E973-Turbina de Vapor

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

E973 Turbina de Vapor

2

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


3

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.


4

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


5

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


6

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.


7

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]


8

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.


9

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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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


11

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


12

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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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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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 ()


15

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) = , []


16

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.).


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)


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.).


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) = , ()


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]:

= , [

] = =


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 :

= , + , ,

= , [ /]


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=,[%]


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].


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


23

e) ANEXOS

Tabla 10.a. Tabla Termodinmica: Vapor Saturado Tabla de Temperaturas


24

Tabla 10.b. Tabla Termodinmica: Vapor Saturado Tabla de Presiones


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.

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