Práctica No. 4 La Planta de Vapor y su Balance Térmico Objetivo. El objetivo de esta práctica consta de varios puntos: a) Conocimiento del motor de vapor como una máquina térmica susceptible de un estudio termodinámico, tanto en su comportamiento teórico como en las condiciones reales de operación. b) Análisis de un sistema termodinámico donde opera un motor de vapor como elemento de transformación de energía y desarrollo de trabajo. c) Balance térmico y estudio del ciclo Rankine de la planta de vapor, considerándolo como un sistema termo dinámico. d) Construcción de las curvas características del motor de la planta de vapor. Estas curvas serán las de gasto de vapor, presión a la entrada del motor y el consumo específico de vapor como funciones de la potencia desarrollada al freno. Introducción. Las plantas de vapor tienen como objetivo transformar el trabajo mecánico obtenido por el calor del vapor de agua, en energía eléctrica, y también son conocidas por el nombre de Termoeléctricas. Actualmente las centrales termoeléctricas convencionales cumplen un rol de suma importancia en la generación de energía eléctrica y son ampliamente utilizadas en muchos países puesto a que son consideradas las centrales más económicas y rentables, sin embargo su utilización genera un gran impacto ambiental debido a las emisiones de dióxido de carbono durante el proceso de combustión.
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Práctica No. 4La Planta de Vapor y su Balance Térmico
Objetivo.El objetivo de esta práctica consta de varios puntos:
a) Conocimiento del motor de vapor como una máquina térmica susceptible de un estudio termodinámico, tanto en su comportamiento teórico como en las condiciones reales de operación.
b) Análisis de un sistema termodinámico donde opera un motor de vapor como elemento de transformación de energía y desarrollo de trabajo.
c) Balance térmico y estudio del ciclo Rankine de la planta de vapor, considerándolo como un sistema termo dinámico.
d) Construcción de las curvas características del motor de la planta de vapor. Estas curvas serán las de gasto de vapor, presión a la entrada del motor y el consumo específico de vapor como funciones de la potencia desarrollada al freno.
Introducción.Las plantas de vapor tienen como objetivo transformar el trabajo mecánico obtenido por el calor del vapor de agua, en energía eléctrica, y también son conocidas por el nombre de Termoeléctricas. Actualmente las centrales termoeléctricas convencionales cumplen un rol de suma importancia en la generación de energía eléctrica y son ampliamente utilizadas en muchos países puesto a que son consideradas las centrales más económicas y rentables, sin embargo su utilización genera un gran impacto ambiental debido a las emisiones de dióxido de carbono durante el proceso de combustión.Las máquinas de vapor son motores térmicos provistos de órganos dotados de movimiento alternativo con dos inversiones de movimiento por cada revolución de su cigüeñal. Comparados con las turbinas de vapor, son máquinas relativamente lentas. Las máquinas de vapor tienen excelente par motor el cual les permite arrancar con grandes cargas. Cuando van provistas de mecanismos apropiados para el accionamiento de las válvulas, resulta muy fácil invertir su sentido de rotación. En la actualidad se emplean para el accionamiento de bombas, ventiladores, hogares mecánicos, generadores eléctricos de tamaño limitado y compresores de aire y de refrigerantes. Las máquinas de vapor de potencia hasta 1000 HP prestan un servicio igual o ligeramente mejor que las turbinas de vapor de mismo tamaño trabajando en condiciones parecidas. La potencia de las máquinas de vapor resulta pequeña en relación al espacio que necesitan.
Para el desarrollo de esta práctica se utilizó la pequeña planta de vapor que representa un ciclo Rankine. Se echó a andar el motor y se reguló la presión de la caldera y las revoluciones del motor. Se le fue suministrando carga al motor de vapor, se midió el tiempo en el cual el volumen del
condensado llegó a ser de 100 mL y la presión del vapor expulsado del motor para todos los cambios de carga realizados al motor. Para las últimas dos lecturas, se miden las temperaturas del calorímetro, las del intercambiador de calor, la del volumen de condensado y los KW.h en un Wattorímetro.
