Informe Turbina a Vapor Luis Silva

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA DPTO. INGENIERIA MECANICA

Mquinas Trmicas e Hidrulicas

Turbina a vapor

Nombre: Luis Felipe Silva Lara Carrera: ingeniera ejec. En electricidad Profesor: Ivn Jerez Flores. Grupo n2. Profesor: Ivn Jerez Flores.

ndice1.- Resumen32.- Objetivos de la experiencia33.- Materiales utilizados en la experiencia34.- Descripcin del mtodo seguido55.- Presentacin de resultados56.- Conclusiones87.- Apndice98.- Bibliografa19

1.- ResumenEn el presente informe se observara cmo se comporta una turbina de vapor ,analizndolo a travs del ciclo de rankine incluido un sobrecalentador incorporado para aumentar la diferencia de temperatura y as aumentar la eficiencia del proceso, se analizaran los rendimientos termodinmico aumentado la carga ,adems del grupo turbogenerador como la relacin entre el vapor consumido y la energa elctrica.

2.- Objetivos de la experiencia

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.

Objetivos Especficos:

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.

Dar una idea general del funcionamiento de una central trmica de vapor real, as como de los aspectos termodinmicos involucrados.

3.- Materiales utilizados en la experiencia

Termmetro Digital: elemento que permite medir la temperatura, en la experiencia se utilizo para medir la temperatura de entrada y salida de la turbina

Termocupla de inmersin: elemento que se conecta al termmetro digital permitiendo medir la temperatura en forma precisa

Tacmetro: instrumento utilizado para medir la velocidad rotacional de la turbina.

Balanza digital(0-30 kg): elemento utilizado para masar el agua de que sala Del condensador

Manmetro: elemento utilizado para medir la presin de entrada a la turbina

Cronometro: elemento utilizado para medir el tiempo en que el agua era suministrado en la probeta para luego masar la cantidad de agua

Antiparras: elementos de proteccin para los ojos en caso de que una lmpara explotara

Par de guantes: elementos de proteccin para las manos en caso de estar expuestas a altas temperaturas ,utilizadas por el integrante que regulaba el paso de vapor

Caldera: maquina diseada para generar vapor, esto se genera a travs de una transferencia de calor a presin constante ,por lo que el liquido cambia de fase.

Turbina a vapor: es un dispositivo por el cual se hace pasar un fluido a presin y mediante una conversin apropiada de energa se logra obtener un trabajo con la expansin de esta

Bomba centrifuga: dispositivo que transforma la energa en que es accionada en energa mecnica

Generador electico: maquina que transforma la energa mecnica producida por la turbina en energa elctrica.

Sobrecalentador: elemento utilizado para aumentar la temperatura del vapor antes de que entrara a la turbina ,est compuesto por resistencias elctricas

Lmparas: elementos utilizados como resistencias en la experiencia.

4.- Descripcin del mtodo seguido

En la primera parte el profesor realiza una breve introduccin terica para identificar los conceptos necesarios de modo de realizar de forma consciente la experiencia ,luego coordina el grupo para realizar tareas especificas, de modo realizar de manera eficiente y rpida la experiencia, para aquello se explico paso por paso el proceso del ciclo Rankine y la tarea especfica de cada integrante del grupo de laboratorio, cabe destacar que el proceso fue modificado agregando resistencias que eran 10 lmparas incandescentes que funcionaban como carga y que estaban conectada en paralelo, todo esto para sobrecalentar el vapor y mejorar los resultados.El primer paso para lograr obtener las mediciones era encender todas las cargas con 3300 rpm en la turbina ,en el momento en que ya se alcanzan las revoluciones regulando el paso de vapor, se desconectaron 9 lmparas de modo de funcionar con solo 1encendida, esto produca que los rpm cambiaran y se volva a dejar a un valor cercano a 3300 RPM a travs de la vlvula de regulacin , como estas tenan mucha sensibilidad se realizaban las mediciones entre un rango de 3280 a 3320 RPM ,al alcanzar las rpm necesarias se proceda a medir el flujo de agua durante 20 segundos, en los cuales se realizaban todas las mediciones de presin de entrada ,temperatura de entrada, voltaje, corriente y masa ,al concluir los 20 segundos se aumentaba la carga encendiendo una lmpara adicional ,lo que volva a variar los RPM disminuyndolos y era necesario regular nuevamente el flujo de vapor hasta alcanzar nuevamente las revoluciones repitiendo el proceso anterior hasta prender las 10 lmparas.

