Central Termoelectrica Con Vapor y Turbinas de Contrapresion

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V. - CENTRAL TERMOELECTRICA CON VAPOR Y TURBINAS DE CONTRAPRESION Son CTE de Cogeneracin, es decir generan energa elctrica y calor til (contenido en el vapor de escape de la turbina) el que se aprovecha en un proceso ya sea industrial o para elcalentamiento de un fluido para uso domiciliario, en calentamiento de agua para los perodos de invierno. En este caso, la turbina de contrapresin trabajan evacuando vapor a una presin diseada para elbuentrabajodelosintercambiadoresdecalor.Elvaporqueproducenlascalderasesdeltipo sobrecalentado.Elvapordeescapedelasturbinas se encuentraenunestado de sobrecalentamiento(de30 a 50C), por lo que, para mejorar su utilizacin, es llevado al estado de saturacin. Calor til: es la cantidad de calor aprovechada por el sistema de condensacin de la CTE, es el calor contenido por el vapor de escape de la turbina (llevado al estado de saturacin) hasta el estado de lquidosaturadoenelcualabandonaelcondensador,paraserenviadoalsistemadePreparacinde agua de la CTE EEALS.I.Gases Residuales de CombustinTurbina de Vapora ContrapresinSistema ReduccinPr esin de Vapor aPr ocesosCaldera AcuotubularVentilador Tiro InducidoPurga Slidos en Agua Ventilador Tiro ForzadoBomba deCombustible LquidoSobrecalentadorde VaporSaturadorVaporBaja PresinDesgasificador de AguaBomba de AltaPresin Sistema de Evacuacindel CondensadoCondensadorIndustrialTratamiento Durezadel AguaAlternador TrifsicoEntrada Fluido FroSalida Fluido CalienteCTE A VAPOR EN CICLO HIRN CON TURBINA A CONTRAPRESIONTransformador Elevadorde TensinEE al SEIN Figura 10: CTE a vapor con turbinas de contrapresin CTE con Cogeneracin de energa El objetivo de analizar una central termoelctrica es el de realizar: -Clculo del balance de masa y de energa,-Clculo de sus rendimientos,-Clculo del consumo de combustible,-Determinacin del consumo de agua de alimentacin,-Definir su capacidad de generacin de energa elctrica,-Clculo del consumo de agua de refrigeracin,-Clculo del costo de produccin de energa elctrica Anlisis energtico de la CTE en ciclo Hirn con turbina de Contrapresin Siguiendo la figura anterior. a. Balance de la caldera de vapor. Se utilizar el mtodo simplificado, en la clase correspondiente se har el clculo detallado Ecuacin del balance en la caldera: Refleja que la cantidad de calor aprovechado de la combustin del combustible es tomada por el agua de alimentacin para convertirse en vapor, en este caso sobrecalentado ( ) Cble vCaldera v am * P.C.I. * m* h h- -q = Cble m-= Flujo msico del combustible, kg/h P.C.I. = Poder calorfico Inferior del com,bustible, en kJ/kg Calderaq = Rendimiento de la Caldera, engloba todas las prdidas de calor v m-=Flujomsicodelaguadealimentacin,enestadoestableesigualalflujomsicodevapor producido, en kg/h vh = Entalpa del vapor producido, en kJ/kg ah =Entalpa del agua de alimentacin a la caldera, en kJ/kg CALDERA DE VAPOR DE AGUA Flujo de combustible P.C. I. del combustible Flujo de Agua de alimentacin Entalpa de Agua de alimentacin Flujo de Vapor sobrecalentado Entalpa de Vapor sobrecalentado Gases de escape PrdidasTrmicas b. Balance de la Turbina de vapor Potencia en eje de turbina: ( )| | vEje v1 v2TurbinaP m * h h kw-= El flujo de vapor, en kg/s, las entalpas en kJ/kg, resultando la potencia en kw Potecia en bornes del generador elctrico: GE Eje mec GETurbinaP P * * = q q (kw) KTS24133'567DIAGRAMAT-SDELCICLOHIRNPARACTEAVAPORCONTURBINAACONTRAPRESIONS3=S5 a.