar quemaduras.
v. Se cierra vlvula de baja velocidad.
vi. Se pone tablero de cargas en modo ON.
vii. Se activa el interruptor de una ampolleta de este
(carga)
Alumnos que se encuentran frente a tablero de cargas, deben
ocupar obligatoriamente gafas de
seguridad, para proteger de explosin de alguna ampolleta al
entregarle energa elctrica.
viii. Se da paso de vapor a turbina mediante el giro de la
vlvula de baja velocidad de esta (roja), hasta
que se alcancen las revoluciones mximas determinadas (3400
[RPM]).
ix. Alcanzndose este valor de [RPM], se miden en la central:
a. Presin y temperatura en la entrada de la turbina.
b. Temperatura en la salida de la turbina.
c. Masa de vapor condensado, durante 20 [seg].
d. Voltaje y corrientes consumidas por el panel de cargas.
viii. Pasados los 20[seg], se activa otra carga en el panel y se
repite el procedimiento desde el punto vii.
para la totalidad de 10 cargas.
4.6. Realizada la experiencia, alumnos deben elaborar informe
tcnico respecto de la experiencia E970.
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E973 Turbina de Vapor
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5. PRESENTACION DE LOS RESULTADOS
Finalizada la experiencia E973 y realizados los clculos
correspondientes (*), se presentan los resultados
obtenidos correspondientes al rendimiento termodinmico de
proceso en turbina () y el
rendimiento del conjunto turbo-generador (). Sobre estos valores
se realizara el
anlisis pertinente.
Tabla 2. Resumen de Resultados
Cargas
[%]
[%]
1 4,654 1,30
2 4,773 1,33
3 6,295 2,62
4 7,451 3,70
5 7,278 3,61
6 7,535 4,39
7 7,429 4,64
8 6,560 3,98
9 7,523 4,84
10 8,842 5,94
(*): Desarrollo de clculos en Seccin b del apndice.
Se gener tambin la curva caracterstica del generador en base a
los parmetros calculados de potencia del generador
()y potencia efectiva turbina ( ).
Graf. 1: Curva caracterstica generador
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700
Po
ten
cia
Efec
tiva
Tu
rbin
a [H
P]
Potencia Generador [kWatts]
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E973 Turbina de Vapor
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6. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
Respecto de rendimiento termodinmico de proceso en turbina
():
Se aprecia en la Tabla N2, que el rendimiento termodinmico de
proceso en turbina aumenta a medida que
se van agregando las cargas, por lo cual a medida que aumenta el
consumo. Esto principalmente se debe a
que al existir un aumento de consumo elctrico, la turbina baja
sus [RPM] y para volverlas al valor mximo de
constante soportado por la turbina (3400 [rpm]), se necesitaba
agregar ms flujo de vapor a esta, por lo cual
ms calor, aumentando as la potencia efectiva de la turbina y con
ello el rendimiento de esta.
Respecto de rendimiento central turbo-generadora ():
Se aprecia en la Tabla N2, que el rendimiento de la central
turbo-generadora, aumenta a medida que se va
solicitando ms consumo por las ir agregando cargas. Esto es un
reflejo de lo que ocurre con el rendimiento de
la turbina, ya que a un mayor consumo de energa elctrica, el
generador baja las rpm, y para mantenerlas
constantes, en la central se de aumentar el flujo de vapor,
entregando esta mayor potencia y un mejor
rendimiento.
El rendimiento presentado en la central con las diez cargas
activas es bajo. Por lo cual, si se necesitara
aumentar este rendimiento, se deben realizar modificaciones a al
ciclo bsico Rankine, llevndolo a un ciclo
Rankine con sobrecalentamiento, para as sobrecalentar el vapor
en la caldera y mejorar la eficiencia trmica
de la central, entregando mayor produccin de trabajo.
Tambin, al sobrecalentar el vapor se tiende a aumentar la
calidad de este, por lo cual existira menos
condensado de este en el condensador y mayor vapor que pueda
absorber calor, entregando mayor energa
para lidiar con el consumo y las irreversibilidades de la
central turbo-generadora.
