PRCTICADECICLORANKINEOBJETIVOSDELAPRCTICADeterminar los rendimientos absolutos y relativos de una central trmica de vapor,que funciona bajo un ciclo Rankine, que se deben considerar para realizar un balancedeenerga.MARCOTERICODELAPRCTICAElcicloRankinesimpleesunciclodepotenciaquetrabajaconvapordeaguaelmismoque es producido en una caldera a alta presin para luego ser llevado a una turbinadondeproduceenergacintica,dondeperderpresin.Sucaminocontinaalseguirhacia un condensador, donde el vapor cambia al estado lquido. Posteriormente, essuccionadoporunabombaqueaumentarlapresindelfluidoparapoderingresarlonuevamentealacaldera.Existen algunas mejoras al ciclo Rankine simple, como por ejemplo agregarsobrecalentadores a la salida de la caldera que permitan obtener vaporsobrecalentado para que entre a la turbina y aumentar as el rendimiento del ciclo.Otro tipo de mejoras al ciclo es por ejemplo utilizar regeneradores o recalentadores,losmismosqueparaeldesarrollodelaprcticanohacefaltaestudiarlos.Elequipodellaboratorio.El equipo del laboratorio consta de los elementos del ciclo Rankine simple (Caldera,Turbina, Condensador), adems tiene la primera de las mejoras antes mencionada esdecir los recalentadores que al momento no estn funcionando, por lo que de lacalderasalevaporsaturadoaaltapresinyconlossobrecalentadorestericamenteseconseguira vapor sobrecalentado. Adems despus del condensador se tiene unmotordevaporqueaccionaunabombaquellevaelcondensadoaltanquedeaguayposteriormente del tanque de agua se utiliza otra bomba para llevar el agua hacia lacaldera.En base a los elementos antes mencionados, el ciclo del laboratorio trabaja con 4presionesdiferenteslascualesson:En la caldera y los recalentadores se tiene presin alta hasta cuando el vaporingresaenlavlvuladecontrolEn la tubera entre la vlvula de control y la turbina se tiene presinintermedia.Desdequesaleelvapordesdelaturbinahastacuandoingresaelcondensadoalabombadevaci,setienepresinbaja(vaco).Se tiene presin atmosfrica una vez que sale de la bomba de vaci hastacuandoesbombeadahacialacaldera.Los elementos que dan un cambio de presin en el ciclo son las 2 bombas (sube lapresin),lavlvuladecontrolylaturbina(bajalapresin).Acontinuacinsepresentaun diagrama esquemtico del ciclo del laboratorio con los diferentes elementos ydondesepuedeobservarlasdiferentespresionesconlasquesetrabajaenelequipo:CONTROLVALVESUPERHEATERBOILERVACUUMPUMP WATERTANKTURBINEPUMPRANKINECYCLETEMPERATUREMEASUREMENTPANELCONDENSERSTEAMWATERSTEAM/WATERMIXTURECOOLINGWATERCOLORKEYCHANGEOFPRESSUREEn cada uno de los elementos del ciclo se realiza un proceso termodinmico, para locual como se puede observar en la figura anterior se han colocado puntos con surespectivanomenclaturaantesydespusdecadaunodelosprocesosyasuvezselovaarelacionarconelsiguientediagramaTemperaturaEntropa:ABCDEFG'GHP. CalderaP. IntermediaP. AtmosfricaP. Baja (Vaco)LosprocesossepuedenobservartantoenelesquemadeequiposcomoeneldiagramaTS,acontinuacinseexplicacadadeellos:AB.Seelevalatemperaturamanteniendoconstantelapresin,esteprocesosedaenlossobrecalentadoresypermiteobtenervaporsobrecalentadoenlugardevaporsaturado.