Clasificación de los Motores de Vapor.Las designaciones corrientes son:
a) Por la posición de la bancada y el cilindro: Horizontal y Verticalb) Por el mecanismo de válvulas: Válvula de Corredera (de forma D o planas, equilibradas, de
lumbreras múltiples y de émbolo), Tipo Corliss (pueden o no tener válvulas de comunicación con la atmósfera) y de Seta.
c) Por el sentido de circulación de vapor dentro del cilindro: a Contracorriente y Unidireccional.
d) Por el Número de cilindros para la expansión de vapor: Monocilíndricas (simple), de dos cilindros (Compound), de tres cilindros (Triple expansión), y de cuatro cilindros (Cuádruple expansión). Los números señalados son los mínimos. Las máquinas de simple expansión pueden tener más de un cilindro, pero, no obstante, el vapor no se expansiona sucesivamente en otros cilindros. Las máquinas de Triple y Cuádruple expansión pueden tener más de tres y cuatro cilindros, respectivamente.
e) Por la Velocidad de Rotación: Baja, Media y Alta.f) Por la relación entre la carrera y el diámetro del cilindro: Larga y Corta.g) Por el Escape: Con Condensador y Sin Condensador.
Cualquier máquina de vapor lleva incorporada varias de las mencionadas clasificaciones, dependiendo del servicio que deben prestar y la economía térmica deseada.
Ciclo Termodinámico de un Motor de Vapor.El aumento de presión provocado por el calentamiento del agua, que se transforma en vapor, mueve un pistón, el cual, a su vez, hace girar una rueda; el cilindro cuenta con una válvula de salida.
Al quemar combustible se obtiene vapor de agua que recorre un circuito hasta llegar a un cilindro, en el que empuja un pistón que a su vez mueve una rueda. Cuando el pistón alcanza el extremo del cilindro, se abre la válvula de salida y el pistón vuelve hacia la izquierda empujado por la rueda. Al final de este recorrido del cilindro se cierra la válvula de salida y se vuelve a abrir la válvula de entrada, con lo que el ciclo comienza de nuevo. El efecto final conseguido es el giro continuo de la rueda.
Los procesos que se llevan a cabo son:
1 – 2 Proceso isobárico, en él ocurre la admisión del vapor; el paso del fluido es directo desde la fuente de suministro.
2 – 3 Proceso isentrópico de expansión del vapor, en él se desarrolla el trabajo del ciclo. Se lleva a cabo desde la presión de admisión hasta la del escape (atmosférica, del condensador, etc.).
3 – 4 Proceso isobárico de expulsión del vapor hacia el exterior del cilindro, en éste se absorbe cierta cantidad de trabajo.
4 – 1 Proceso isentrópico que corresponde al cierre de la válvula de escape y a cierta compresión del vapor residual.
Diagrama de Flujo de Masa y Energía de la Planta.
Balance Térmico de la Planta.
Tomando como V.C. a toda la Planta.
Donde:
Entonces:
Tomando como V.C. a la Caldera.
Tomando como V.C. al Motor de Vapor.
Tomando como V.C. al Condensador
Sustituyendo Q4 , Q3 y Q2 en la ecuación de V.C. de la Planta:
Entonces:
Demostrando que el balance es correcto.
Tabla de Datos.