Respecto de prdidas de Calor, irreversibilidades de la central
turbo-generadora:
En la central turbo-generadora, al poseer un ciclo real
(irreversible) incorpora discontinuidades por el aumento
de entropa que se genera debido a las prdidas energticas
asociadas al flujo del fluido (rendimiento
isotrpico), presentes durante la expansin del vapor en la
turbina y en el proceso de bombeo del condensado
en la bomba de agua o bomba de alimentacin.
Siendo estas irreversibilidades principalmente generadas por:
perdidas de bombeo, perdidas de vapor en la
turbina, cada de temperatura por perdida de calor en caeras,
cada de presin por friccin en caeras,
condensador no suficientemente adiabtico. La principal solucin a
estas irreversibilidades, es modificar el ciclo
a un Rankine con sobrecalentamiento, como se explic
anteriormente y agregar buenas aislaciones a las lneas
de flujo de vapor.
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E973 Turbina de Vapor
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7. APENDICE:
a) MARCO TEORICO:
Turbina de Vapor:
Es un dispositivo por el cual se hace pasar un fluido, vapor a
presin, y mediante una conversin apropiada de energa se logra
obtener un trabajo con la expansin de ste. El fluido es acelerado a
travs de toberas fijas y el momento resultante es transferido a los
labes del rotor obtenindose as el movimiento del eje motriz. Este
puede estar conectado a un generador elctrico, un compresor u otra
carga en general.
Fig. 2 : Esquema de Turbina de Vapor
La clasificacin de las turbinas depende de diferentes factores,
entre los relevantes se tiene: a) Considerando la expansin del
vapor en la turbina, se tendr turbinas de accin o impulso,
de reaccin y mixtos (accin-reaccin).
b) Considerando la descarga del vapor, encontramos turbinas de
descarga libre, de condensacin y de contrapresin.
c) Si se considera la direccin del flujo de vapor, relativo al
plano de rotacin, se habla de
turbinas de flujo axial, radial y tangencial.
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E973 Turbina de Vapor
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Ciclo Rankine:
Ciclo termodinmico de mquina trmica comnmente utilizado en
plantas de fuerza, la sustancia de trabajo en general es agua,
quien participara en fases lquida y gaseosa.
El ciclo bsico, totalmente idealizado, considera los siguientes
dispositivos operando en forma estacionaria como flujo estable
estado estable:
1-2: Bomba, adiabtica reversible
2-3: Caldera, isobrica
3-4: Turbina de vapor, adiabtica reversible
4-1: Condensador, isobrico
La formulacin energtica, con las simplificaciones del caso
conduce a:
Calor aportado: 23 = 3 2
Calor rechazado: 41 = 1 4
Trabajo ciclo: = (2 1) + (4 3)
Rendimiento trmico del ciclo:
23
3412
hh
hhhh trmico
Fig. 3: Ciclo Rankine Bsico
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E973 Turbina de Vapor
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La presencia efectiva de irreversibilidades justifica establecer
el concepto de rendimiento termodinmico de proceso en turbina y
bomba, en el caso de la primera.
34
34
hh
hh
idealizadotericoTrabajo
turbinaefectivoTrabajo turbina
En las instalaciones como en la que se ensayar la turbina, se
encuentra acoplada a un generador elctrico dando lugar a un
rendimiento de grupo generador.
turbinafectivoTrabajo
elctrica Energa generador
e
Fig. Curva Caracterstica Generador
Luego el rendimiento del conjunto turbo-generador ser:
idealizado tericoTrabajo
elctrica Energa generador turbo
Sin perjuicio de lo anterior, el Ciclo Rankine Bsico podr ser
modificado incorporando dispositivos adicionales
como: sobrecalentadores, intercambiadores de calor y otros, con
la intencin de aumentar la produccin de
trabajo y/o la eficiencia trmica.
Fig.4: Algunas Modificaciones al Ciclo Bsico
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E973 Turbina de Vapor
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b) DESARROLLO DE LOS CALCULOS
Se presenta el desarrollo de los clculos realizados para
determinar el rendimiento termodinmico de
proceso en turbina () y el rendimiento del conjunto
turbo-generador ()
mediante la utilizacin de los valores medidos en la Central
Trmica del Laboratorio, durante la realizacin de
la experiencia, los cuales fueron se encuentran tabulados en la
Tabla 8.