- Consumo especfico de vapor de la Turbina: Expresalacantidaddevapor(Kg.)necesariaparaproducirunkw-hmedidoenbornesdel generador elctrico. Tambin expresa la cantidad de calor contenida en el vapor necesario paraproducir unkw-henelejedelgeneradorelctrico.Esunparmetrocaractersticodelaturbinayencuentaal seleccionar y operar una turbina de vapor( ) ( )sv3 v5 is mec GE v3 v3' mec GE1 1 kg VaporCh h * * * h h * * kJ(= = ( q q q q q ( ) ( )sv3 v5 is mec GE v3 v3' mec GE3,600 3,600 kg.VaporCh h * * * h h * * kw h (= = ( q q q q q sC =Consumo especfico de vapor (kg vapor / kw-h ) v3h = Entalpa del vapor sobrecalentado que ingresa a la turbina, kJ/kg v3'h = Entalpa del vapor sobrecalentado que sale de la turbina, kJ/kg 5h = Entalpa del vapor a la salida de la turbina (en el caso ideal), kJ/kg isq = Rendimiento isentrpico de la turbina mecq = Rendimiento mecnico, entre turbina y generador GEq =Rendimiento del Generador elctrico ~ Flujo Vapor Sobrecalentado En alta presin Flujo Vapor SobrecalentadoEn Baja Presin v2hPotenciaEn eje Turbina Potencia En Bornes Del Generador Elctrica GEq mecanqTurbinaq v1hb.- Rendimiento isentrpico Con las notaciones del diagrama: 3 3'is3 5h h Caida Real de EntalpiaCaida Ideal de Entalpia h h q = = 3h = Entalpa especifica del vapor a la entrada a la turbina, kJ/kg '3h= Entalpa especfica del vapor a la salida de la turbina (distensin real del vapor), kJ/kg 5h =Entalpa especfica del vapor a la salida de la turbina (distensin ideal del vapor), kJ/kg c.- Flujo De Vapor Demandado Por La Turbina: | | vskg.Vapor kgm P kw * Ckw h h- ((= (( | | P kw =Es la potencia medida en bornes del generador elctrico skJCkg (= ( Es el consumo especfico de vapor de la turbina, kJ/kg a.Balance de energa y masa en el saturador de Vapor Elprocesodesaturacindelvapordeescapedelaturbinadecontrapresinnserealizaa presin constante. Es un proceso de mezcla. SaturadorAguaVaporSobrecalentadoVaporSaturado0-100degmV10-50PLCTTIPVAConvertidor Figura 12: Saturacin del vapor de escape con control automtico de temperatura En este caso, se necesitan dos ecuaciones. a) Balance de masa: vapor agua VaporSobrecal Saturadom m m- - -+ = , en kg/s; kg/h b) Balance de energa trmica: Vapor Agua VaporSobrecal Saturacion SaturadoQ Q Q- - -+ = , en kJ/h, o en kw Vapor Agua VaporVapor Agua VaporSobrecal Saturacion SaturadoSobrecal Saturacion Saturadom * h m * h m * h- - -+ = , en kJ/h o en kw Normalmenteenesteprocesosetienedosincgnitas,poresosehaceusodelasdos ecuaciones, se introduce la ecuacin de conservacin del flujo msico en la del flujo trmico y se proceso, quedando solamente una variable, que puede ser un flujo, una entalpa, por ejemplo. D. Balance En El Condensador En este tipo de CTE, el vapor de escape de la turbina, que ha sido saturado, es utilizado en un sistematrmicoindustrial,paraaprovecharsucalortil,querepresentaentreel70a75%delcalor contenido en el vapor al ingresar a la caldera.El sistema trmico industrial se compone por calentadores sinmezcla,conmezcla,evaporadoresapresinyeselcondensadorparaelvapordeescapedela turbina 'p Vapor FluidoVapor Liquido I.C. Agua AguaSaturado IndustrialSaturado Saturado Entrada Salidam * h'' h * m * c * T T- - | | | | || q = ||\ . \ . pkJckg* C ( ( Es el calor especfico medio del fluido industrial -Los flujos de la ecuacin se dan en kg/h, o kg/s -Las temperaturas se dan en C -Las entalpas son las especficas (kJ/kg) Rendimiento trmico terico de la turbina de vapor:| |eje Vapor Salida T SalidatVapor _EntradaT ThP kwQ Q1hQ Q- -- -q = = = Rendimiento exergtico de la turbina de vapor: | || |ejeExx EntradaP kwE kw-q =Diagrama Sankey para CTE a vapor con turbina a contrapresinFp1en calderaQ-p2en tuberiaQ-p3en vaporescapeTurbinaQ-p4en friccionesmecanicasturbinaQ-p5en generadorelectricoQ-Bornes utilGEP P =ejeTurbinaPEjeGEPTotalentradaTurbinaQ-TotalsalidaCalderaQ-utilQ-F = es el calor total que igresa al sistema (en el combustible) utilQ :- Calor de vaporizacin total del vapor de escape de turbina y que se emplea en la Planta industrial CONDENSADOR INDUSTRIAL Vapor Saturadode baja Presin Condensado del Vapor de baja Presin Entrada Fluido Industrial Salida Fluido Industrial PROBLEMAS RESUELTOS DE CTE A VAPOR CON TURBINAS A CONTRAPRESION1. Una central termoelctrica equipada con turbinas de contrapresin tiene una potencia en bornes del alternadorde10500kw.Laturbinarecibevaporde40bary470Cylacondensacinsehaceala temperaturade375Kenunintercambiadorde calorque sirve paracalentar