UNIVERSIDAD FERMIN TORO

VICE-RECTORADO ACADEMICO

FACULTAD DE INGENIERIA

ING MANTENIMIENTO MECANICO

EJERCICIO CICLO RANKINE

Abel FongC.I: 23.553.666

En un ciclo Rankine con sobrecalentamiento y recalentamiento se utiliza “vapor de agua”como

fluido de trabajo. El vapor entra en la primera etapa de la turbina a 10.0 Mpa, 500 ◦C y se

expande hasta 0,7 Mpa. Este se recalienta entonces hasta 470 ◦C antes de entrar en la segun-

da etapa de la turbina, donde se expande hasta la presion del condensador de 0,01 Mpa. La

potencia neta obtenida es 180 MW. Determınese:

a) El rendimiento termico del ciclo.

b) El flujo masico, enKg

h.

c) El flujo de calor Qs cedido por el vapor en el condensador, en MW.

Turbina de Alta Presion:

Para P3 = 10Mpa se tiene que Tsat3 = 311◦C, entonces T3 > Tsat3; por lo tanto el vapor

entra sobrecalentado a la turbina.

En la tabla de vapor sobrecalentado se ingresa con los valores P3 = 10Mpa y T3 = 500◦C

y se consigue: h3 = 3375, 1kJ

kg; s3 = 6, 5995

kJ

kgK.

Como el proceso en la turbina es isentropico, se tiene entonces que s4 = s3. Para conocer

el estado termodinamico del vapor a la salida de la turbina, vamos a obtener con el valor de P4

el valor de la entalpıa h.

Para P4 = 0, 7Mpa se tiene que s4f = 1, 9918kJ

kgK; s4g = 6, 7071

kJ

kgK⇒

s4f < s4 < s4g; lo que indica que por la salida de la turbina de alta presion discurre una

mezcla de liq + vap. La calidad de la mezcla se calcula de acuerdo a

x4 =s4 − s4fs4g − s4f

=6, 5995− 1, 9918

6, 7071− 1, 9918⇒ x4 = 0, 98.

entonces la entalpıa de la mezcla a la salida de la turbina se consigue mediante

h4 = h4f + x4h4fg

y: h4f = 697Kj

kg; h4fg = 2065, 8

kJ

kg; luego:

h4 = 697 + 0, 98 ∗ 2065, 8 ⇒ h4 = 2721, 48kJ

kg.

Turbina de Baja Presion:

La presion a la entrada de la turbina de baja presion, es la misma que en el punto 4, ya

que el proceso termodinamico de ganancia de calor por parte del vapor en la caldera ocurre a

presion constante. Es decir: P5 = P4.

3

Para P5 = 0, 7Mpa se tiene que Tsat5 = 164, 95◦C; entonces T5 > Tsat5; por lo tanto el va-

por entra sobrecalentado a la turbina de baja presion.

Como; tanto el valor de la presion y la temperatura en el punto 5 no aparecen en las ta-

blas de vapor recalentado, recurrimos a interpolar para conseguir los valores de s5 y h5.

Para P=0,6 Mpa y T=470 ◦C, se tiene

s′5 − 7, 7097

470− 400=

8, 0041− 7, 7097

500− 400⇒ s

′

5 = 7, 9158kj

kgK

h′5 − 3270, 8

470− 400=

3483, 4− 3270, 8

500− 400⇒ h

′

5 = 3419, 62kj

kg

Para P=0,8 Mpa y T=470 ◦C, se tiene

s′′5 − 7, 5735

470− 400=

7, 8692− 7, 5735

500− 400⇒ s

′′

5 = 7, 7805kj

kgK

h′′5 − 3267, 7

470− 400=

3481, 3− 3267, 7

500− 400⇒ h

′′

5 = 3417, 22kj

kg

Para P=0,7 Mpa y T=470 ◦C, se consigue

s5 − 7, 9158

0, 7− 0, 6=

7, 7805− 7, 9158

0, 8− 0, 6⇒ s5 = 7, 8482

kj

kgK

h5 − 3419, 62

0, 7− 0, 6=

3417, 22− 3419, 62

0, 8− 0, 6⇒ h5 = 3418, 42

kj

kg

Como el proceso termodinamico en la turbina de baja presion es isentropico, entonces se tiene

que s6 = s5.

