Universidad Nacional de Trujillo

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INDICE:I. GENERALIDADES1.1. Descripcin de la instalacin de vapor...... 1.1.1. Aplicacin o uso en la ingeniera 1.1.2. Caractersticas de Funcionamiento. Especificaciones. 1.1.3. Esquemas, Planos, Fotos.1.2. Importancia y/o justificacin (desde el punto de vista econmico, tecnolgico, ambientalII. MARCO TERICO/CONCEPTUAL... 2.1. Observaciones y/o hiptesis asumidas para los clculos, procesos termodinmicos y otros parmetros de la instalacin de la combustin.2.2. Deduccin de las ecuaciones empleadas para realizar el anlisis y auditoria energtica de la ITV....2.3. Seleccin de tablas y grficas sobre datos a emplear en el anlisis y auditora energtica de la instalacin de vapor......III. METODOLOGA O PROCEDIMIENTO163.1. Calcular los resultados usando las ecuaciones del capitulo IV. PRESENTACIN Y DISCUSIN DE RESULTADOS.4.1 Tablas( para los resultados de los clculos)4.2 Grficas o diagramas (para los resultados en funcin del rango asignadoV. CONCLUSIONESVI. ANEXOS.VII. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

RESUMEN

Este trabajo presenta el anlisis energtico en instalaciones de turbinas de vapor. El estudio abarcar teora, descripcin de los sistemas de turbinas a vapor 1. Introduccin.Las turbinas de vapor y gas se pueden clasificar de varias formas. La primera es de acuerdo a la direccin general del flujo del fluido de trabajo a travs de la mquina, es decir en flujo radial y flujo axial. Hoy da la mayor parte de las turbinas estn diseadas para el flujo axial del vapor o gas (no as los compresores), por lo que este captulo se dedicar principalmente al estudio de turbinas de flujo axial. La turbina de vapor Ljunstrom, usada principalmente en Europa es una turbina de flujo radial. El vapor fluye hacia afuera en direccin radial a travs de labes en rotacin. Juegos de labes alternativos giran en direcciones opuestas, por lo cual son posibles velocidades de vapor relativamente altas, lo que implica buena performance. Se han construido numerosas pequeas turbinas de flujo radial, sea con flujo del exterior hacia el eje o vice versa. Las turbinas de vapor y gas, a pesar de usar fluidos de trabajo muy diferentes, tienen muchos puntos comunes de diseo, construccin y operacin. Las mayores diferencias estn en las presiones y temperaturas de trabajo de estas mquinas. Para turbinas a vapor, la temperatura mxima est hoy limitada a unos 540 a 600C. En las turbinas de gas en cambio, la temperatura de ingreso de los gases a la turbina es de unos 1000C para las de uso industrial y hasta unos 1300C para turbinas a gas de uso aeronutico y alta performance. Las presiones mximas son de unos 35 MPa para turbinas a vapor (350 bar), y entre 4 y 2 MPa para turbinas a gas. El tener altas presiones de admisin requiere una construccin robusta para las turbinas de vapor, en cambio las turbinas de gas son de construccin ms liviana. 7. Aplicacin de las turbinas de vapor:

7.1 Sectores Empresas energticas Productores independientes de electricidad (IPP) Industria qumica Petroqumica / refineras Madereras, papeleras Minera, metalrgica y siderurgia, aceras Industria procesadora, cementera Industria azucarera, de etanol y de aceite de palma Industria de alimentos y bebidas.

7.2 Campos de aplicacin Plantas de ciclo combinado Plantas de cogeneracin (electricidad y calor) Plantas de recuperacin de calor Centrales energticas de biomasa Plantas incineradoras de basura Centrales termo-solares Plantas geotrmicas Accionamientos mecnicos Barcos / plataformas martimas

I. GENERALIDADESHistoria

La primera turbina de vapor de la que se tiene constatacin histrica es la construida por Her de Alejandra en el ao 175 a.J.Esta turbina estaba formada por una esfera hueca que giraba libremente sobre un eje diametral. Los extremos del eje s prolongaban en dos conductos que a la par que apoyaban la esfera hacan de conductos por los que ascenda el vapor hasta el interior de la misma.

A travs de dos espitas situadas segn un eje diametral perpendicularal de giro de la esfera,sala el vapor, en sentidos opuestos por cada una.