el aguaquecirculaen una red de termoficacin. A la salida de la turbina el vapor tiene3 bar. y 210 C. Determinar: a) el ciclo de funcionamiento de la instalacin en el diagrama h s,b) el consumo especfico de vapor de la central, siq =mecnico0.97y elq =GE0.98,c. El calor suministrado a la red de termoficacin,d. El rendimiento de la turbina de vapor SOLUCION a. diagrama h - s del proceso: ~10500 Kw40 bar y 470 C 3 bar. y 210 Cq =m0.97q =GE0.98 b. - Consumo especfico de vapor de la turbina: h4 = 3377.24 kJ/kg(a 40 bar y 470 C) h5p = 2886.39 kJ/kg ( )( )s4 5p m ge1 1 kgd 0.0021433377.24 2886.39* 0.97 * 0.98 kJh h * *= = = q q c. Clculo del calor suministrado a la red de termoficacin: ( ) rs 5pQ P* d * h h1-= ; h1 = entalpia del lquido saturado, a 3 bar: 561427 kJ/kg ( ) ( )3rs 5pQ P* d *h h1 10500* 2.143*10 * 2886.39 561.427 52315.15kw-= = =d. Rendimiento de la turbina:| | vskg.Vapor kgm P kw * Ckw h h- ((= (( vkJ kg kgm 10500 * 0.00214 22.47s kJ s- = =Calor total en el vapor que entra a la turbina:v4kg kJQT turbina m * h 22.47 * 3377.24 75886.60kws kg- - = = = Rendimiento de la turbina: uTurbinaTturbinaP 10500*100 13.84%Q 75886.60 q = = = 1 2 K 3 5p X = 1 s h 0 4 2.UnaCTEconcogeneracinconturbinasdecontrapresintieneunapotenciade7500kw.La alimentacindelaturbinasehaceconvaporsobrecalentadoconentalpadeh=3500kJ/kg,yla condensacin se hace a la temperatura de 380 K en un intercambiador de calor que sirve para calentar el agua que circula en una red de termoficacin. A la salida de la turbina el vapor tiene la entalpa de 3000 kJ/kg. Determinar: a. el ciclo de funcionamiento de la instalacin en el diagrama h s,b.elconsumoespecficodevapordelacentral,sielrendimientomecnicoes m0.97 q = yel rendimiento del generador elctrico es ge0.98 q = ,c. El consumo de combustible con PCI = 16000 kJ/kg si combustin0.82 q = , d. El calor suministrado a la red de termoficacin,e. El rendimiento de la instalacin. SOLUCION ~ 10500 Kwq =m0.97 q =GE0.98hv1 = 3500 kJ/kghv2 = 3000 kJ/kgtermoficacinQ- b. Consumo especfico de vapor en turbina ( )( )3s4 5p m ge1 1 kgd 2.11*10kJ 3500 3000 * 0.97* 0.98h h * *= = = q q c. Consumo de combustible en caldera ( )( )-= = =q3s 4 1cblekJ kg kJ7500 * 2.11*10 * 3500 448P* d * h hkg s kJ kgm 3.68kJ PCI * c s16000 * 0.82kg 6 1t T 273 380 273 107C t = = = ~1 p 1J kJh c * t 4186.80*107 478000 448kg kg = = = =d. Calor til ( ) ( )3rs 5p 1Q P* d*h h 7500* 2.11*10 *3000 448 40400kw-= = =d.Rendimiento del ciclo rP Q 7500 404000.813B*PCI 3.68*16000-+ +q = = = 1 2 K 3 5p X = 1 s h 0 4 3. - Una Central Trmica con turbina de contrapresin tiene:Flujo de producto industrial = 150000 kg/h, cp = 4.04 kJ/(kg*C); t1 = 50C, t2 = 90 C En turbina: vapor entrada: p = 31 bar@, t = 400 C, vapor salida: p = 3.5 bar@, t = 185 C qm = 0.97; qGE = 0.98. La caldera quema GLP con: 0.1447C3H8; 0.7887C4H10 y 0.00666CH4 (fracciones de kmol) Coeficiente exceso de aire = 1.22 GLP: PCI = 110.500 kJ/m3, densidad = 0,9754 kg/m3. Costo = 3.70 N.S/kg Agua de alimentacin a la caldera = 110 C. Calcular: -El Flujo de vapor consumido en la turbina -El costo del kw-h generado SOLUCION Flujo trmico til:150 000 kg/h * 4.04 kJ/(kg*C) *(90-50)C = 24240000 kJ/h = 6733 kw Flujo vapor escape turbina: 6733 kJ/s / (2832.14 584.261)kJ/kg = 2.99 kg/s = 10782.96 kg/h Consumo especfico de vapor de turbina:3600 /((3229.99 2832.14)*0.97*0.98) = 9.52 kgvapor/kw-h Potencia elctrica generada:10782.96 kg/h / 9.52 = 1132 kw Flujo de combustible:10782.96 kg/h * (3229.99 461.45)kJ/kg /110500 kJ/m3 =270 m3/h = 263.51 kg/h Costo total de generacin:3.70 N.S/kg*263.51 kg/h = 974.98 N.S./ h Costo unitario del kw-h generado:974.98 N.S./ h / 1132 kw-h = 0.8613 N.S./kw-h ~10500 Kwq =m0.97q =GE0.98termoficacinQ-150000kg/h,cp=4.04kJ/(kg*C);t1=50Ct2=90C31bar@,t=400Cp=3.5bar@,t=185C 4.UnaPlantaindustrialprocesa235TM/hdelquidoindustrial,desde40Chasta90C,concp=4.2 kJ/(kg*C)yluegoevaporael30%delflujomsico,produciendounvaporvegetalde1.5bar manomtrico, con titulacin igual a 90%, con un rendimiento de 