Ahora con P6 = 0, 01Mpa, se consiguen los valores de entropıa s6f y s6g

s6f = 0, 6492kj

kgK; s6g = 8, 1488

kj

kgK⇒ s6f < s6 < s6g

4

entonces de la turbina de baja presion sale una mezcla de lıquido + vapor de agua que debe

ingresar al condensador. La calidad de esta mezcla se calcula de acuerdo a

x6 =s6 − s6fs6fg

=7, 8482− 0, 6492

8, 1488− 0, 6492⇒ x6 = 0, 96

luego:

h6 = h6f + x6h6fg, y: h6f = 191, 81kj

kg; h6fg = 2392, 1

kj

kg

h6 = 191, 81 + 0, 96x2392, 1 ⇒ h6 = 2488, 23kj

kg

El proceso en el condensador se realiza a presion constante, por lo tanto P1 = P6. A la entrada

de la bomba, la sustancia entra como lıquido saturado (x1 = 0); entonces:

h1 = h1f = 191, 81kj

kg; v1 = v1f = 0, 00101

m3

kg; s1 = s1f = 0, 6292

kj

kgK

Por otro lado; P2 = P3 y s2 = s1

Wbomba = WB = h2 − h1 ⇒ h2 = h1 +WB; y WB = v1(P2 − P1)

WB = 0, 00101m3

kg(10000− 10)kpax

1kj

1kpaxm3= 10, 09

kj

kg

⇒ h2 = 191, 81 + 10, 09 = 201, 9kj

kg

A continuacion se muestra el diagrama Temperatura-Entrop

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ıa

a) El rendimiento termico del ciclo se calcula de acuerdo a

η =Wneto

QH

=WT1 +WT2 −WB

QH

en donde

WT1 = h3 − h4 = 3375, 1− 2721, 48 = 653, 62kj

kg

WT2 = h5 − h6 = 3418, 42− 2488, 23 = 930, 19kj

kg

QH = (h3 − h2) + (h5 − h4) = (3375, 1− 201, 9) + (3418, 42− 2721, 48) = 3870, 14kj

kg

η =653, 62 + 930, 19− 10, 09

3870, 14∗ 100 ⇒ η = 40, 66%

b) El flujo masico se obtiene a partir de

m =Wneta

Wneto

=180MW

(653, 62 + 930, 19− 10, 09)=

180

1573, 72

kgMW

kjx1000kW

1MWx1kj/s

1kWx3600s

1h

6

m = 411763, 21kg

h

c) El flujo de calor Qs cedido por el vapor en el condensador viene dado por

Qs = Qsm; y ademas : Qs = h6 − h1 ⇒ Qs = m(h6 − h1)

Qs = 411763, 21kg

h∗ (2488, 23− 191, 81)

kj

kg∗ 1h

3600s∗ 1MW

1000kW= 262, 66MW.

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UNIVERSIDAD FERMIN TORO

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA

CABUDARE, EDO. LARA

Abel Muñoz Fong C.I: 23.553.666

CALDERAS

son

instalaciones industriales

que

vaporizan el agua

para

Aplicaciones en la industria

Inventada por

Desarrollada por

Dionisio Papin en 1769

James Watt en 1776

partes

Cámara de agua

Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera

Con gran volumen de agua

de mediano volumen de agua de pequeño

volumen

mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del agua

Cámara de vapor

espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera

aumenta la superficie de

calefacción, sin aumentar

el volumen total del agua se aumenta la superficie de

calefacción.

tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas

son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor

y

Se distinguen

Son la parte principal de la caldera, y los colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc

Los tubos

Se construyen en una amplia variedad de tamaños, disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas

Es un recipiente de acero donde se quema un combustible y el calor generado en la reacción de combustión se transmite al agua liquida y se produce vapor de agua

De Gran Volumen de Agua

Calderas Sencillas

Calderas con Hervidores

Calderas de Hogar Interior

En la parte central superior se encuentra el vapor más seco de la caldera, que se conduce por cañerías a las máquinas

Se componen de un cilindro de planchas de acero con fondos combados montados sobre mampostería de anillos refractario

Los hervidores son unos tubos que se montan bajo el cuerpo cilíndrico principal

Presenta mayor superficie de calefacción o de caldeo, sin aumento de volumen de agua Mayor es la

producción de vapor

Debido a la diferencia de dilatación entre la caldera y los hervidores hay escape de vapor que pueden provocar ruptura

Contienen en su interior uno o dos grandes tubos sumergidos en agua, en cuya parte anterior se instala el hogar

Los tubos hogares se construyen generalmente de plantas onduladas, para aumentar la superficie de calefacción y resistencia al aplastamiento

Caldera Semitubular Caldera Locomotora

Calderas de Galloway

Locomóviles

Calderas Marinas

Semifijas Calderas Combinadas

Mediano Volumen de Agua

Los tubos se colocan expandidos en los fondos de la caldera, se sitúan diagonalmente para facilitar su limpieza interior.