5.- Presentacin de resultados

Rendimiento del grupo turbo generador para diferentes cargascargarendimiento turbogenerador %

10,663560952

21,28608802

32,384280407

42,833283197

53,193684451

63,799753365

73,984615109

84,352408353

95,101458976

104,594435633

Tabla 1

Grfico n 1

N de cargastrabajo del ciclo[kJ/Kg]calor suministrado [[kJ/Kg]rendimiento trmico

1-101,4392363,9254,291

2-102,0802364,7264,317

3-102,9232365,2494,351

4-103,1752364,7014,363

5-102,2392363,7654,325

6-103,2002364,7264,364

7-103,6592365,1854,383

8-102,4282363,6344,333

9-102,1282363,3344,321

10-102,8012364,1674,348

Tabla 2

Rendimiento termodinmico para diferentes cargas

Grfico n2

Consumo de valor en relacin a energa a elctrica producida

flujo msico [kg/s]potencia elctrica [kw]

0,0180,0475

0,01840,0950

0,01870,1800

0,01980,2250

0,02130,2700

0,02360,3600

0,02520,4050

0,02610,4500

0,02680,5400

0,03340,6120

Tabla 3

Grfico N36.- ConclusionesEn el presente informe se logro comprender el funcionamiento de una turbina a vapor y de su ciclo fundamental el cual es el ciclo Rankine, logrando comprender el funcionamiento de una central trmica ,se aprecio las caractersticas constructivas de la turbina a vapor y adems se observo las caractersticas del proceso a partir de su eficiencia para diferentes cargas. A partir de lo grficos obtenidos se puede observar que el rendimiento aumentaba entre mas lmparas estaban encendidas ,esto debido que entre mayor carga ,mayor era la corriente y por ende mayor la temperatura a la cual sobrecalentaba el vapor lo que provocaba una mayor diferencia entre la entrada y la salida de la turbina. Con esto se logro realizar un mayor trabajo y una mejora en la eficiencia del grupo turbogenerador, aumentando de esta forma la energa elctrica producida.A travs del grafico que relaciona la cantidad de vapor consumido y la potencia generada se observa que es necesario una mayor cantidad de vapor para generar mayor potencia elctrica , con esto se comprueba que la velocidad de giro no tiene relacin con la cantidad de potencia generada ,debido a que se logro potencias menores para igual nmero de RPM, pero para generar mayor potencia haba una mayor oposicin para mover la turbina producto a que la resistencia del campo magntico era mayor, por lo que se necesitaba mayor cantidad de vapor para lograr las mismas RPM producidas con una demanda mayor de potencia elctrica.Cabe destacar tambin que el aumento en la eficiencia del proceso disminuye la cantidad de vapor necesaria para provocar una misma cantidad de energa elctrica, por lo que una mayor diferencia entre las temperaturas de entrada y salida de la turbina a travs de equipos auxiliares como sobrecalentadores puede ser ms econmico para el proceso debido que se aprovecha mejor la cantidad de vapor que entra a la turbina de este modo aumentar la cantidad de generacin de energa elctrica.Con respecto a los errores se debe considerar que las mediciones fueron tomadas dentro de un rango de rpm que no se mantena constante como se considero ,adems estas rpm aumentaban lo que pudo provocar que las mediciones no fueran de todo exactas. 7.- ApndiceIntroduccin tericaTurbina a vapor Es una turbo maquina por el cual se hace pasar una un fluido ,vapor a presin y mediante una apropiada conversin de energa se logra obtener un trabajo ,este trabajo es igual a la diferencia de entalpias entre la entrada y la salida de la turbina .El vapor que pasa a travs de la turbina se origina en una caldera de la cual sale con una condicin elevada de temperatura y presin ;se debe destacar que se elige el vapor como fluido de trabajo debido a su elevada energa disponible por unidad de kg. Al pasar este vapor por las toberas de la turbina de reduce la presin por lo que el vapor se expande aumentando as su velocidad ,esto produce un momentum resultante que es transferido a los alabes del rotor obtenindose de esta forma movimiento del eje motriz que por lo general est conectado a un generador elctrico o compresor. La turbina a vapor est constituida por dos partes principales del estator que es la parte estacionaria y la parte giratoria que se denomina rotor. En el rotor la energa desprendida en por el fluido de trabajo(vapor) se convierte en energa mecnica ,este esta compuesto por una serie de coronas de alabes que se encuentran unidos al eje de la turbina movindose con l; mientras tanto el estator est constituido por la propia carcasa de la turbina y al igual que el rotor est formado por una serie de coronas de alabes, otro elemento a destacar en una turbina son las toberas que se encargan de alimentar la turbina a travs de estos elementos se consigue una correcta distribucin del vapor.Las turbinas se pueden clasificar considerando la expansin del vapor .considerando la descarga del vapor y tambin considerando la direccin del flujo de vapor.Considerando la expansin del vapor se puede clasificar en: Turbinas de accin Turbinas de reaccin: Turbinas de accin-reaccin