El desarrollo de los clculos se abarcara de forma didctica
ocupando como valores generales una muestra
de la Tabla 8, correspondiente a las mediciones realizadas con
una carga en la central trmica (Tabla 3).
Tabla.3: Muestra de datos medidos en la Central Trmica del
Laboratorio.
RENDIMIENTO TERMODINAMICO DE PROCESO EN TURBINA ():
Para determinar el rendimiento termodinmico de proceso en
turbina () se ocup la siguiente ecuacion:
=
[%]
(5)
Dnde:
= Potencia efectiva turbina, expresado en [kW].
= Potencia terica idealizada, expresado en [kW].
o Potencia efectiva turbina:
Para determinar la Potencia efectiva de turbina, expresada en
[HP], se ocup la grfica correspondiente a la
curva caracterstica del generador [graf.2]:
Graf.2: Curva caracterstica del generador.
Luego, al ser lineal la Graf.1, se obtuvo su ecuacin general de
la recta, dando:
=,,
,, ( , ) + , [] (6)
Cargas N
[RPM]
Pe
[PSI]
Te
[C]
Ts
[C]
V
[Volt]
I
[Amp]
m
[gr]
t
[seg]
1 3400 146 184,6 100 100 1 380 20
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E973 Turbina de Vapor
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Posteriormente, para operar con (6) se determin la potencia del
generador (), expresada en
[kW], mediante la frmula (7):
=
[] (7)
Dnde:
= Voltaje entregado por generador, medido en tablero de cargas,
en [Vcc].
= Intensidad de corriente entregada por generador, medida en
tablero de cargas, en [A].
Para lo cual, con las mediciones realizadas con una carga, la
potencia del generador dio:
=100[] 1[]
1000= , []
Con el valor de la Potencia del generador () calculada, se oper
en (6) dando una Potencia efectiva en
turbina () como sigue:
= 1,467(0,1 0,1) + 0,48 = 0,48 [] 0,746 = , []
o Potencia terica idealizada:
Para determinar Potencia terica idealizada, se ocup la siguiente
ecuacin:
= ( ) (8)
Dnde:
= Flujo msico de vapor condensado, expresado en [kg/s].
= Entalpia a la entrada de la turbina, expresada en [kJ/kg].
= Entalpia a la salida de la turbina, expresada en [kJ/kg].
Flujo Msico de vapor condensado:
Para determinar el flujo msico de vapor condensado, expresada en
[kg/s], se ocup la siguiente ecuacin
=
, [
] (9)
Dnde:
= Masa de vapor condensado, expresado en [gr].
= Intervalo de tiempo de ejecucin de medicin, expresado en
[s].
Para lo cual, con las mediciones realizadas con una carga, el
flujo msico de vapor condensado dio:
=380[]
20 [] 0,001 = , [
]
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E973 Turbina de Vapor
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Entalpia en la entrada de la turbina:
Para determinar la entalpia en la entrada de la turbina,
expresada en [kJ/kg], se ocup el siguiente
procedimiento:
Al ser el vapor de agua en la entrada de la turbina un vapor
saturado, para determinar 3 se recurrio a la
Tabla Termodinmica: Vapor Saturado-Tabla de Presiones [Anexo:
Tabla], la cual est en funcin de los
valores de la temperatura (En este caso, de entrada del vapor a
la turbina (Te)), en [C], y la presin absoluta
del vapor (En este caso, a la entrada de la turbina ()),
expresada en [kPa].
Presin Absoluta:
Se determin con la siguiente ecuacin:
= + [] (10)
o Correccin Presin Atmosfrica:
Los valores determinados para la correccin de la presin
atmosfrica se obtuvieron mediante tablas
estandarizadas (Apndice: seccin, anexos), ubicando parmetros de
contexto de la experiencia (Tabla.)
Ubicacin
Laboratorio de Clima, Departamento de Ingeniera Mecnica,
Universidad de Santiago de Chile,
Av. Libertador Bernardo OHiggins #3363, Estacin Central,
Santiago, Regin Metropolitana, Chile.