Este ingenio que transforma la presin del vapor en movimiento, constituye la primera turbina pura de reaccin.

La siguiente turbina de vapor aparece en 1629, cuando Giovanni Brance experiment con una rueda de agua modificada, dirigindole un chorro de vapor. La rueda gir, pero no tuvo l suficiente potencia como para producir trabajo til.

1.1. DESCRIPCION DE LA ITV

Turbina de Vapores una mquina de fluido en la que la energa de ste pasa al eje de la mquina saliendo el fluido de sta con menor cantidad de energa. La energa mecnica del eje procede en la parte de la energa mecnica que tena la corriente y por otra de la energa trmica disponible transformada en parte en mecnica por expansin. Esta expansin es posible por la variacin del volumen especfico del fluido que evoluciona en la mquina.

3. Definicin

La turbina de vapor es un motor trmico a combustin externa, funcionando segn el ciclo termodinmica de Clausius-Rankine. Este ciclo se distingue por el cambio de estado que afecta el fluido-motor que es en general vapor de agua. Este ciclo comprende por lo menos las etapas siguientes:

El agua lquida es puesta en presin por una bomba y enviada en direccin de la caldera. El agua es calentada, vaporizada y recalentada. El vapor se descomprimida y se enfra en la turbina realizando energa mecnica. El vapor descansado es condensado al contacto de la fuente fra al vaco parcial.

Determinacin de las causas de expansin no isoentrpicas

Los ciclos reales de las turbinas de gas difieren del ideal, debido a las irreversibilidades relativas al compresor y turbina y a las cadas de presin que se presentan a lo largo del sistema.El efecto de las irreversibilidades del ciclo real sobre el rendimiento, se muestra en un

Una compresin isentrpica alcanzara el punto 2s pero la compresin real llega a la presin p2 con una entropa correspondiente al punto 2 La expansin en la turbina, alcanza el punto 4 en lugar del 4s Las isobaras correspondientes a las presiones p1 y p2 ponen de relieve la prdida de carga en el combustor y en los conductos de conexin La desviacin del proceso entre los puntos 4 y 1, tericamente pertenecientes a una misma isobara, muestra el efecto de la cada de presin en el escape de la turbina y entrada del compresorEn general, el rendimiento de una instalacin simple de turbina de gas es bajo (25% 30%), por la alta temperatura de los gases de escape y por la potencia absorbida por el compresor de la planta (ms del 50% del generado en la turbina). El rendimiento del ciclo simple real se mejora utilizando, por ejemplo, un cogenerador que caliente el aire antes de introducirle en el combustor, a partir del calor cedido por los gases de escape, o con compresiones y expansiones por etapas.

Lasturbinas de vaporestn presentes en diversosciclos de potenciaque utilizan un fluido que pueda cambiar defase, entre stos el ms importante es elCiclo Rankine, el cual genera el vapor en unacaldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presin.

El trmino turbina de vapor es muy utilizado para referirse a unamquinamotora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar la energa del vapor, tambin al conjunto del rodete y los labes directores.

1.1.1. Aplicaciones o Usos

Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales elctricas de generacin de energa elctrica, cuyos componentes principales son: Caldera: su funcin es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina. Turbina: es la encargada de utilizar la energa del vapor de la caldera y transformarla en trabajo til para mover un generador elctrico. Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina. Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del condensador.

Otras de las aplicaciones de los ciclos de vapor son:

Ciclos de Vapor Binarios: la gran desventaja del agua es su temperatura crtica. Cuando se utiliza una caldera, el calor se le comunica al fluido a una temperatura constante y relativamente baja; empleando una sustancia con temperatura critica mucho ms alta. Como uno de los ciclos trabaja a temperaturas superiores a las del otro, el ciclo de temperatura alta suele llamarse frecuentemente ciclo superior.Observando el proceso, se advierte que tiene que existir una diferencia finita entre la temperatura de condensacin de potasio y las temperaturas de caldera y sobrecalentamiento del ciclo de vapor.Un inconveniente del ciclo binario es su alto costo econmico. No obstante, esto se vuelve menos importante al aumentar los costos del combustible.

