UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERA DPTO. DE INGENIERA MECNICA

EXPERIENCIA E-952 INFORME Turbina de vapor

NOMBRE: Jos Ignacio Arancibia Fernndez. ASIGNATURA: Equipos trmicos e hidrulicos. PROFESOR: Ivan Jerez. Codigo Horario: 9562

Santiago de Chile, 20 de junio del 2011 NDICERESUMEN...........................................................................................................3

OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA.......................................................................3

Objetivo general..........................................................................................3 Objetivos especificos....................................................................................3

CARACTERISTICAS TECNICAS...........................................................................4 DESCRIPCION DEL METODO SEGUIDO............................................................11 PRESENTACION DE LOS RESULTADOS............................................................12 CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES...............................................................15APENDICE.....17 a) Teora del experimento......17 b) Desarrollo de clculos...19 BIBLIOGRAFIA..25

Resumen

2

En el presente informe, se describe y se muestra lo realizado en la experiencia E952 turbina de vapor. En el informe se detallan diferentes parmetros de una turbina a vapor acompaada por un generador, para el caso del generador tambin se determinan datos de gran utilidad, la experiencia imita el funcionamiento de una central termoelctrica, la experiencia avanza a medida que le ponemos cargas al generador, las cargas imitaran el consumo de energa demandado, finalmente con los datos recopilados calcularemos rendimientos, tanto del generador como de la turbina a vapor, como tambin flujo de vapor consumido y energa elctrica producida para cada carga.

Objetivos de la experiencia1. 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.

OBJETIVOS ESPECFICOS:

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

3

Caractersticas tcnicas de equipos e instrumentos empleados.Para haber llevado a cabo la experiencia realizada, fue necesaria la utilizacin de los siguientes instrumentos y materiales con el fin de lograr los objetivos propuestos.

Equipos. 1. Turbina de vapor.Marca: Coppus Tipo: TW9 (de accin). Potencia: 1,9 HP Velocidad: 3750 RPM Presin de Vapor: 75 PSIG Temperatura de Vapor: 320 F

2. Generador elctrico.Marca : Westinghouse. Potencia: 1 (Kw). Velocidad: 3750 rpm. Voltaje: 110 (Volt C.C). Intensidad: 9,1 (A). Factor de servicio: 1,15 Frame: 187 AY.

4

3. CalderaDescripcin: Caldera de alta eficiencia para la generacin de vapor, utilizando como combustible petrleo diesel, gas natural o gas licuado. La caldera est diseada para generar desde 100 a 600 kg de vapor por hora y para presiones de trabajo de 6, 8, 10 y 12 bar. Posee una eficiencia de combustin de hasta un 90%. Genera vapor de forma muy rpida y eficiente, debido a su bajo contenido de agua, esto permite que su utilizacin sea rentable.

Caractersticas generales:

Marca: SERVIMET Modelo: MIX 500 V.P.G

Caractersticas operacionales:

Superficie de calefaccin: 17.2 m Presin mxima de trabajo: 7 Kg/cm Flujo de vapor: 500 Kg/hr. Potencia trmica til: 349 Kw Tipo de combustible: Petrleo diesel (P2) Consumo mximo hora de combustible: 38,5 Lt/hr.

5

1. Tablero de carga

VOLTIMETRO N (AMPOLLETAS)

:0 - 300 [V] RESISTENCIAS:10

AMPERIMETRO:0 20 [A]

2.

Condenzador.

6

Instrumentos. 1. Termmetro digital.Marca: Fluke. Modelo: 52 Caractersticas Para 2 Entradas de Termopares. Para Termopares del tipo: J, K, T y E Registra temperaturas en C, F Y K Registra valor de temperatura MAX / MIN /AVG. Permite obtener diferenciales de Temperatura (T1 T2). Pantalla doble retro iluminada.

2. Termocupla de inmersin.

7

Marca: Fluke. Modelo: 80 PK -22. Tipo: K Cromel Alumen Rango: - 270 a 1370C

3. Balanza digital.Balanza Electrnica marca SNOWREX Modelo NV-30 con display cristal liquido. Plataforma de acero inoxidable de 20 x 26 cm. Visor de cristal liquido LCD con Back Light (luz de contraste Stand By). Operacin por batera interna 100 horas (auto recarga) o adaptador 220V. Temperatura de operacin: 0 C 40 C. Salida serial RS 232 OPCIONAL. Rango Medida: 0-30 Kg. Precisin: 0.002 Kg.