(Actualmentenofuncionan).BC.Enlavlvuladeexpansintericamentesedaunprocesoisoentlpicoendondebajalapresinysetieneigualalasalidavaporsobrecalentado.CD. Es el proceso que se da en la turbina, idealmente es un procesoisentrpico en donde se genera un trabajo el cual posteriormente es utilizadoporungeneradorparaobtenerenergaelctrica.Alasalidadeesteprocesosetienecondensadoconunacalidadcercanaa1ovaporsaturadoperoaunapresinbajadevaco.DE. Es el proceso donde se condensa el vapor que sale de la turbina paraobteneragualquidaparaposteriormentevolverallevarlaalacaldera.EF.Conlabombadevaciqueesaccionadaporelmotordevaporsellevaelagua que sale del condensador hacia el tanque de agua donde se almacena lamismaqueposteriormenteingresaralacaldera.Aqusubelapresin.FG.Elaguallevadadesdeelcondensadoraltanquedeagua,semezclaconelagua que se encuentra ya en el tanque que est a una temperatura G,entonces se mezclan ambas y por ello el agua que es succionada por la otrabombasaleaunatemperaturaGqueeslatemperaturadelamezcla.GH. Con una nueva bomba se lleva agua desde el tanque hacia la caldera,paraposteriormentesercalentada.HA. Se produce el calentamiento del agua dentro de la caldera, en sta elagua gana en primer lugar calor sensible donde se calienta hasta latemperatura de saturacin a la presin de la caldera y posteriormente ganacalorlatenteporloquecambiadeestadodelquidoavapor.Normalmentedelacalderasale(enA)vaporsaturado.ValedestacarqueenlacalderaseaadecalorprovenientedelacombustinconelDiesel.MEDICIONESAREALIZARSEENLAPRCTICABsicamente se va a medir presiones y temperaturas antes de cada uno de losprocesos. A partir de las mediciones antes mencionadas se puede acudir a lastablas termodinmicas para encontrar las diferentes propiedades. Es importantedestacar que se debe tener en cuenta el estado del agua en cada uno de lospuntos, ya que puede estar como lquido comprimido, como mezcla, como vaporsaturadoocomovaporsobrecalentado.A continuacin se muestra una figura del equipo del laboratorio donde tieneubicadoslosdiferentespuntosdemedicindetemperaturasypresiones.Deacuerdoalsiguientegrficosesabeque:P=P1=P2=P3=Presinalta(Presindelacaldera)P4=PresinintermediaP5=P6=Presinbaja(Presindevaco),paralacual:Pabs=Patmquito(medidadelvacumetro)Lapresineneltanquedeaguaeslapresinatmosfrica.T, T1, T2, T3 deben ser las mismas debido a que no estn funcionando losrecalentadoresysinoseconsideralasprdidasdecalorenlastuberasdevapor.T5, T6 deben ser las mismas a la salida de la turbina y antes de ingresar alcondensador.T8 y T9 corresponden a las temperaturas de entrada y salida delcondensador del agua de enfriamiento es decir no son del agua del ciclo.ComoelaguadeenfriamientointercambiacalorconelcondensadorT9>T8.CONTROLVALVESUPERHEATERBOILERVACUUMPUMP WATERTANKTURBINECONDENSERPUMPOtro aspecto importante que se debe pedir es el flujo msico de agua tanto del ciclocomodelaguadeenfriamiento,paralocual:Flujo msico de agua del ciclo. Se lo realiza manualmente, despus delcondensador y la bomba de vaci existe una vlvula A que se la puede abrir ypor donde saldra el agua del ciclo, para esto se debe cerrar la vlvula B de lafigura.Una vez cerrada B y abierto A, se procede a recoger el agua que viene delcondensador en un recipiente que se conozca su medida de volumen y seprocedeatomareltiempoenquesedemoraenllenarelrecipiente.Entoncessesabeque:m =It- p ndesesabe: Do : Flujomsicodeagua. m : Volumendeaguarecogidoenelrecipiente.(lt)(1m3=1000lt) I Tiempoduranteelcualserecogiaguaenelrecipiente.(min) t: p: Densidaddelagua.(1000kg/m3)VACUUMPUMPWATERTANKPUMPCONDENSERBARECIPIENTEFlujomsicodeaguadeenfriamiento.Semideconunrotmetro(medidordeflujo),elcualdaelflujomsicodeaguaenIGPM(GalnImperialporminuto).Paralocualsesabeque:1GalnImperial=4.5461lt=1.2006galnUS=0.0045461m3Porloqueparatenerelflujomsicodelaguadeenfriamientosedeberealizarlasconversionesytambinmultiplicarporladensidadloqueacontinuacinseserva: obmug.cn]iu