Conversin de Energa Geotrmica: este tipo de energa se almacena en forma de vapor seco, agua caliente con metano gaseoso disuelto y rocas calientes secas. En un ciclo con dos fluidos, el fluido geotrmico transfiere energa trmica a travs de la superficie del cambiador de calor a un segundo fluido que se vaporiza a una temperatura mucho ms baja que el agua, para una presin dada

Conversin de la Energa Trmica Ocenica: los motores trmicos son dispositivos cclicos que reciben calor de una fuente a alta temperatura, producen una salida neta de trabajo y ceden calor a un sumidero a baja temperatura. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre la fuente trmica y el sumidero, mayor es el rendimiento terico de la conversin de energa. Otros mtodos consisten en utilizar ciclos combinados o de cogeneracin, que transforman una mayor cantidad de la energa que entra en salida til.

1.1.2. Caractersticas de Funcionamiento

Estas categoras incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, de recalentamiento, extraccin e induccin.

Las turbinas de No condensacin o de contrapresin son ms ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en procesos. La presin de salida es controlada por una vlvula reguladora para satisfacer las necesidades de presin en el vapor del proceso. Se encuentran comnmente en refineras, plantas depapel ypulpay en instalaciones de desalinizacin, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presin.Las turbinas condensadoras se encuentran comnmente en plantas de potencia elctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad mayor al 90%, a una presin bastante inferior a la atmosfrica hacia un condensador.Las turbinas de recalentamiento tambin son usadas casi exclusivamente en plantas de potencia elctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una seccin a alta presin de la turbina y es regresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una seccin de presin intermedia de la turbina y contina su expansin.Las turbinas de extraccin se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina de extraccin, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales, tambin puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo.

1.1.3. Esquemas, Planos y Fotos

II. MARCO TEORICO

2.1. Observaciones y/o hiptesis asumidas para los clculos, procesos termodinmicos y otros parmetros de la instalacin de combustin.

Se tienen las siguientes consideraciones para los clculos hechos en los procesos termodinmicos del ciclo Rankin de la instalacin de turbina a vapor: Temperatura de salida de los calentadores son iguales. No hay bomba que comprima el fluido del calentador de menor presin a mayor presin. Se consideran el calor especfico a presin constante como nico para todo el ciclo. Vlvulas de estrangulamiento isoentlpicas. Proceso de recalentamiento para cada etapa de la turbina. Se desprecia la variacin de energa cintica y energa potencial.Para la ITV en general tambin podemos considerar: Expansin multietapas. 2 calentadores cerrados, 1 calentador abierto 3 recalentamientos 4 turbinas

2.2. Deduccin de las ecuaciones empleadas para realizar el anlisis y auditoria energtica de la I.T.VAplicando la ecuacin de la energa por unidad de masa y en rgimen estacionario a cada componente por separado, se obtiene las expresiones del calor el trabajo del ciclo Rankine

Despreciando las variaciones de energa y potencial.

El calor suministrado a presin constante por unidad de masa es

El trabajo isoentropico de la turbina es

Y el calor cedido a presin constante en el condensador es

El rendimiento trmico

PROBLEMA

9. Discusin de la informacin recopilada:

El grupo ha dado varios puntos de vista, sobre los dibujos, las notaciones y sobre todo por llevar una lgica en todo el desarrollo (el profesor se dar cuenta que no hay incoherencias de ningn tipo entre un punto a otro).El hacer el trabajo coherente con toda la informacin que hay en la red y en libros fue lo que dificulto y ms por el punto de vista de cada uno.Al final nos decidimos seguir el modelo de un trabajo de una universidad espaola, y que precisamente tiene mucha similitud con el modelo que nos dio el profesor.No profundizamos en algunos temas ya que no tenemos an la capacidad de hacerlo, pero hicimos todo lo que estuvo a nuestro alcance para no entrar en lo superficial.

10. Conclusin y recomendaciones:

La informacin recopilada debe de ser de fuente fidedigna, si es posible que solo sea de libros confiables. Empezar con ciclos ideales es muy necesario, ya que nos facilita los clculos y nos da una amplia visin cuando luego pasemos a los fenmenos de la vida real. El estudio terico es muy importante ya que nos ampla la visin del fenmeno en si, este estudio nos servir para hacer proyecciones a futuro del funcionamiento de la turbina a vapor y tambin nos ayuda a tener en cuenta muchos parmetros que en la prctica a veces uno no se da cuenta.

Ingeniera MecnicaPgina 17