Latitud 3326'50,1"S (aprox.)
Altitud 506 [mts.] (Estacin Central)
Temp. ambiental del laboratorio 15,7[C]
Presin Atmosfrica Medida 721 [mmHg]
Tabla 4. Resultados Experiencia
Para corregir la presin atmosfrica medida se utilizaron la
siguiente ecuacin (11).
= + (11)
Se desarrollara la explicacin para obtener los coeficientes de
correccin:
Obtencin Correccin por Temperatura ()
Obtencin Correccin por Altitud ()
Obtencin Correccin por Latitud ()
Obtencin Correccin Instrumental ()
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E973 Turbina de Vapor
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Obtencin Correccin por Temperatura ():
Se realizaro una correccin por temperatura, a la altura
baromtrica medida (Presin atmosfrica medida),
debido a la contraccin o dilatacin del mercurio por los cambios
de temperatura, lo que afecta el valor real
del nivel medido en el Barmetro de Torricelli. Para esto se ocup
la siguiente tabla (Tabla.):
(Estos valores han de ser restados a la altura baromtrica)
Tabla 5. Reduccin de las Alturas Baromtricas a 0C por
temperatura
Como se describi anteriormente, la presin atmosfrica leda es de
721 [mmHg] a una temperatura ambiente
de 15,7C. Luego se obtuvo la correccin de temperatura mediante
interpolacin de doble entrada de estos
datos en la Tabla a travs de una muestra de esta (Tabla
5.a.)
Presin Manomtrica [mmHg]
Temperatura [C] 720 (1) 721 () 730(2) 15 (1) 1,76 (11) - 1,78
(12)
15,7 () - -
16 (2) 1,88 (21) - 1,90 (22) Tabla 5.a. Muestra para obtener
correccin de temperatura mediante interpolacin de doble
entrada.
Para interpolar se ocup la siguiente ecuacin:
= 11 +121
(21 11) +121
(12 11) (12)
Se reemplazaron los datos de la Tabla .a. en la ecuacin (12) y
se obtiene :
= 1,76 +721720
730720(1,88 1,76) +
15,715
1615(1,78 1,76) = , []
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E973 Turbina de Vapor
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Obtencin Correccin por Altitud ():
Se realizaro una correccin por altitud, a la altura baromtrica
medida (Presin atmosfrica medida), debido al
cambio de la gravedad efectiva por posicin geogrfica donde se
realiz la medicin, lo que afecta el
valor real del nivel medido en el barmetro.
Para esto se ocupo la siguiente tabla (Tabla .)
Presin Manomtrica (mmHg)
Altitud (mts.) 400 500 600 700 800
500 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1
1000 0,0 0,1 0,1 0,1 0,0
2000 0,0 0,2 0,2 0,3 0,0
3000 0,0 0,3 0,4 0,0 0,0
(Estos valores han de ser restados a la altura baromtrica)
Tabla 6. Reduccin de las Alturas Baromtricas a 0C por
altitud
Como se describi anteriormente, la presin atmosfrica leda es de
721 (mmHg) a una altitud aproximada de
506(mts.). Luego se obtuvo la correccin de temperatura mediante
interpolacin de doble entrada de estos
datos en la Tabla a travs de una muestra de esta
(Tabla.6.a.).
Presin Manomtrica (mmHg)
Altitud (mts.) 700 (1) 721 () 800 (2) 500 (1) 0,1 (11) - 0,1
(12) 506 () - -
1000 (2) 0,1 (21) - 0,0 (22) Tabla 6.a. Muestra para obtener
correccin por altitud mediante interpolacin lineal doble.
Para interpolar se ocup la siguiente ecuacin:
= 11 +121
(21 11) +121
(12 11) (13)
Se reemplazaron los datos de la Tabla .a. en la ecuacin (13) y
se obtiene :
= 0,1 +721700
800700(0,1 0,1) +
506500
5001000(0,1 0,1) = , ()
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Obtencin Correccin por Latitud ():
Se realizo una correccin por latitud, a la altura baromtrica
medida (Presin atmosfrica medida), debido al
cambio de la gravedad efectiva por posicin geogrfica donde se
realiz la medicin, lo que afecta el
valor real del nivel medido en el barmetro.