95%. La Planta consume 25 kw EE /TM de producto, y desea vender Energa Elctrica a la Red nacional (SEIN).La turbina a contrapresin tiene lassiguientescaractersticas:Consumoespecficodevaporl:6.5kg/kw-h;Vapordeentradaaturbina: p@1 = 30 bar y 400C; Vapor de salida de la turbina: p@2 = 3 bar y t = 170C Rendimientos: Mecnico m97% q = Del generador elctrico:ge98% q =Determinar: a. la demanda de vapor para la Planta Industrial, b. La Potencia elctrica que puede vender al SEIN SOLUCION Calentador Evaporador90 C 40 C TM235hVapor 3bar 170 C TM70.5 Vaporh2.5bar(abs)x 90% =Condensado CondensadoTM164.50 Liquido Industrialhv1 m-v2 m- Demanda de vapor para el proceso: Balance en el calentador:( )'find v1f i 3bar 3bar170 Cm * cp * T T m * h h- -| | = | |\ .(1) 3bar170CkJh 2803.70kg= '3barkJh 561.427kg= Despejando de (1): ( )( )- = = =v1kg kJ235000 * 4.20 * 90 40 Ch kg* Cm 22009kg / h 6.11kg / s2803.70 561.427 Balance en el evaporador: ( )' 'find find v2i 2.5bar 2.5bar 3bar 3barx 90% 170 Cm * cp * Ts T 0.30* m * h h m * h h- - -= | | | | || + = ||\ . \ . 2.5barx 90%kJh 2498.38kg== '2.5kJh 535.345kg=( ) ( )( )v2kg kJ kJ235000 * 4.20 *127.411 90 C 0.3* 2498.38 535.345h kg* C kg kg kgm 78187.90 21.72kJ h s2803.70 561.427kg- ( + ( = = = Flujo total de vapor del proceso: 22009 + 78187.90 = 100196.90 kg/hProduccin total de potencia elctrica en Planta:kg100196.90hP 15414.91kwkg6.5kw h= = Potencia elctrica para consumo interno:consumoint ernokwP 25 * 235TM 5875kwTM= =Potencia elctrica que se puede vender al SEIN: 15414.90 5875 = 9539.90 kw 5.EnunaCentralTermoelctricaconturbinadecontrapresinprocesa190000kg/hdeproducto industrial que tiene cp = 4.24 kJ/(kg*C); t1 = 35C, t2 = 95 C, en un sistema de intercambio de calor con 85% q = , en el cual no se realiza ningn cambio de fase. En turbina: vapor entrada: p = 35 bar@, t = 420 C, vapor salida: p = 2.5 bar@, t = 185 C qm = 0.97; qGE = 0.98. El vapor de salida de la turbina es utilizado en el intercambiador de calor industrial en su estado de vapor sobrecalentado La caldera quema Carbn con PCI = 25000 kJ/kg. Costo del carbn = 110 N.S/TM. Caldera84% q =La temperatura del agua de alimentacin a la caldera es menor en 12C que la temperatura de saturacin delvapordebajapresin.Calcular:a)ElFlujodevaporconsumidoenlaturbina,b)Elrendimientodel ciclo de la CTE, c) El costo del kw-h generado Solucin KTS1'1a1a2''221a 2s s =''2 Clculo del flujo de vapor en el intercambiador de calor industrial kg190000hI.C.85% q =vapor m-kg190000h1t 35 C = 2t 95 C = condensado m-2.5bar185 Ch'2.5h h a 2.5 bar@, t = 185 C: 2,837.74 = '2ahh liquido saturado a 2.5 bar: 535.345 = ''2h( )'* h h *2 1 liq va 2.5bar 2.5barI.C.indust 185 Cm * cp * t t m- -| | | q |\ . =( ) ( ) v190000kg / h kJ* 4.24 * 95 35 C 13426.67kw m* 2837.74 535.345* 0.853600s / h kg* C- = = Despejando:v m 6.86kg / s-= Potencia en bornes del generador elctrico: ( )GEkg kJP 6.86 * 3269.37 2837.74 * 0.97 2814.71kws kg= = Temperatura del agua de alimentacin a la caldera: a satt t 12 127.44 12 115.44 C = = = akJ kJh 4.187 *115.44 C 483.35kg* C kg = = Clculo del flujo de combustible consumido por la caldera. De la ecuacin del balance trmico en la caldera:v35bar a420 CcbleCalderam * h hmP.C.I. *--| || |\ .=q En la cual: h35 bar y 420 C = 3,269.37 kJ/kg = 1ahReemplazando en la ecuacin anterior:( )cblekg kJ6.86 * 3269.74 483.35kg kg s kgm 0.91 3277kJs h25000 * 0.84kg-= = = Clculo del rendimiento de la central termoelctrica: En este caso, por ser CTE de cogeneracin de energa, se utilizar la siguiente ecuacin: uGECTEP Q 2814.71 13425*100 *100 71.40%F 0.91* 25000-+ +q = = = En la cual, el calor til (tomado por el intercambiador de calor industrial) es: ( ) ukg kJQ 6.86 * 2837.74 535.345 * 0.85 13425kws kg-= = Costo horario del consumo de combustible:cbleh unitTM N.S. N.S.C m * tpo * C 3.277 *1h*110 360.47h h h-= = = Costo unitario de la energa producida (para la elctrica y la trmica til): ( )u energiauGEN.S.360.47Costo cble N.S.hC 0.02222814.71 13425 kw h kw hP Q-= = =+ + 6. En