8

4. Probeta Graduada.Rango: 0 1000 ml.

5. Cronometro.Marca: Casio. Resolucin: 0.01 seg.

6.

Barometro.

9

Marca: Schiltknecht Ing. S.I.A. Hecho: Zurich, Suiza. Modelo: B-3457. Escala Presin: 600 a 830 mm de Hg. Escala Temperatura: -20 a 50 C. Error Instrumento: 0.06 mm Hg.

7. Tacmetro digital.MARCA:EXTECH INSTRUMENTS MODELO:461891 UNIDADES [m/min] MED.[ft/min], [RPM],

8. Guantes para temperatura.tipo: soldador color: rojo caractersticas: forrado y cocido con hilo de kevlar (hilo retardante de incineracin)

9. Antiparras de seguridad.10

Material: plstico flexible Color: transparente Sujecin: elstico

Descripcin del mtodo seguido.La experiencia comienza con una completa explicacin del profesor donde deja muy claro todos los temas a tratar en el laboratorio, como tambin realiza una completa explicacin terica sobre las leyes a tratar. Luego de eso nos dirigimos al equipo a operar, este es presentado por el profesor y se explican cada una de las partes y su funcionamiento, as como tambin los cuidados a tener durante la experiencia. Luego de esto el profesor no explica cmo podemos desarrollar la experiencia y como debemos asignarnos en el equipo, las asignaciones fueron las siguientes: Un alumno en el tablero de carga, este alumno se encargara de activar las cargas y anotar la tensin y la intensidad producida por el equipo.11

Un segundo alumno se encargara de mazar el condensado y determinar el tiempo del intervalo mediante un cronometro. Un tercer alumno se dedica a regular las RPM durante toda la experiencia, estas RPM se mantuvieron a 2400 RPM durante el tiempo que duro la experiencia, estas RPM se regularon mediante dos vlvulas que controlan el flujo de vapor asa la turbina, una vlvula es de baja y otra de alta, tambin este alumno se encarga de medir la presin de entrada a la turbina. Un cuarto alumno se dedico a medir las temperaturas de salida y entrada de vapor en la turbina

El ensayo comienza cuando se le da partida a la caldera, esta alimenta el circuito de vapor, una vez que el circuito est completamente con vapor se da partida a la turbina la cual es controlada a las RPM que queremos fijar durante toda la experiencia esta etapa se hace con la mxima carga, en este punto no podemos llegar a las RPM deseadas asique tenemos que bajar las RPM a 2400 estas se respetaran durante toda la experiencia Ya cumplido este paso se bajan las RPM de la turbina y se cancelan las cargas generadas, luego de esto aplicamos una sola carga, esto quiere decir prender una sola ampolleta, en este punto se estabilizan las RPM a 2400 y se da aviso al alumno que maza el condensado, durante el mazado del condensado se toman otros datos como temperaturas de entrada y salida del vapor en la turbina, presin de entrada del vapor a la turbina, y mediciones de tensin e intensidad en el tablero, todo esto se realiza en 20 segundos luego de esto se deja de acumular condensado y se procede a aumentar en una carga mas, este procedimiento se repite hasta llegar a la decima carga.

Presentacin de los resultados.De acuerdo a lo desarrollado en la experiencia los datos obtenidos y calculados fueron los siguientes:

1- Datos obtenidos directamente de laboratorio.