Para esto se ocupo la siguiente tabla (Tabla.7)
Presin Manomtrica (mmHg)
Latitud () 680 700 720 740 750 760 770 780
0 90 1.8 1.8 1.9 1.9 1.9 2.0 2.0 2.0
5 85 1.7 1.8 1.8 1.9 1.9 1.9 2.0 2.0
10 80 1.7 1.7 1.8 1.8 1.8 1.9 1.9 1.9
15 75 1.5 1.6 1.6 1.7 1.7 1.7 1.7 1.8
20 70 1.4 1.4 1.4 1.5 1.5 1.5 1.5 1.6
25 65 1.1 1.2 1.2 1.2 1.3 1.3 1.3 1.3
30 60 0.9 0.9 0.9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
35 55 0.6 0.6 0.6 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
40 50 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4
45 45 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
(Para latitudes entre 0-45 estos valores han de ser restados y
para latitudes superiores deben ser sumados a la altura
baromtrica)
Tabla 7. Reduccin de las Alturas Baromtricas a 0C por
latitud
Como se describi anteriormente, la presin atmosfrica leda es de
721 (mmHg) a una latitud aproximada de
33. Luego se obtuvo la correccin de temperatura mediante
interpolacin de doble entrada de estos datos
en la Tabla a travs de una muestra de esta (Tabla 7.a.).
Presin Manomtrica (mmHg)
Latitud () 720 (1) 721 () 740 (2) 30 (1) 0.9 (11) - 0.9 (12) 33
() - -
35 (2) 0.6 (21) - 0.6 (22) Tabla 7.a. Muestra para obtener
correccin por altitud mediante interpolacin de doble entrada.
Para interpolacin se ocup la siguiente ecuacin:
= 11 +121
(21 11) +121
(12 11) (14)
Se reemplazaron los datos de la Tabla 7.a. en la ecuacin (14) y
se obtiene :
= 0,9 +721720
740720(0,6 0,9) +
3330
3530(0,9 0,9) = , ()
-
E973 Turbina de Vapor
18
Obtencin Correccin Instrumental ():
Se realizaro una correccin instrumental, a la altura baromtrica
medida, que corresponde a los errores
propios del instrumento, lo que afecta el valor real del nivel
medido en el barmetro.
Esta est dada por el fabricante del barmetro y corresponde a
=0,06 (mmHg).
Calculo de Presin Atmosfrica corregida
Se ocup la ecuacin (1) para corregir la presin atmosfrica medida
experimentalmente (altura baromtrica
=721 [mmHg]) con los coeficientes de correccin calculados.
= + (11)
= 721 1,786 0,1 0,90() + 0,06 = , []
Este valor calculado corresponde a la presin atmosfrica reducida
a una temperatura de 0C, corregido su
error instrumental, llevado a la gravedad en la latitud de 45 y
a 0 metros de altitud.
() Al ser una latitud de 33 esta a de restarse por condicin de
Tabla . ya que se encuentra entre 0-45.
La presin atmosfrica corregida, para efectos de unidades de
presin absoluta aceptada por tabla
termodinmica debe ser transformada de [mmHg] a [kPa],
quedando:
= 18,274 0,133 = , []
Luego, para la medicin realizada con una carga, la Presin
Absoluta () de entrada, con una presin
manomtrica de entrada a la turbina (Pe) de 1006,670 [kPa] (146
[PSI]) es de:
= 1006,670 + 95,530 = , [] =
Finalmente con 3, se obtiene en la Tabla Termodinmica: Vapor
Saturado:
= , [/] =
Tambin en esto se extrae de la Tabla Termodinmica: Vapor
Saturado, el valor correspondiente a la entropa
especfica del vapor a la entrada de la turbina (S3), expresado
en [kJ/kgK]:
= , [
] = =
-
E973 Turbina de Vapor
19
Entalpia en la salida de la turbina:
Para determinar la entalpia del vapor en la salida de la
turbina, expresada en [kJ/kg], se ocup el siguiente
procedimiento:
A la salida de la turbina se presenta una mezcla saturada, por
lo cual, para determinar 4 se recurrio a la
Tabla Termodinmica: Vapor Saturado-Tabla de Temperaturas [Anexo:
Tabla N], la cual est en funcin
de los valores de la temperatura de saturacin (En este caso, la
de salida del vapor desde turbina (Ts)), en [C].