una Central Termoelctrica cogeneradora, con turbina de contrapresin se tiene: Flujode productoindustrial =170000 kg/h, cp= 4.24kJ/(kg*C); t1 =40C, t2 =85C, 88% q =. En turbina: vapor entrada: p = 30 bar@, t = 400 C, vapor salida: p = 2.5 bar@, t = 195 C, qm = 0.97; qGE = 0.98. El vapor de salida, que se utiliza en el condensador industrial es llevado a su estado de saturacin seca, utilizando agua a 105C, en rgimen isobrico.LacalderaquemaCarbnconPCI=30000kJ/kgCosto=100N.S/TM. Caldera93% q =. Agua de alimentacin a la caldera = 105 C. Calcular: -El Flujo de vapor consumido en la turbina -el consumo de agua para saturacin del vapor de escape -El costo del kw-h generado Solucin 170000kg / h1t 40 C = 1t 85 C = Vapor mSaturadosec o-Condensado m-vhh '~SCCarbnPreparadopor:MgRalParedesRosarioVapor mSobrecalentado-Bomba Agua de AlimentacinCondensador IndustrialSaturador de Vapor Calor til:( )-= = =ukg kJ kJQ 170000 * 4.24 * 85 24 C 32' 436000 9010kwh kg* C h Calor total. ( )-- -= = = = qu '' 'vss T2.5bar 2.5barQ 9010kwQ 10238.64kw m * h h0.88

Entalpas:=''2.5barkJh 2716.49kg '2.5barkJh 535.40kg=Despejando: ( )-= = =v(s.s.)kJ10238.64kg kgsm 4.70 16920kJs h2716.49 535.40kg Balance en el saturador de vapor Vapor mSaturadosec o-''2.5barhAgua m-Vapor(Sobrecalentado) m-Saturador=2.5bar195 CkJh 2858.15kgaguakJh 105 * 4.187 439.635kg= = Balance trmico en el saturador. De energa: vs.s. agua vs.s.vs.s. agua v.scm * h m * h m * h- - -= + . De masa:vs.s. agua vs.s. m m m- - -= +Procesando: ( )( )( )( )--= = =v.s.s.sc vssaguavsc akg kJ16920 * 2858.15 2716.49m * h h kg h kgm 991.06kJh h h2858.15 439.635kg - = = = vsckg kgm 16920 991.06 15928.94 4.424h s Anlisis en turbina de vapor: ~Vapor mSobrecalentado-30bar400 C 2.5bar 400 C ( ) = =Tkg kJP 4.424 * 3231.69 2716.49 2279.24kws kg= =GEP 2279.24* 0.97* 0.98 2210.863kw En caldera: SCCarbnAguaVapor Flujo de combustible:( )-= = = Cblekg kJ4.424 * 3231.69 439.635kg kg s kgm 0.443 1594.80kJs h30000 * 0.93kg Costo del consumo de cble.CbleTM N.S. N.S.C 1.595 *100 159.48h TM h= =Costo de generacin de energa elctrica:= = u(EE)N.S.159.48N.S.hC 0.0722210.863kw h kw h 7. En una CTE cogeneradora, se tiene: Flujo de fluido industrial = 185000 kg/h, cp = 4.20kJ/(kg*C); t1 = 40C, t2 = 95 C,90% q = . Luego el fluido entra a un evaporador con Caldera95% q =y produce vaporde 1.5 bar con x = 95%. En turbina: vapor entrada: p = 25 bar@, t = 380 C, vapor salida: p = 3.5 bar@, con x = 98.5%. qm = 0.97; qGE = 0.98. Del condensador industrial se recupera el 75% de su flujo msico, el cual es mezclado con agua a 80C, cp = 4.187 kJ/(kg*C);luego entra a la caldera, que quema GN con PCI=35000kJ/kg,Costo=4.5N.S/1000000kJ, Caldera93% q = .Hallar:a)ElFlujodevaporenla turbina, b) El costo del kw-h generado, c)Demanda de calor en el calentador:( )T1kg kJ185000 * 4.20 * 95 40 Ch kg* CQ 13189.15kw0.90* 3600- = =Demanda de calor en el evaporador: ( )T2kg kJ185000 * 2581.0 399h kgQ 118081kw0.9* 3600-= =Demanda total de calor: ( ) V VT 1 2kJQ =Q +Q =131270.815 kw=m * 2700.30 584.5 m 62.043kg / skg- - - - - =Potencia producida en turbina: ( ) ( ) vTurb 1 2kg kJP m * h h 62.043 * 3195.15 584.5 161972.55kws kg-= = =Potencia en bornes del generador elctrico: GEP 161972.55* 0.97* 0.98 153971.11kw = =Flujo de condensado recuperado: 62.043kg/s* 0.75 = 46.53 kg/s Flujo de agua de reposicin (make up): 62.043 46.53 = 15.531 kg/s Entalpa agua de alimentacin a la caldera (del balance de la mezcla condensado ms make up):-| |= + = |\ .aakg kJ kg kJm * h 46.53 * 584.50 15.513 * 80 C* 4.187 31808.52kws kg s kg = =a31808.52kwh 512.885kJ / kg62.043kg / s Consumo de combustible: ( )Cblekg kJ62.043 * 3195.15 512.685kg kg s kgm 5.113 18406.800.93* 35000 s h-= = =Costo del consumo de combustible: kg kJ18406.80 * 35000N.S. h kg * 4.50 28991' 000000 h=Energa elctrica producida en una hora: 153971 kw-h,Costo de produccin de EE: u(EE)2899N.S/ h N.S.C 0.0188153971.11kw h kw h= =