Considerando la descarga del vapor se clasifican en: Turbinas de descarga libre Turbinas de condensacin Turbinas de contrapresinConsiderando el flujo de vapor se clasifican en Axial radial tangencial

Esquema turbina a vapor

Ciclo rankine :Es un ciclo termodinmico de maquina trmica que comnmente es utilizado en plantas de fuerzas la sustancia de trabajo es generalmente el agua que durante el ciclo esta en dos fases las cuales son estado liquido y estado gaseosoEl ciclo comienza en la bomba donde se aumenta la presin del fluido, mediante conductos es llevado a la caldera donde a presin constante se aumenta la temperatura el fluido que inicialmente estaba en estado liquido ,al aumentar la temperatura pasa a estado gaseoso, el vapor generado es llevado hacia la turbina de vapor ,donde el fluido de trabajo pasa a una gran presin y temperatura ; producto de su expansin produce un aumento de velocidad consiguiendo provocar movimiento en el eje motriz de la turbina finalmente el ciclo termina en el condensador que tiene como propsito disminuir la temperatura del vapor ,condensndolo y volviendo a su estado inicial es decir al estado liquido.

En el siguiente esquema se representa el ciclo bsico de rankine:

Ciclo bsico de Rankine1-2 compresin isoentropica en una bomba 2-3 transferencias de calor a presin constante en una caldera3-4 expansiones isoentropica en una turbina4-1 cesin de calor a presin constante en un condensadorCiclo de rankine modificado El ciclo de rankine bsico puede ser modificado incorporando elementos adicionales que permitan aumentar la eficiencia trmica, y/o la produccin de trabajo del ciclo estos elementos pueden ser : sobrecalentadores , intercambiadores de calor entre otrosCiclo de rankine con sobrecalentador:El rendimiento de un ciclo de potencia se hace mximo si toda la energia que se suministra en una fuente trmica y toda la energa que se cede a un sumidero tiene un a gran diferencia de temperatura por eso es necesario incluir elementos que permitan aumentar la temperatura cuando se transmite calor al fluido antes de llegar a la turbina y disminuir la temperatura a la salida de este .Despus de que el vapor saturado sale de la caldera pasa a travs de otra regin donde recibe energa ,llamada sobrecalentador.el proceso de sobrecalentamiento conduce a temperaturas de entrada a la turbina ms alta ,sin que aumente la presin mxima del ciclo .se debe tener en cuenta que la temperatura en el sobrecalentador es mayor que en la caldera mientras que en la cesin de calor sigue siendo la misma.

Ciclo rankine con sobrecalentador

Desarrollo de los clculos:Aplicando la ecuacin de energa a cada componente por separado se tiene que:

Despreciando las variaciones de energa cintica y potencial en la bomba, adems considerando y considerando que el proceso 1-2 es adiabtica reversible q=0 , el trabajo viene dado por:

En la turbina considerando las mismas condiciones el trabajo isoentropico es:

Como el proceso 3-2 es a presin constante (proceso isobrico) entonces el calor suministrado por unidad de masa queda expresado por la siguiente expresin:

El calor cedido en el condensador es:

El rendimiento trmico se define como:

El rendimiento de la turbina:

El rendimiento turbo generador esta dado por:

Donde m =flujo msico [Kg/s] Potencia elctrica [Kw] H4 =entalpia de salida ideal [kj/kg] H3=entalpia de entrada [kj/kg]

En primer lugar se debe calcular las entalpias a travs de las tablas termodinmicas para esto se ocupo la interpolacin lineal:

Calculado las entalpias tambin calculadas las entropas de entradas ,es necesario calcular la entalpia ideal es decir considerar que el proceso es totalmente isotrpico, haciendo esta consideracin ,la entropa a la entrada de la turbina es igual a la salida de esta:

Donde sf y sfg fueron calculadas con ayuda de las tablas termodinmica a partir de la presin atmosfrica (presin de salida), mediante esto es posible calcular el titulo de vapor:

Con el titulo ya calculado se puede calcular la entalpia ideal:

Calculada la entalpia de salida real, y obtenida por tablas termodinmicas H3 y H4 es posible calcular el rendimiento de la turbina

Ahora es necesario calcular h1 y h2 para obtener el trabajo isoentropico de la bomba, esto se realizo obteniendo h1 de las tablas termodinmicas a presin atmosfrica, con este valor es posible obtener h2 despejando la siguiente frmula::

Donde v corresponde al volumen especfico [m3/kg], P2 corresponde a la presin medida en la entrada a la turbina debido a que en la caldera es fluido esta a presin constante y P1 corresponde a la presin atmosfrica. Ya con todas las entalpias calculadas es posible calcular el rendimiento trmico:

Para calcular el rendimiento del turbogenerador es necesario calcular la energa elctrica adems del flujo msico ,para esto se ocupan las siguientes formulas:

De donde el flujo msico se clculo de la siguiente manera:

Se realizara un clculo para ello se tomara como base los datos obtenidos al estar encendidas 3 lmparas incandescentesInterpolando de las tablas termodinmicas se encuentra la entalpia de entrada con la temperatura de entrada a la turbina y la entalpia de salida rea con la temperatura de salida de la turbina, con esto es posible encontrar el trabajo real de la turbinaHe= 2778,544[ kj/kg]Hs=2674,64[ kj/kg] [ kj/kg]Para calcular la entalpia ideal es necesario encontrar el valor de entrada de entropa debido que se considera que el proceso es totalmente isontropico es decir igual entropa a la entrada y salida de la turbina.Se=6,571 [ kj/kg]k

Con sfg y sf calculadas a la presin atmosfrica sfg=6,08548841[ kj/kg]k Sf=1,28872145 [ kj/kg]kCon esto despejando el titulo queda

Con el titulo calculado se calcula la entalpia ideal para esto remplazamos en:

Donde hf =412,313821 [KJ/Kg] Hfg= 2260,7211 [KJ/Kg][KJ/Kg]Calculada la entropa ideal es posible calcular el trabajo isoentropico de la turbina debido a que se conoce la entalpia de entrada de esta: [KJ/Kg]Con esto es posible calcular el rendimiento de a turbina :

Para el rendimiento del turbogenerador es necesario calcular el flujo msico y potencia elctrica donde el trabajo elctrico es:

El flujo msico se calcula de la siguiente manera:

Finalmente reemplazando en la siguiente ecuacin

Para calcular el rendimiento trmico es necesario conocer el trabajo del ciclo por ende el trabajo de la bomba, este se calculo encontrando de tablas termodinmicas el valor de h1 a presin atmosfrica, con este valor es posible calcular h2 a travs del volumen especifico y la diferencias de presiones:

Calculadas todas las entalpias se procede a obtener el rendimiento trmico:

Tabla de datos obtenidosLa presin atmosfrica de salida corresponde a 720,6 mmHg cargasrpmpe [kg/cm^2] te[C]ts[C]voltaje[V]corriente[A]masa[kg]tiempo[s]

133009,8180,099,5950,50,36020

2330010,2181,099,6951,00,36820

3330010,0181,699,4902,00,37420

433009,6180,998,9902,50,39620

533009,6179,898,9903,00,42620

6330010,2181,098,9904,00,47220

733009,8181,598,9904,50,50420

833009,1179,698,7905,00,52220

933009,4179,398,7906,00,53620

1033009,9180,398,8906,80,66820

Tabla 4

Datos calculados para la obtencin del rendimiento del grupo turbogeneradorh3[kJ/Kg]h4 real[kJ/Kg]se[kJ/Kg]Xh4 ideal[kJ/Kg]potencia elctrica [kw]flujo msico[kg/s]

2777,2002674,86,5840,8702379,5140,04750,0180

2778,0402674,966,5760,8692376,5870,09500,0184

2778,5442674,646,5710,8682374,8300,18000,0187

2777,9562673,846,5770,8692376,8790,22500,0198

2777,0202673,846,5860,8702380,1100,27000,0213

2778,0402673,846,5760,8692376,5870,36000,0236

2778,4602673,846,5720,8682375,1230,40500,0252

2776,8402673,526,5870,8712380,7060,45000,0261

2776,5702673,526,5900,8712381,6000,54000,0268

2777,4522673,686,5820,8702378,6360,61200,0334

Tabla 5Tabla de datos calculados para la obtencin del rendimiento termodinmicope[bar]h2[kJ/Kg]h1[kJ/Kg]calor suministrado [[kJ/Kg]trabajo bomba [kJ/Kg]

10,571413,2749412,31382363,92510,9611

10,964413,3141412,31382364,72591,0003

10,767413,2945412,31382365,24950,9807

10,375413,2553412,31382364,70070,9415

10,375413,2553412,31382363,76470,9415

10,964413,3141412,31382364,72591,0003

10,571413,2749412,31382365,18510,9611

9,885413,2063412,31382363,63370,8924

10,179413,2357412,31382363,33430,9219

10,669413,2847412,31382364,16730,9709

Tabla 6Tablas termodinmicas utilizadas

8.- Bibliografa 1. Kenneth Wark , Termodinmica , Edit. Mc Graw Hill2. Yunus A. engel, Termodinmica