Tienen mayor superficie de calefacción

Se compone de su hogar rectangular, llamada caja de fuego seguido de un haz tubular que termina en la caja de humo. El nivel del agua queda sobre el ciclo del hogar, de tal manera que éste y los tubos quedan siempre bañados de agua

Tienen uno o dos tubos hogares cónicos y inclinados en distintos sentidos reciben el calor de los gases por su superficie exterior, aumentando la superficie total

de calefacción de la caldera.

Se emplea en faenas agrícolas se monta sobre ruedas y mazos para el traslado a tiro y tiraje forzado al igual forma que las locomotoras

Estas calderas son de tubos de humo y de agua usadas en los buques En la parte inferior van dos o tres y hasta cuatro tubos hogares, que terminan en la caja de fuego, rodeado totalmente de agua

Se usan en plantas eléctricas, aserraderos, molinos, etc. se compone de un cilindro mayor, donde se introduce el conjunto de hogar cilíndrico y haz de tubos, apernado y empaquetados en los fondos planos del cilindro exterior.

Son las calderas de hogar interior y semitubular, unidas sus cámaras de agua y de vapor, por tubos verticales. El agua de alimentación se entrega a la caldera superior y una vez conseguido el nivel normal de ésta, rebalsa por el tubo vertical interior a la cámara de agua de la cámara inferior

Calderas de Pequeño Volumen de Agua

Acuotubulares

El agua está dentro de los tubos, se logra una presión de trabajo mayor, usadas a principios de siglo. La salida del vapor es a mayor temperatura

Utiliza quemadores ecológicos . Son equipos tipo paquete

Corto tiempo de arranque para producción de vapor

Alta eficiencia térmica. Trabajar a altas presiones. Su vapor es seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento.

Son INEXPLOSIBLE

Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.

Ventajas

Calderas mixtas o intermedias, se obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un sobrecalentador

STEINMÜLLER

OLMAR

Marcas

Tienen un tubo de gran diámetro en su interior y se acoplan una serie de colectores por los que circula el agua.

Stirling

Con tubos de Humo y de Agua

Están compuestas de un cilindro mayor con un hogar cilíndrico y tubos de humo, de agua o de ambos a la vez

Tienen tres colectores superiores dispuestos paralelamente entre sí, con sus cámaras de vapor interconectadas por tubos de acero. Consumen hulla u otro combustible sólido, como también líquidos o gaseosos

Borsig

Compuesta de un colector superior de agua y vapor, unido al inferior de agua e impurezas por un haz de tubos verticales curvados en sus extremos, para facilitar su expandidura

Babcock- Wilcox

Fácil accesibilidad a su interior y están diseñadas para pequeñas industrias tales como tintorerías, lavanderías, lácteos, panaderías

Compuesta de uno hasta tres colectores superiores de agua y vapor, unidos al haz de tubos rectos inclinados por ambos extremos y el colector inferior de impurezas

Yarrow y Thornycroft

La Yarrow tiene los colectores inferiores achatados para así facilitar la expandidura de los tubos. La Thornycroft tiene tubos curvos, que entran radialmente a los colectores, aumentando también su longitud y superficie y superficie de calefacción de la caldera.

Usadas en buques de vapor

Pueden quemar hulla o petróleo.

De encuentran las calderas verticales

Pirotubulares

Calderas Pirotubulares

Usadas para aprovechamiento

de gases de recuperación

Horizontales OLMAR

La cámara tornafuego refrigerada por

agua en su interior y la ondulación del

tubo hogar

Estrictos controles durante el

proceso de fabricación

Dispone en la parte de atrás de una puerta

abisagrada y de apertura total que deja

al descubierto todo el interior.

La facilidad de manipulación y la total

accesibilidad, para la limpieza y mantenimiento

desde el exterior, incluso inmediatamente

después de haber detenido el quemador

El cuerpo está formado

por un cuerpo cilíndrico

horizontal

La circulación de gases se realiza desde una

cámara frontal hasta la zona posterior donde

termina su recorrido en otra cámara de salida

de humos

UNIVERSIDAD FERMIN TORO

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA

TERMODINAMICA Y MAQUINAS TERMICAS

Abel Muñoz Fong

C.I: 23.553.666

Formación de depósitos

Incrustación

Corrosión por Oxidación del metal

Fragilización cáustica

Formación de Espumas

CALIDAD DEL AGUA

ACCIONES CORRECTIVAS Remoción del oxigeno

Desincrustante Ecológico

Proceso de ablandamiento tradicional

formulación para

incrementar el pH reactivo que reacciona

químicamente con el

oxigeno residual

membrana que remueve

el oxigeno y bióxido de

carbono

filtro de micro filtración

filtro de multimedia

caldera

agua de rechazo

fuente de suministro de agua

agua producto

sin sales

ESQUEMA DE TRATAMIENTO Riego

Limpieza