~ CALENTADOR EVAPORADOR 1.5 bar 3.5 bar, x = 95% 25 bar, 380C 185 000 kg/h 40C Condensado 8.-EnunacentralTermoelctricaavapor,lacalderaaquotubularconsume6000m3/hdegasnatural, tendiendo P. C. I. = 38500 kJ/m3, con un rendimiento de la caldera de 87%. El vapor producido tiene 30 bar y 400 C. Con los datos de la figura determinar la potencia elctrica generada, en kw SOLUCION Vapor producido por la caldera:( )33vm kJ6000 * 38500 * 0,87kg hmm 70421.890kJ h3230 90* 4.18kg-= = Del rendimiento isentrpico de la turbina:32302829.27=(3230h3)*qis;sereemplazaenlaecuacindelconsumoespecficodevapordela turbina: Csturbina = 1/((3230 2829.27)*0.97*0.99) = 0.0026 kg/s = 9.36 kgv/kw-h Potencia elctrica generada por el turbogenerador:PGE = 70421.89 kg/h /9.36 kg/kw-h = 7523.706 kw. 9. -Una Central trmica a vapor genera 5 Mw en una turbina con p = 35 bar@, t = 420 C, el vapor de escape tiene: p = 2.2 bar@, t = 140 C el cual se condensa con agua que tiene t1 = 25 C y t2 = 55 C, cp = 4.184 kJ/(kg*C). qm = 0.95; qGE = 0.975. Quema metano con = 1.20; PCI = 30 MJoule/m3, densidad = 0.716 kg/m3. Agua de alimentacin a la caldera = 90 C Se pierde en la caldera un flujo trmico equivalente al 13% del flujo trmico til. Hallar: a) El flujo de vapor en la turbina, b) el flujo de combustible consumido en la caldera SOLUCION Consumo especfico de vapor de la turbina: Ct = 3600 /((3269.37 2746.58)*0.95*0.975) = 7427 kg vapor / kw-h Flujo de vapor a travs de la turbina: 5000kw-h*7427 kg Vapor/kw-h = 37135 kg/h Flujo trmico perdido: 0.13*Flujo trmico til = 0.13 * Qu Flujo trmico total: Qu(1+0,13) = 1.13*Qu Entonces, el rendimiento de la caldera: Qu/(1,13*Qu) = 1/1.13 = 0.885 Consumo de combustible en la caldera: 37135 kg/h *(3269.37 377.039)kJ/kg /( 30000 kJ/m3 * 0.885)= 4045 m3/h = 2896.54 kg/h Agua de Alimentacin: t = 90C, cp = 4.18 kJ/(kg*C) Vapor de escape: P = 4 bar@, t == 185 C P = ?(en kw) mecanico0,97 q = generadorelectrico0.99 q =10. Una CTE con turbinas de contrapresin genera 15500 kw. La turbina recibe vapor de 30 bar y 430 C y la condensacin se hace en un intercambiador de calor en el que se calienta el agua que circula en una red de termoficacin.Alasalidadelaturbinaelvaportiene2bary190C.Laspresionesdadassonabsolutas.ElPCIdel combustible es 33750 kJ/kg y el rendimiento de la caldera es 80%. El agua de alimentacin a la caldera tiene 90C. Determinar: a.elconsumoespecficodevapordelacentral,sielrendimientomecnicoes m0.97 q = yel rendimiento del generador elctrico es ge0.98 q = b. El calor suministrado a la red de termoficacin, c. El consumo de combustible a la caldera SOLUCION a. consumo especfico de vapor ( )s3600 kg_ vapord 8.43kw h 3299.74 2850.58* 0.97* 0.98= = 30bar _ 430 CkJh 3299.74kg= 2bar _190 CkJh 2850.58kg= b. Calor suministrado a la red de termoficacin: QRT vaporkg_ vapor kg_ vaporm 15500kw h* 8.43 130665kw h h-= = ( )( )'vapor RT2bar _190 C 2kg kg kJQ m h h 36.30 * 2850.58 2706.23 5239.90kws s kg- - ((= = = (( '2kJh 2706.23kg= c. El consumo de combustible a la caldera ( )( )vapor30bar _ 430 C agua _ alimentacincblecalderakg130665 * 3299.74 377.039m * h hkghm 14144.25kg P.C.I. * h33750 * 0.80h--= = =q CONDENSADOR INDUSTRIAL VAPOR ESCAPE DE TURBINA CONDESADO SALIDA RED DE TERMOFICACION 11.-UnaPlantaindustrialconsume180000kw-h/mes,trabajatresturnosde8horasy30/mes. Consume7800kg/hvaporde10bar@,conx=92%,producidoenunacalderaquequemaun combustibleconPCI=40000kJ/kg.Enlacalderasepierdeuncalorequivalentea14%delcalor contenido en el vapor producido. El vapor sale como lquido saturado del condensador industrial y pierde 25% de su calor contenido por aislamiento, antes de ingresar a la caldera. El costo de combustible es de 4N.S.porcada140000kJ.Hallarlacantidaddepotenciaelctricaquepuedeserproducidasise utilizara una turbina a contrapresin 3 bar@, con 45% de eficiencia isentrpica,qm = 97% y qGE = 98%. Si el turbogenerador cuesta 1250 USA$/kw hallar el tiempo simple de retorno de la inversin SOLUCION Consumo de potencia en Planta = 180000/720 = 250 kw h10 bar@, x = 92% = 2615.94 kJ/kg; s3bar,x = 92% = 6.23kJ/(kg*C);s3 lquido