Como primer paso, se determin el ttulo de vapor recurriendo la a
siguiente formula:
= + (12)
Los valores requeridos de entropas se obtuvieron con la
temperatura del vapor a la salida de la turbina, para la
medicin de una carga (Ts=100[C]), en la Tabla termodinmica:
Vapor Saturado, dando:
= , [ /]
= , [ /]
Luego, con la condicin termodinmica del Ciclo Rankine ideal
simple = , se determin ttulo de vapor.
, = , + ,
= , []
Luego, se recurrio a la siguiente formula, para determinar
entalpia del vapor a la salida de la turbina (h4):
= + (13)
Los valores requeridos de entropas se obtuvieron con la
temperatura del vapor a la salida de la turbina, para la
medicin de una carga (Ts=100[C]), en la Tabla termodinmica:
Vapor Saturado, dando:
= , [ /]
= , [ /]
Luego, se determino :
= , + , ,
= , [ /]
-
E973 Turbina de Vapor
20
Finalmente, se reemplazaron los valores pertinentes en la
ecuacin (8) y se determin la Potencia terica
idealizada, quedando:
= , [
] (, , )[
]
= , []
Por lo cual, con la ecuacin (5), el rendimiento termodinmico de
proceso en turbina () es de:
=
0,360 []7,709 []
100=, [%]
RENDIMIENTO DEL CONJUNTO TURBO-GENERADOR ():
Para determinar el rendimiento del conjunto turbo-generador ()
se ocup la siguiente ecuacin:
=
[%]
(14)
Dnde:
= Potencia del generador, expresada en [kW].
= Potencia terica idealizada, expresada en [kW].
Reemplazando datos correspondientes, se determina con (14):
=
0,1 []7,709[]
100=,[%]
-
E973 Turbina de Vapor
21
c) TABLAS DE VALORES OBTENIDOS
Mediciones de constantes tomadas en la Central Trmica de Vapor
del laboratorio durante la ejecucin
de la experiencia E973, a partir de las cuales se realizaron los
clculos pertinentes para obtener los
resultados expresados en la Tabla 4, trabajndose las etapas
consecuentes del informe, para as
cumplir con los objetivos propuestos.
Tabla 8. Constantes medidas en la Central Trmica de Vapor del
laboratorio durante la realizacin de la experiencia.
Cargas N
[RPM]
Pe
[PSI]
Te
[C]
Ts
[C]
V
[Volt]
I
[Amp]
m
[gr]
t
[seg]
1 3400 146 184,6 100 100 1 380 20
2 3400 138 182,2 100,3 100 1 380 20
3 3400 126 179 101,3 95 2 386 20
4 3400 122 177,9 101,7 90 3 396 20
5 3400 118 176,8 101,9 90 3 412 20
6 3400 132 178,8 100,8 100 4 460 20
7 3400 144 181,8 98,8 98 5 530 20
8 3400 148 185,1 98,7 90 5 546 20
9 3400 136 182,3 98,9 90 6 558 20
10 3400 124 178 98,7 90 7 548 20
Tabla 8.a. Simbologa Tabla 8.
Smbolo Parmetro
N Revoluciones entregas por turbina a generador, en [RPM].
Pe Presin de vapor entrante a turbina, en [PSI].
Te Temperatura de vapor entrante a turbina, en [C].
Ts Temperatura de vapor saliente de turbina, en [C].
V Voltaje entregado por generador, medido en tablero de cargas,
en [V].
I Intensidad de corriente entregada por generador, medida en
tablero de cargas, en [Amp].
m Masa de vapor condensado, en [gr].
t Intervalo de tiempo de ejecucin de medicin, en [seg].
-
E973 Turbina de Vapor
22
d) TABLAS DE VALORES CALCULADOS
Los parmetros expresados en la Tabla fueron calculados con los
datos de las mediciones realizadas
en la Central Trmica de Vapor del laboratorio durante la
ejecucin de la experiencia E973 (Tabla 8).