= #I0PH-0.0045461m31 uuIon ImpcuI- 1uuukgm3= #I0PH- 4.S461jkgmn[Medicionesenelbancoderesistencias.Laturbinaquegeneraenergamecnicaestconectadaaungeneradormedianteunareduccindevelocidadde8:1,(laturbinagiraa24000rpmyelgeneradora3000rpm),el generador es de 50Hz (debidoa que esEuropeo) y est conectado a un banco deresistencias en la cual se mide el voltaje e intensidad y para calcular la potenciaelctricasedebetomarencuentaelngulodebidoaqueesdecorrientealterna.Loselementosmencionadosanteriormenteseobservanenlasiguientefigura:TURBINEELECTRICGENERATORRESISTANCE8:124000RPM3000RPMSemide:F,r,rpmSemide:V,I,nguloEnresumendelgrficoanteriorsesabe:En la turbina se obtiene energa mecnica y gira a 24000 rpm, sta velocidadangular se controla en la vlvula de expansin mediante un mecanismocentrfugo.Se tiene una reduccin de velocidad de 8 a 1. Por lo que el eje del generadorgiraa3000rpm.Enelgeneradorsetransformalaenergamecnicaenenergaelctrica.Aqusemide F (fuerza), r (brazo de palanca) y rpm (debe ser cercano a 3000), con loquesecalculalapotenciaenelejedelgenerador.El generador se conecta con un banco de resistencias para poder medir V, I ycon ngulo , con los datos antes mencionados se obtiene la potenciaelctrica.CLCULOSAREALIZARSEENLAPRCTICAAntes de realizar cualquier clculo se deben determinar las entalpas con laspresiones y temperaturas. De acuerdo con los puntos del diagrama TS y lastemperaturas y presiones que se mide, las entalpas se determinan en las tablastermodinmicassegnlossiguientesdatos:Entalpa(H)enelpunto: Presin Temperatura Entropia EstadodelAguaH(antesdelacaldera) Patm T7 LquidoComprimidoA(salidadelacaldera) P1 T1 VaporSaturadoB(salidarecalentadores) P1=P2=P3 T2=T3 VaporSobrecalentadoC(salidavlvulaexp) P4 T4 DeterminoSc VaporSobrecalentadoD(salidarealturbina) P5 T5=T6 MezclaLVD'(salidaisentrpicaturb) P5 Sd'=Sc MezclaLVE(salidacondensador) P5=P6 T7 LquidoSaturado Nota:Losrecalentadoresactualmentenoestnfuncionando. Conlosdatosanterioreslosclculosarealizarseson:Caloraadidoenlacaldera:A1