saturado = 1.671 kJ/(kg*C); s3bar, saturado seco = 6.99 kJ/(kg*C) ( )' '' '10,x 92% 3 3 3 3s s s x s s== = + 6.23 1.671x 0.8576.99 1.671= = Luego, la entalpa del vapor saturado hmedo que sale de la turbina en el estado ideal: ( )3h 561.427 0.857* 2724.88 567.427 2410.36kJ/ kg = + =Consumo especfico de vapor de la turbina: ( )3600 kg vapor40.93kw h 2615.94 2410.36 * 0.45* 0.97* 0.98= Produccin de potencia elctrica con turbina a contrapresin:7800P 190.53kw40.93= =Determinacin de la entalpa del agua de alimentacin a la caldera: a. - Calor contenido en el lquido saturado (salida del condensador tecnolgico) ==kg kJ kJ7800 * 4.186 *133.522C 4' 359600.118h kg*C h b. - Calor perdido por aislamiento: 0.25*4359600 = 1089900.03kJ/h Calor en agua de alimentacin de la caldera: 4359.600 1089900 = 3269700 kJ/h = 7800kg/h * hagua c. - entalpa del agua de alimentacin a la caldera: 419.19 kJ/kg Determinacin del rendimiento trmico de la caldera: a. - Calor contenido en el vapor producido: 7800 kg/h*2615.94 kJ/kg = 20404332kJ/h b. calor perdido en caldera = 0.14*20404332 kJ/h = 2856606.48 kJ/h c. calor total ingresando a la caldera = 20404332kJ/h + 2856606.48 kJ/h = 23260938.48 kJ/h Entonces, la eficiencia trmica de la caldera es: calderakJ20' 404332h0.8772kJ23' 260938.48hq = =Consumo de combustible en la caldera: ( )cblekg kJ7800 * 2615.94 419.19kg h kgm 488.33kJ h40000 * 0.8772kg-= =Ahorro econmico por entrada en servicio de turbogenerador cogenerador: 190.53 kw-h *720h/mes *0.38 N.S./kw-h = 52129.008 N.S./mes = 16392.77 USA$/mesMonto de la inversin en sistema de cogeneracin:190.53kw*1250 USA$/kw = 238162.50 USA$ Tiempo simple de retorno de la inversin: 238162.50 USA$ / 16392.77 USA$/mes = 14.52 meses 12.UnaPlantaindustrialprocesa250000kg/hdelquidoindustrial,desde30Chasta 95C,concp= 4.187 kJ/(kg*C) y luego evapora el 45% del flujo msico, produciendo vapor vegetal de 1 bar, con x = 95%, con I.C.90% q = . La Planta consume 22 kw EE /TM de producto, y desea vender Energa Elctrica alSEIN.Laturbinaacontrapresinconsume6.75kgvapor/kw-h;Vapordesalidadelaturbina:p@2= 3.50 bar y t = 190C. Rendimientos: mecan97.5% q = , GE98.5% q = . La caldera consume petrleo de 138000kJ/galncon Caldera85% q = yproducevaporde=35bary420C;elcualsetransportaala turbina por un tubo con tuberia vapor95%q = La tubera de agua tiene tuberia agua80%q = Determinar: a. la demanda de vapor para la Planta Industrial, b. La Potencia elctrica que puede vender al SEIN, c. El consumo de petrleo en la caldera d. Presentar el diagrama de Sankey del proceso (en kw) SOLUCION Calor total del proceso industrial:( )Tkg kJ kg kJ69.445 * 4.187 * 65 C 0.45* 69.445 * 2562 4.187* 95s kg* C s kgQ 96147.432kw0.9- + = =Flujo de vapor del proceso industrial (que se distendi en la turbina): ( )'v v T3.5bar 3.5bar190 CQ 96147.432kw m * h h m * 2842.61 584.261- - -| | | = = = |\ .v m 42.57kg/ s 153252kg/ h- = =Potencia generada en bornes del generador elctrico:vGEsm 153252kg / hP 22704kwC 6.75kg / kw h-= = = Combustible:( )( )vv apetroleoCalderakg42.57 * 32693.37 465.115m * h hGal GalsV 1.018 3663.75kJ PCI * s h138000 * 0.85Gl--= = = =q En la cual: a inicial*tub(real)aguakJ kJh h 138.857 C* 4.187 * 0.80 465.115kg* C kg= = = Potencia elctrica a vender: Ptotal Ps.i.= 22704 5500 = 17204 kw . Diagrama de Sankey: pCalderaQ- pTub VaporQ- pVapor CondensadorQ- p mecan.Q- pGE.Q- u GEP P =v TQ F m* P.C.I.- -= =13 Una Planta Industrial tiene una CTE a vapor con turbinas a contrapresin. El vapor que ingresa a las turbinas es de 30bar, 400C y sale a 2.5 bar y 200C. La CTE cogenera energa de modo industrial. La Plantaconsume0.55TMvaporsobrecalentado/TMdeproductoproducido,en23horaspordia,su capacidad es de 7000 TM - producto/da y consume 30 kw/TM de producto. En paralelo con las turbinas de contrapresin trabaja un Sistema de Reduccin de presin del vapor, desde 30 bar hasta 2.5 bar, para asegurarsuprocesoproductivo.Seinstalaunturbogeneradoracontrapresin,paraponerfuerade