PLANTA TÉRMICA A VAPOR

PLANTA TÉRMICA A VAPOR
1. OBJETIVOS


Aplicar las Leyes de la Termodinámica a una planta térmica a vapor, obteniendo
valores cuantitativos de energía, eficiencia de la planta y rendimiento de sus
componentes.
Observar y analizar las tendencias de los procesos del ciclo termodinámico de
vapor y compararlos con los procesos correspondientes al ciclo teórico.
2. EQUIPO A EMPLEAR
La planta térmica consta de una caldera de vapor, un sobrecalentador, una
válvula de control de flujo, un regulador de Watt, una turbina de vapor, un
condensador, una bomba de vacío, un generador eléctrico y un banco de
resistencias eléctricas.
Figura 1. Esquema de la Planta Térmica a Vapor del Laboratorio
(a) Intercambiador de Calor
Intercambiador de calor de tubos y coraza – dos pasos por los tubos, su función
es incrementar la temperatura del agua de alimentación de la caldera, el fluido
caliente es vapor que se obtiene de la misma caldera.
(b) Caldera
Marca Bryan, modelo LCM–150, horizontal, acuotubular, automática, con
capacidad de producción de 1237 lb/h de vapor a 212 °F y presión de trabajo de
150 psi.
(c) Sobrecalentador
Automático con quemador a petróleo, Melesco, con capacidad de 1000 lb/h de
vapor a 150 psi y temperatura máxima de 400 °C.
(d) Turbina
Marca Greenwood & Batley, de 10 kW de potencia y velocidad de 3000 rpm.
(e) Generador
De corriente continua, voltaje de 220 V y amperaje máximo de 50 A.
(f) Condensador
Marca Greenwood & Batley, de superficie, tipo carcasa y tubos, de 3 pasos.
(g) Banco de resistencias
(h) Instrumentación
*(12) Termocuplas con transmisores de temperatura, marca Yokogawa,
instaladas a lo largo de la planta.
*(12) Manómetros tipo Bourdon y transmisores de presión, marca Yokogawa,
conectados a los equipos de la planta.
*(02) Contómetros en la línea de combustible del quemador, para el ingreso y el
retorno.
*(01) Dinamómetro en el generador, con brazo de palanca de 300 mm.
*(01) Tacómetro en el eje del generador eléctrico.
*(01) Amperímetro en el banco de resistencias.
*(01) Voltímetro en el banco de resistencias.
*(01) Rotámetro en la línea del caudal de agua de enfriamiento del condensador.
*(01) Tanque piezométrico a la salida de la bomba de vacío, para medir el caudal
*(02) Cronómetros.
*(01) Display de temperatura.
3. PROCEDIMIENTO
Manteniendo constante la velocidad del generador eléctrico (3000 rpm), conectar
la carga en 12,5% de su capacidad. Esperar que la planta se estabilice y, con la
caldera a la presión máxima de 10 bar (150 psi), tomar lecturas de:







Presiones y temperaturas en cada punto requerido
Tensión y corriente eléctricas
Fuerza en el dinamómetro
Tiempo transcurrido durante 2 o 3 ciclos arranque/parada de la caldera
Volumen de combustible consumido en ese tiempo
Tiempo para una diferencia de altura en el tanque piezométrico igual a
10 cm.
Caudal de agua de enfriamiento en el rotámetro.
Repetir las mediciones para 25% y 37,5% de carga.
4. DATOS TOMADOS
%CARGA
Parámetro
Unidades
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
12,5%
P
MPa
0.101325
1.056325
1.056325
1.056325
1.056325
1.058325
1.017325
0.489325
0.044325
0.044325
0.101325
0.101325
0.101325
25%
T
°C
23.29
23.84
24.43
182.2767
182.2767
237.29
190.84
176.08
78.7
55.75
51.76
21.77
31.62
P
MPa
0.101325
1.056325
1.056325
1.056325
1.056325
1.042325
1.029325
0.512325
0.050325
0.048325
0.101325
0.101325
0.101325
T
°C
23.29
23.9
24.18
182.2767
182.2767
243.69
198.43
184.99
95.07
59.23
59.77
21.7
32.7
37,5%
P
MPa
0.101325
1.035325
1.035325
1.035325
1.035325
1.027325
1.011325
0.631325
0.052325
0.051325
0.101325
0.101325
0.101325
Tabla 1. Propiedades en los procesos de la planta térmica
T
°C
23.59
23.9
24.04
181.39
181.39
242.79
205.7
196.55
107.8
61.84
61.13
21.65
33.88
Porcentaje de carga en las resistencias eléctricas
Parámetros
Símbolo Unidad
12,5%
25%
37,5%
Volumen neto
Vc
L
0.76
1.06
1.9
Tiempo evaluado
t
s
168
165
166
Cota neta
Δh
cm
5
5
5
Tiempo evaluado
t
s
120
115
110
Voltaje de las
resistencias
V
V
200
195
195
Amperaje de las
resistencias
I
A
5
11.5
16.1
Flujo de agua de enfriamiento
Vr
m3/hr
10
10
10
Fuerza en el dinamómetro
F
kgf
3
4.5
6.1
Velocidad de rotación
n
RPM
3025
3000
3000
Consumo neto de
combustible
Flujo de condensado
Potencia en el banco de
resistencias
Tabla 2. Flujos y otros datos del laboratorio
5. CÁLCULOS
Entalpías
h1
h2
h3
h4
h5
h6
h7
h8
h9
h10
h11
h12
h13
12,5%
25%
37,5%
97.7775
97.7775
99.032
100.965
101.216
101.1966
103.43
102.386
101.78
2779.16758 2779.16758 2778.4129
773.255
773.255
769.33
2912.5
2927.56
2926.1345
2804.485
2822.67
2841.3616
2804.485
2822.67
2841.3616
2640.95
2672.607
2697.48
233.4
247.96
258.878
216.77
250.26
255.95
91.42
91.126
90.917
132.6
137.12
142.05
Tabla 3. Entalpías halladas en tablas de termodinámica