12

carg as 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

RP M 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400

Presin [PSI] 62 82 84 86 86 86 86 80 86 80

Temp de entrada K 437,3 436,9 436,3 437 437,3 437,1 436,7 436,2 437,1 436,1

temp de salida K 372,7 372,7 372,9 372,6 372,6 372,6 372,6 372,7 372,6 373

Tension [V] 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55

Intensid ad [amp] 0,5 1 1 1,5 2 2,5 3 4 4,5 5

Masa [grm] 252 294 270 284 308 320 346 348 380 386

Tiempo [seg] 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

2- Datos calculados a partir de los datos obtenidos, los datos calculados los dividiremos en dos partas (a y b). a)carg as [Kgr/seg h3 [KJ/Kg] ] 1 0,0126 2762,138 2 0,0147 2761,714 3 0,0135 2761,078 4 0,0142 2761,82 5 0,0154 2762,138 6 0,016 2761,926 7 0,0173 2761,502 8 0,0174 2760,972 9 0,019 2761,926 10 0,0193 2760,866 s3 [KJ/KgK ] 6,71428 6,71764 6,72268 6,7168 6,71428 6,71596 6,71932 6,72352 6,71596 6,72436 h4' [KJ/Kg] 2674,86 6 2674,86 6 2675,18 2 2674,70 8 2674,70 8 2674,70 8 2674,70 8 2674,86 6 2674,70 8 2675,34 hf4 [KJ/Kg] 417,64 417,64 418,48 417,22 417,22 417,22 417,22 417,64 417,22 418,9 hfg4 [KJ/Kg] 2257,22 6 2257,22 6 2256,70 2 2257,48 8 2257,48 8 2257,48 8 2257,48 8 2257,22 6 2257,48 8 2256,44 Sf4 Sfg4 [KJ/Kg [KJ/Kg K] K] 1,3029 6,0568 02 36 1,3029 6,0568 02 36 1,3051 6,0521 54 72 1,3017 6,0591 76 68 1,3017 6,0591 76 68 1,3017 6,0591 76 68 1,3017 6,0591 76 68 1,3029 6,0568 02 36 1,3017 6,0591 76 68 1,3062 6,049813

8

4

b)cargas titulo X despues de la turbina 0,893433 14 0,893987 88 0,895137 48 0,893691 02 0,893275 12 0,893552 38 0,894106 91 0,894958 69 0,893552 38 0,895574 1 h4 [KJ/Kg] teorico 2434,320 51 2435,572 7 2438,538 54 2434,716 74 2433,777 86 2434,403 78 2435,655 63 2437,764 02 2434,403 78 2439,709 22 real de la turbina 1,09962 72 1,27666 56 1,15959 6 1,23699 04 1,34642 2 1,39548 8 1,50153 62 1,49824 44 1,65714 2 1,65065 18 teorico Energia turbina de la electrica generado [%] turbina E [Kw] r [%] 4,130500 37 4,794277 17 4,354282 65 4,644866 26 5,056746 22 5,240355 52 5,637142 23 5,623818 86 6,222922 18 6,198325 91 0,0275 0,055 0,055 0,0825 0,11 0,1375 0,165 0,22 0,2475 0,275 26,62213 06 26,62894 85 26,63116 04 26,63134 59 26,62625 22 26,62964 36 26,63647 89 26,64105 01 26,62964 36 26,63060 68 2,500847 56 4,308097 59 4,743031 19 6,669413 12 8,169801 15 9,853183 98 10,98874 61 14,68385 26 14,93535 26 16,66008 54

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1- A partir de los datos calculados y obtenidos generamos los siguientes grficos. a)

b)

14

c)

Discusin de resultados, Conclusiones y observacionesComo hemos podido ver a travs de los resultados de esta experiencia, en un ciclo Rankin sin modificacin, ya que el sobrecalentador se encontraba inoperativo podemos observar lo siguiente: En primer lugar comenzaremos analizando el rendimiento de la turbina, este rendimiento fue bajo ya que fluctu entre el 26% (generalmente este rendimiento es de un 30%), esto se debi a un desperfecto en la turbina que nos pudimos dar cuenta al momento de regular las RPM. Analizando el fluido podemos observar la inmensa energa que puede almacenar y luego liberar de forma isoentropica en la turbina a vapor, esta turbina se encargara de transformar el calor en trabajo, este trabajo es de una gran amplitud es por eso que se utiliza en termo elctricas, aprovechando la energa de la turbina mueven grandes generadores de electricidad, y mirando este proceso de un punto de vista econmico las termo elctricas son muchos ms econmicas que los grupos electrgenos (motor a combustin- generador), ya que para generar la misma cantidad de energa deberan instalarse grandes motores los cuales sin duda ocuparas una gran cantidad de combustible elevando los costos desde el punto de vista del consumo y la costosa mantencin que requieren. Analizando el generador nos podemos dar cuenta que su rendimiento es directamente proporcional a las cargas aplicadas ya que su rendimiento incrementa junto con las cargas, de todas maneras es un rendimiento bajo y que como el generador interacta directamente con la turbina las fallas que conlleve esta tambin afectan al generador. Con respecto al consumo de vapor nos podemos dar cuenta que este va en ascenso ya que al momento de pedir cargas al generador este demandaba un mayor consumo de vapor ya que la turbina deba suplir la carga al generador, recordemos que el trabajo del generador es convertir la energa mecnica de la turbina en energa elctrica.15