serviciolavlvulareductoradepresinycogenerarenergayvenderalSEIN.ElCses8.20kg/kw-h, Hallar: a) el Cs de la turbina actual, b) La potencia en bornes del GE nuevo, c) El costo de generacin de EE(N.S./kw-h)(incluyeturbinanueva),silacalderaquemacarbnconPCI=28500kJ/kgytieneun rendimiento de 88%, el agua ingresa a 105C. El carbn cuesta 150 N.S./TM d) el rendimiento del ciclo inicial y final SOLUCION 30bar 2.5bar400 C 200 CkJ kJh 3231.69 ,h 2868.33kg kg = =Demanda de vapor:vapor7000TM producto / d TM vapor TM vapor kgm * 0.55 167.391 46.497523h / d TMproducto h s-| |= = = |\ . Demanda de potencia elctrica:vapor7000TM producto / d kwm * 30 9130.43kw23h / d TMproducto-| |= = |\ . Vapor que consume la turbina inicial: vapor30bar 2.5bar m GE400 C 200 Cm * h h * * 9130.43kw- | | | q q = |\ . vapor9130.43kw kgm 26.43kJ s(3231.69 2868.33) * 0.97* 0.98kg- = = Vapor que pasa por la vlvula reductora de presin: 46.4975 26.43 = 20.0675 kg/s Potencia elctrica a generar en turbina nueva ( para ser vendida al SEIN): b) P = 20.0675*3600 / 8.20 kg/kw-h = 8810.121 kw a) Consumo especfico de vapor de La turbina inicial:s3600 kgC 10.422(3231.69 2868.33) * 0.97* 0.98 kw h= = mcble = 167391kg/h*(3231.69 -4.187*105)kJ/kg / (28500kJ/kg *0.88) = 18634.96 kg/h = 18.634 TM/h Costo del combustible consumido: 18.634TM/h * 150 N.S./TM = 2795.10 N.S./h CuEE = 2795.10 N.S./h / (9130.43+8810.12)kW-h = 0.1558 N.S./kW-h d) rendimiento de los ciclos trmicos: . En situacin inicial:( ) (+ ( q = =C1kg kJ9130.43kw 46.4975 * 2868.33 535.345s kg0.7826kg kJ46.4975 * 3231.69s kg .En situacin final: ( ) (+ + ( q = =C1kg kJ9130.43 kw 8810.121 kw 46.4975* 2868.33 535.345s kg0.8413kg kJ46.4975 * 3231.69s kg 14. En la figura en unosintercambiadores de calor se prepara agua a p = 6.5 bar con 120 `C, de agua a 40`C. El vapor de 3 bar, saturado seco es suministrado por una turbina de contrapresin, que utiliza en su entrada vapor de 40 bar y 500 C, y los rendimientos del turbogrupo son: m0.96 q =GE0.985 q =Lacalderaconsumepetrleoresidualnr.6conPCI=40000kJ/kg,yq=90%.Latuberadeaguade alimentacinalacalderatieneq=75%.Latuberadevaporproducidoenlacalderaquealimentala turbina tiene q = 99.25 %. Se recupera el 70% del condensado del vapor utilizado. Hallar: a. el flujo de vapor producido por la caldera, b. el flujo de combustible consumido por la caldera c. la potencia elctrica en bornes del generador elctrico, d. el rendimiento de la CTE CalderaTurb. pv1 = 3 bar magua = 770 kg/sTa = 40`C Tb = 85C 0.25*magua Tc = 120 C Agua make up, 30C ~PGE =?10.93 q =20.90 q =CondensadoCondensado Solucin Entalpas: agua120CkJh 502.44kg= ,=agua40CkJh 167.533kg , agua85CkJh 355.895kg= ''3barkJh 2724.88kg='3barkJh 561.105kg==vapor40bar, 500CkJh 3446.02kg

vaporTurbinakJh 3446.02* 0.9925 3420.17485kg= =Balance I.C. nr. 1: v 770 kg/s*(355.895 - 167.533)kJ/kg =m * (kg/s) *(2724.88 - 561.105)kJ/kg *0.93- Flujo msico de vapor: vm = 145038.74 kw / 2012.31075 kJ/kg = 72.075 kg/s - Balance en I. C. nr. 2: Flujo de agua que entra al calentador:0.75*770 = 577.50 kg/sv2m *(2724.88 - 561.105)kJ/kg*0.90 = 577.50kg/s*4.187kJ/(kg*C) *(120 - 85)C- Flujo de vapor en el calentador nr. 2:84629.7375 / 1947.3975= 43.4578 kg/s a . Flujo de vapor total en el proceso:72.075 + 43.4578 = 115.5328 kg/s= flujo vapor en turbina Entalpa de agua de mezcla del condensado recuperado con agua de make up:(115.5328 kg/s*0.70*561.105 + 34.65984 kg/s*30*4.187)/115.5328 = 430.4565 kJ/kg aguaa CalderakJh 0.75 * 430.4565 322.842375kg = =b. Flujo de combustible consumido por la caldera: cblem= 115.5328 kg/s*(3420.17485 - 322.842375) J/kg / (40000 kJ/kg*0.90) = 9.941 kg/s- c. Potencia generada en bornes GE:115.5328 kg/s*(3420.17485 - 2724.88)kJ/kg*0.96*0.985 = 75959.4436 kw d. Rendimiento de la CTE: util 1Q = 72.075 kg/s*(2724.88 - 561.105)kJ/kg*0.93 = 145037.297 kw util2 Q = 43.4578 kg/s*(2724.88 - 561.105)kJ/kg*0.90 = 84629.611 kw util totalQ= 145037.297 + 84629.611 = 229666.908 kw CTE ge util total = (P+ Q) /F = (75959.4436 + 229666.908) kw / (9.941 kg/s *40000 kJ/kg) = 0.7686 q