Lectura F1-F2 P caldera N PVEM VCOND. t[N] [KN/m^2] rpm [KN/m^2] mL s
1 2 300 1800 100 100 76.472 4 300 1800 140 100 68.193 6 300 1800 180 100 57.574 8 300 1800 200 100 52.815 10 300 1800 210 100 48.71
Entalpias Calculadas.Estados de la Lectura 4
Estado
T[°C] P[bar]
h[KJ/Kg] s [KJ/Kg] x
1 130 0.78 2738.595351 7.63556212 11' 138.722646 2.78 2738.595351 7.05843412 12T 92.8581253 0.78 2523.857898 7.05843412 0.938104072R 114.1 0.78 2707.105955 7.55587014 13 59 246.974
hw 141.638793 3.78 596.1572363 1.75600697 0
Estados de la Lectura 5Estad
oT[°C] P[bar
]h[KJ/Kg] s [KJ/Kg] x
1 130 0.78 2738.59535 7.63556212 11' 138.722646 2.78 2738.59535 7.05843412 12T 92.8581253 0.78 2523.8579 7.05843412 0.938104072R 113.9 0.78 2706.70875 7.55484425 13 61 255.346
hw 141.638793 3.78 596.157236 1.75600697 0
Memoria de Cálculo.
Lectura 4
Eficiencia de la Caldera.
Eficiencia Mecánica del Motor.
De la Línea Willan:
Eficiencia Térmica del Motor.
Eficiencia Global del Motor.
Eficiencia Térmica de la Planta.
Donde:
Entonces:
Lectura 5
Eficiencia de la Caldera.
Eficiencia Mecánica del Motor.
De la Línea Willan:
Eficiencia Térmica del Motor.
Eficiencia Global del Motor.
Eficiencia Térmica de la Planta.
Donde:
Entonces:
Tabla de ResultadosLect. [W]
[W] [W] [W] [W] [W][W] [%] [%] [%]
[%] [%]
4 4400 343.120 -26.025 472.124 4186.335 85.653 62.71 1.692 92.202 57.732 14.664 8.466
5 5200 801.646 -41.604 148.508 4884.057 107.066 62.71 1.956 84.546 63.063 14.849 9.364
Potencia al Freno-Presión Manométrica del Vapor a la Entrada del Motor.
0 20 40 60 80 100 1200
50
100
150
200
250
f(x) = 1.30760797703631 x + 82
Línea Willan
WF[W]
PVEM
. [KP
a]
Potencia al Freno-Consumo de Vapor
0 20 40 60 80 100 1200
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
f(x) = 8.95533261980753E-06 x + 0.00111626570803373
Potencia al Freno-Consumo de Vapor
Potencia al Freno [W]
Cons
umo
de V
apor
[kg/
hr]
0 20 40 60 80 100 1200
50
100
150
200
250
Potencia al Freno-Consumo de VaporPotencia al Freno-PVEM
Representación gráfica del balance térmico de la Planta.Lectura 4
Lectura 5
Conclusiones.El desarrollo de la práctica sirvió para observar el comportamiento de una planta de vapor encontrando los estados de cada elemento de la plantita. Se calcularon las energías en forma de calor que entran y salen en cada elemento por cada proceso realizado haciendo el análisis de equilibrio térmico de la planta ya que esto no se puede medir con algún instrumento.
En la realización de los cálculos de las energías en forma de calor y de las eficiencias de la caldera y turbina se encontraron varios errores en la medición de los datos tomados en la práctica ya que algunos de los datos antes mencionados salían negativos, y aún realizando una corrección en la temperatura del calorímetro se obtuvo un calor negativo, pero las eficiencias ya salían más coherentes.
La práctica es bastante ilustrativa para observar el funcionamiento de un motor de vapor y de como aumenta la potencia al freno según aumente la carga que se le aplique al motor así como la presión del vapor entrando al motor.
ReferenciasSEVERNS, H.W., DEGLER, H.E., MILES J.C.Energía mediante Vapor, Aire o GasEspaña, 1974. Editorial Revertépp. 238, 239
http://mx.kalipedia.com/tecnologia/tema/mecanismos-motores-energia/graficos-esquema-funcionamiento-maquina.html?x1=20070822klpingtcn_29.Ees&x=20070822klpingtcn_68.Kes
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