Potencia al freno a la salida de la turbina
𝑊𝑓̇ = 𝑇 × 𝜔
𝑇 = 𝐹 × 0.3
𝜔 = 𝑛 × 𝜋/30
Para 12,5%
Para 25%
Para 37,5%
T=3×9.81×0.3=8.829 N-m
T=4.5×9.81×0.3=13.2435 N-m
T=6.1×9.81×0.3=17.95 N-m
ω=3025×π/30=316.78 rad/s
ω=3000×π/30=314.16 rad/s
ω=3000×π/30=314.16 rad/s
Ẇ f = 2796.83 W
Ẇ f = 4160.57 W
Ẇ f = 5639.88 W

Calor disipado en el condensador
ṁ𝑏 =
Δh × 1.14 × 10−3
t × υ11
ṁR =
Vr
3600 × υ12
CpH2O = 4.179
kJ
kg ∗ K
Para 12,5%
Q̇ cond = ṁb × (h10-h9)+ ṁR × CpH2O × (T13-T12)
Q̇ cond =0.046894×-2407.55+2.7717×4.179 × (31.62-21.77)=1.1937 kW
Para 25%
Q̇ cond = ṁb × (h10-h9)+ ṁR × CpH2O × (T13-T12)
Q̇ cond =0.04874×-2424.647+2.7718×4.179 × (32.7-21.7)=9.24 kW
Para 37,5%
Q̇ cond = ṁ𝑏 × (h10-h9)+ ṁR × CpH2O × (T13-T12)
Q̇ cond =0.050918×-2438.602+2.7718×4.179 × (33.88-21.65)=17.5 kW

Flujo másico de vapor que circula en el intercambiador
ṁb + ṁa = 𝑚̇
Analizando el intercambiador de calor
𝑚̇ =
ṁb × (ℎ4 − ℎ5)
(ℎ2 − ℎ3 + ℎ4 − ℎ5)
Para 12,5%
Para 25%
Para 37,5%
ṁ = 0.04695 kg/s
ṁ = 0.048767 kg/s
ṁ = 0.0509327 kg/s
ṁa = 0.000057697 kg/s
ṁa = 0.0000284448 kg/s
ṁa = 0.0000147899 kg/s

Flujo másico de vapor que atraviesa la turbina
Para 12,5%
Para 25%
Para 37,5%
ṁ = 0.04695 kg/s
ṁ = 0.048767 kg/s
ṁ = 0.0509327 kg/s
ṁb = 0.046894 kg/s
ṁb = 0.04874 kg/s
ṁ𝑏 = 0.050918 kg/s

Rendimiento térmico del ciclo
η=
ṁb × (h8 − h9)
× 100%
ṁ × (h4 − h3) + ṁb × (h6 − h4)
Para 12,5%
Para 25%
Para 37,5%
η = 5.8%
η = 5.3%
η = 5.1%

Rendimiento total de la planta
η=
V×I
× 100%
ṁc × PC × 1000
PC = 45329
𝜌
Para 12,5%
Para 25%
Para 37,5%
η = 0.57%
η = 0.9%
η = 0.71%
kJ
kg
ṁc =
𝑉𝑐
×
𝑡

Rendimiento mecánico de la turbina
η=
T×ω
× 100%
ṁb × (h8 − h9) × 1000
Para 12,5%
Para 25%
Para 37,5%
η = 36.47%
η = 56.88%
η = 76.98%

Rendimiento del generador eléctrico
η=
V×I
× 100%
T×ω
Para 12,5%
Para 25%
Para 37,5%
η = 35.75%
η = 53.9%
η = 55.67%

Rendimiento del grupo turbina-generador
η=
V×I
× 100%
ṁb × (h8 − h9) × 1000
Para 12,5%
Para 25%
Para 37,5%
η = 13.04%
η = 30.66%
η = 42.85%
6.- GRÁFICOS (parámetros vs porcentaje de carga)
Flujo masico
Flujo masico de vapor (Kg/s)
Flujo masico de vapor vs % carga
0,0520
0,0510
0,0500
0,0490
0,0480
0,0470
0,0460
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
35,0%
40,0%
% carga
Potencia de freno
Potencia al freno vs %carga
Potencia al freno (KW)
6000,00
5500,00
5000,00
4500,00
4000,00
3500,00
3000,00
2500,00
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
% carga
Rendimiento total de ciclo
30,0%
Rendimiento total del ciclo vs %carga
Rendimiento total del ciclo
0,95%
0,90%
0,85%
0,80%
0,75%
0,70%
0,65%
0,60%
0,55%
11,0%
16,0%
21,0%
26,0%
31,0%
36,0%
41,0%
% carga
Rendimiento térmico
Rendimiento termico del ciclo
Rendimiento termico del ciclo vs % carga
5,90%
5,80%
5,70%
5,60%
5,50%
5,40%
5,30%
5,20%
5,10%
5,00%
11,0%
16,0%
21,0%
26,0%
31,0%
36,0%
41,0%
%carga
Flujo másico de vapor vs potencia de freno
Flujo masico de vaporKg/s)
Flujo masico de vapor vs potencia de freno
0,0515
0,0510
0,0505
0,0500
0,0495
0,0490
0,0485
0,0480
0,0475
0,0470
0,0465
2500,00
3000,00
3500,00
4000,00
4500,00
Potencia de freno
5000,00
5500,00
6000,00
Esquema de Sankey de acuerdo a la carga
12.5%
25%
37.5%