Analizando el consumo de vapor en el grafico nos podemos fijar que es directamente proporcional con respecto a la energa electrica, esto quiere decir que a mayor demanda de electricidad mayor es el consumo de vapor, esto se debe a que la turbina para mantener sus RPM constantes requiere un mayor consumo de vapor.

Apndice.a) Teora del experimento.

Turbina de vaporEs 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 momentum 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. 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.

Ciclo Rankine Ciclo termodinmico de mquina trmica comnmente utilizado en plantas de fuerza, la sustancia de trabajo en general es agua, quien participar en fases lquidas y gaseosas. El ciclo bsico, totalmente idealizado, considera los siguientes dispositivos operando en forma estacionaria como flujo estable estado estable:16

1-2 Bomba, adiabtica reversible. 2-3 Caldera, isobrica. 3-4 Turbina de vapor, adiabtica reversible. 4-1 Condensador, isobrico.

La formacin energtica, con las simplificaciones del caso conduce a: Calor aportado Calor rechazado Trabajo ciclo

: : :

2

q3 q1

= h3 - h 2 = h1 - h 4 = (h2 - h1) + (h4 - h3)

4

wn

Rendimiento trmico del ciclo: trmico (h2 - h1) + (h4 - h3) h3 - h 2

=

Ciclo Rankine Bsico .y que fue el usado durante la experiencia.

17

La presencia efectiva de irreversibilidades justifica establecer el concepto de rendimiento termodinmico de proceso en turbina y bomba, en el caso de la primera. Trabajo efectivo turbina Trabajo terico idealizado

h4 h3 = h 4 h3 =

Wreal Wideal

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. generador Energa elctrica Trabajo efectivo turbina

=

Curva Caracterstica Generador.

Luego el rendimiento del conjunto turbo-generador ser: Energa elctrica Trabajo terico idealizado18

turbogenerador

=

Sin perjuicio de lo anterior, el ciclo de Rankine bsico podr ser modificado incorporando dispositivos adicionales: sobrecalentadores, intercambiadores de calor y otros con la intencin de aumentar la produccin de trabajo y/o la eficiencia trmica.

a) Desarrollo de los clculos. A continuacin determinaremos los clculos hechos durante la experiencia, efectuaremos los clculos solo para el primer parmetro ya que para el resto de las cargas es lo mismo. 1- En primer lugar determinamos la entalpia en el punto 3 junto con la entropa en el punto tres, estos dos parmetros los interpolamos directamente de las tablas termodinmicas de vapor saturado ya que entendemos que el vapor a la salida de la caldera es de un titulo 100% y los buscamos a travs de las temperaturas ya que es el dato ms exacto por su precisin en instrumento y de lectura.temperatura s [K] 435 437,3 440 entalpias [KJ/Kg] 2759,7 2762,138 2765 h3= 2762,138 entropas [KJ/KgK] 6,7336 6,71428 6,6916 s3= 6,7142819

temperatura s [K] 435 437,3 440

2- Luego determinamos h4 este punto est a la salida de la turbinatemperatura s [K] 370 372,7 375 entalpias [KJ/Kg] 2670,6 2674,866 2678,5 h4'= 2674,866