= m - (bA-bH) _K[min_Caloraadidoenlossob eca r lentadores:A2

= m - (bB-bA) _K[min_PotenciaISENTRPICA la de turbinawS1

= m - (bC-bi) _K[min_PotenciaREALdelaturbinawR1

= m - (bC-b) _K[min_Calorrechazadoenelco de n nsador:R

= m - (b-bL) _K[min_Elcalorrechazadotambinsepuedecalcularconlastemperaturasmedidasdelaguadeenfriamientoyelflujodeaguadeenfriamientoobtenidoconelrotmetrodelasiguientemanera:R

= muguu cn]i - Cp - (I9-I8) _K[min_Potenciaenelejedelgenerador:EnprimerlugarlaFuerzasemideeneldinammetroenlbf,elbrazodepalancalopodemosmedirdirectamenteenmetrosporloq ue:wc]c = F - r - 2n - rpm _lb - mmin_Se deben realizar las transformaciones para tener en jK]mn[ de la siguientemanera:#_lb - mmin_ -1kg2.2lb-9.8 N1kg-1 [1N - m-1K[1uuu [= # - (u.uu44S4)_K[min_ Porlotanto:wc]c = F - r - 2n - rpm- u.uu44S4_K[min_ Destacando que en la frmula la fuerza se ingresa en lbf y el r enmetros.PotenciaElctrica.Pot clcctrico = I - I - Cos( ) |w] SiIestenAmperiosyVenvoltios,lapotenciaestarenW. #|w] -1Kw1uuuw-1K[s1Kw-6us1 min= # - (u.u6)_K[min_ Porloque:Pot clcctrico = I - I - Cos( ) - u.u6 _K[min_ EnlafrmulaanteriorVenvoltios,Ienamperios.Eltrabajodelas2bombasseconsideraigualacero. DeacuerdoatodaslasfrmulasanterioresseobtieneelsiguientediagramaSankey:Deacuerdoaloexplicadoanteriormentesepuedencalcularlosdiferentesrendimientosexplicadosacontinuacin:Rendimiento trmico. Es la relacin del trabajo isentrpico de la turbinarespectoalasumadeloscalores adidosenelciclo. ant=wS1

A1

+A2

- 1uu%Rendimiento isentrpico de la turbina. Es el trabajo real desarrollado por laturbinasobreeltrabajoisentr ic po.nS1=wR1

wS1

- 1uu%Rendimiento del reductor. Es la relacin entre la potencia en el eje delgeneradoryeltrabajorealde atu i l rb na.nRcd=wc]c

wR1

- 1uu%Rendimientodelgenerador.E trelapotenciaelctricaobtenidaenelgeneradorconlapo n r.slarelacinente ciaenelejedelgeneradonu=Pot clcctricowc]c

- 1uu%Rendimiento total. Es el rendimiento total del ciclo y se calcular como elproducto de los 4 rendimiento como la relacin de la potenciaelctricaconrespectoala nelciclo.s anteriores osumadecaloresaadidosen1=Pot clcctricoA

1+A2- 1uu%n1= nt- nS1- nRcd- nu PROCEDIMIENTODELAPRCTICA.Operacionesprevias.Realizarelreconocimientodelequipoquesevaausarenlaprctica.Verificarsiexistesuficientecombustible.Verificarqueexistaaguaeneltanque,staaguaestratada.Procesodeprcticadelaboratorio.1.Encenderlacaldera.2.Esperarquealcancelascondicionesdefuncionamiento.3.Arrancarelgrupoturbogenerador.4.Concargacerotomarlasmedicionesantesmencionadas.5.Aplicar cargas mediante el banco de resistencias elctricas, cuando la calderavuelveaencender.6.Girarelrestatodecampoensentidohorariohastaqueelvoltmetromarque120Vestevoltajeservirparavariarlacarga.7.Girar hasta la posicin ON el dispositivo selector de la primera carga de valornominal0.55KW.8.Esperar que la caldera se apague y tomar datos, hacer lo mismo para lassiguientescargas.9.Aplicarlasegundacarga,girareldispositivoselectordelaprimeracargahastalaposicinOFFensentidohorario,giraralaposicinONeldispositivoselectordelasegundacargadevalornominal1.1KW.10. Aplicarlaterceracarga,girareldispositivoselectordelacargaunoalaposicinON mantenimiento la segunda carga encendida, la tercera carga resulta de lasumadelasdoscargas,valornominal1.35KW.11. Cerrarelgrupoturbogenerador.12. Apagarlacaldera.