Los parmetros expresados en la Tabla fueron extrados desde la
Tabla Termodinmica: Vapor
Saturado (Anexo: Tabla 10.a/10.b )
Tabla 9.q Parmetros mecnicos referidos al funcionamiento de la
central trmica del laboratorio.
Cargas m
[kg/seg]
[kW]
[kW]
[kW]
[%]
[%]
1 0,019 0,100 7,694 0,358 4,654 1,30
2 0,019 0,100 7,502 0,358 4,773 1,33
3 0,019 0,190 7,253 0,457 6,295 2,62
4 0,020 0,270 7,303 0,544 7,451 3,70
5 0,021 0,270 7,476 0,544 7,278 3,61
6 0,023 0,400 9,109 0,686 7,535 4,39
7 0,027 0,490 10,565 0,785 7,429 4,64
8 0,027 0,450 11,298 0,741 6,560 3,98
9 0,028 0,540 11,161 0,840 7,523 4,84
10 0,027 0,630 10,609 0,938 8,842 5,94
Tabla 9.b. Parmetros Termodinmicos referidos al vapor al
interior de la central termina del laboratorio.
Cargas P3abs [kPa]
h3 [kJ/kg]
s3=s4 [kJ/kgK]
h4f [kJ/kg]
s4f [kJ/kgK]
h4fg [kJ/kg]
s4fg [kJ/kgK]
x4 [1]
h4 [kJ/kg]
1 1102,16 2781,350 6,552 419,098 1,307 2256,660 6,048 0,867
2376,402
2 1047,01 2779,470 6,570 420,364 1,310 2255,870 6,041 0,871
2384,629
3 964,27 2776,360 6,599 424,585 1,322 2253,230 6,017 0,877
2400,538
4 936,69 2775,230 6,609 426,274 1,326 2252,170 6,008 0,879
2406,393
5 909,11 2774,100 6,619 427,118 1,328 2251,640 6,004 0,881
2411,190
6 1005,64 2777,960 6,584 414,035 1,293 2259,820 6,076 0,871
2381,911
7 1088,38 2780,900 6,557 422,474 1,316 2254,550 6,029 0,869
2382,232
8 1115,95 2781,800 6,548 413,613 1,292 2260,080 6,078 0,865
2367,959
9 1033,22 2778,980 6,575 414,457 1,295 2259,560 6,073 0,869
2378,959
10 950,48 2775,800 6,604 413,613 1,292 2260,080 6,078 0,874
2388,607
-
E973 Turbina de Vapor
23
e) ANEXOS
Tabla 10.a. Tabla Termodinmica: Vapor Saturado Tabla de
Temperaturas
-
E973 Turbina de Vapor
24
Tabla 10.b. Tabla Termodinmica: Vapor Saturado Tabla de
Presiones
-
E973 Turbina de Vapor
25
f) BIBLIOGRAFIA:
[1] Departamento de Ing. Mecnica. Turbina Vapor (E973),
Universidad de Santiago de Chile,
http://www.dimecusach.cl/index.php?option=com_docman&task=cat_view&gid=39&Itemid=239.
[2] Cengel, Boles. Termodinmica, McGraw-Hill, 7. Edicin, 2012.
Tabla A-4E, Agua Saturada. Tabla de
Temperatura [Pag. 961]; Tabla A-5E, Agua Saturada. Tabla de
Presiones [Pag.963].
[3] Fluke Instruments, Termmetros: Fluke 50 Serie II;
http://www.fluke.com/fluke/cles/instrumentos-de-
medida-electricos/termometros-digitales/fluke-50-series-ii.htm?PID=56085/
[4] Extech Instruments, Tacometro de contacto de alta presin:
461891. Ficha Tcnica:
http://www.extech.com/instruments/resources/datasheets/461891.pdf
g) TEMARIO DEL EXPERIMENTO:
i. Principios de funcionamiento de los componentes de un ciclo
Rankine. ii. Determinacin e interpretacin de propiedades
termodinmicas. iii. El ciclo rankine como ciclo termodinmico de
maquina trmica.