3- Para determinar la entalpa (h) en el punto 4 (terico), este punto terico se obtiene bajando isoentropicamente desde el punto 3, es en este punto donde ya se determino la entropa (S3), el punto 4 se produce a la salida de la turbina, por lo tanto se debe ingresar a las tablas de termodinmica de vapor saturado con los siguientes datos: Temperatura a la salida de la turbina (T4) esta tabla se debe ingresar por temperatura y obtener los datos de Sf y Sfg, hf y hfg, para obtener los valores se debe interpolar, por lo tanto tenemos:En

temperatu ras [K] 370 372,7 375

entropas [KJ/KgK] 1,2725 1,302902 1,3288 sf4= 1,302902 entropas [KJ/KgK]

temperatu ras [K] 370 372,7 375

entalpias [KJ/Kg] 406,3 417,64 427,3 hf4= 417,64

temperatu ras [K]

temperatu ras [K]

entalpias [KJ/Kg]20

370 372,7 375

6,1198 6,056836 6,0032 sfg4= 6,056836

370 372,7 375

2264,3 2257,226 2251,2 hfg4= 2257,226

Para poder determinar la entalpa h4 (terica), debemos determinar empricamente el ttulo, a partir de los datos de entropa ya determinados, utilizando el siguiente modelo matemtico:

S 3 = Sf + X .Sfg

Donde: S3 Sf Sfg X : Entropa [ kJ/kgK] : Entropa de liquido saturado [kJ/kgK] : Diferencia de Entropa entre el vapor sat. y el liquido sat [kJ/kgK] : Ttulo Desarrollando obtenemos:

6.71428 = 1.2898853+ X * 6.0837923 6.71428 1.2898853 6.0837923

X =

X = 0.89343314X = 89.34[%]Una vez determinado el titulo se procede a determinar la entalpia h4 (Teorica), mediante el siguiente modelo matemtico:

h 4 = hf + X .hfg21

Donde: h4 hf hfg X : Entalpa [kJ/kg] : Entalpa de liquido saturado [kJ/kg] : Diferencia de Entalpia entre el vapor sat. y el liquido sat [kJ/kg] : Ttulo [tanto por uno]

Desarrollando se obtiene:

h 4 = 412.8475 + 0.89343314x 2260.208

h4 = 2434.32051

1- Primera Carga medida, determinacin del Flujo Msico: El flujo msico (condensado), se obtiene mediante la siguiente frmula:

m m= t

Donde: : Flujo msico [kg/seg]

mm: t: masa de condensado [kg] tiempo de llenado de la probeta (20 seg)

Desarrollando se obtiene para la primera carga:

22

0.252 m= 20

m = 0.0126[ Kg / seg]2- Primera Carga medida, determinacin del Trabajo Efectivo de la Turbina (Real): El Trabajo Efectivo (Real), de la turbina, se determina mediante la siguiente frmula:

W = m (h3 h4`)Desarrollando se obtiene para la primera carga:

W = 0.0126 (2762.138 2674.366)W = 1.0996272 Kw] [

3- Primera Carga medida, determinacin del Trabajo Terico Idealizado de la Turbina El Trabajo Terico Idealizado, de la turbina, se determina mediante la siguiente frmula:

W = m (h3 h4)Desarrollando se obtiene para la primera carga:

W = 0.0126 (2762.138 2434.32051 )23

W = 4.13050037 Kw] [4-

Primera Carga medida, determinacin del Rendimiento Trmico de la Turbina (t)

El rendimiento trmico de la turbina, se determina mediante la siguiente frmula:

t =

W Efectivo.Turbina W Teorico.Idealizado

Desarrollando se obtiene para la primera carga:

t =

1.0996272 x100[%] 4.13050037

t = 26.6221306 [%]

5- Primera Carga medida, determinacin de la Energa Elctrica (E) La Energa Elctrica se determina mediante la siguiente frmula:

E=

Voltaje.x.Intensidad 1000

24

Donde: E V I : Energa elctrica [kW] : Voltaje [Volts] : Corriente [Amp]

Desarrollando se obtiene para la primera carga:

E=

55.x.0.5 1000

E = 0.0275[ Kw]6-

Y por ltimo la determinacin del Rendimiento Trmico para el grupo turbo generador (generador)

El rendimiento trmico del grupo Turbo generador se determina mediante la siguiente frmula:

t =

EnergiaElectrica W real

Desarrollando se obtiene para la primera carga:

t =

0.0275 x100[%] 4.13050037

t = 2.50084756 [%]

Bibliografa.25

Gua de Laboratorio E-952 Manual de Formulas Tcnicas de Giek 30 Edicin Tablas Termodinmicas Libro Claudio Mataix Mecnica de fluidos y Maquinas Hidrulicas, HARLA

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