Práctica 5.- Estudio de una central térmica de vapor (1)
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Memoria de Prácticas de Laboratorio: Práctica 5. – Estudio de una Central Térmica de Vapor 1 INGENIERÍA TÉRMICA Memoria de Prácticas de Laboratorio Profesora de Prácticas: Dª Eloísa Torres Jiménez Profesor de Prácticas: D. Ángel Gómez Moreno Profesor: D. José Manuel Palomar Carnicero Alumno: Isidoro Maya Agudo D.N.I. 53594818-B Titulación: I.T.I. especialidad Mecánica Grupo de Prácticas: 3 Alumno: Miguel Morales Gutiérrez D.N.I. 77359276-H Titulación: I.T.I. Mecánica y Electrónica Grupo de Prácticas: 1 Alumno: Arturo Sánchez Solís D.N.I. 77356324-X Titulación: I.T.I. Mecánica y Electricidad Grupo de Prácticas: 1
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INGENIERÍA TÉRMICA
Memoria de Prácticas de Laboratorio
Profesora de Prácticas: Dª Eloísa Torres Jiménez
Profesor de Prácticas: D. Ángel Gómez Moreno
Profesor: D. José Manuel Palomar Carnicero
Alumno: Isidoro Maya Agudo D.N.I. 53594818-B
Titulación: I.T.I. especialidad Mecánica Grupo de Prácticas: 3
Alumno: Miguel Morales Gutiérrez D.N.I. 77359276-H
Titulación: I.T.I. Mecánica y Electrónica Grupo de Prácticas: 1
Alumno: Arturo Sánchez Solís D.N.I. 77356324-X
Titulación: I.T.I. Mecánica y Electricidad Grupo de Prácticas: 1
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Índice
Introducción .................................................................................................. pag 4
Recordatorio: Ciclo de Rankine ............................................................... pag 5
Cálculos y Resultados ................................................................................. pag 8
Conclusiones .............................................................................................. pag 15
Bibliografía ................................................................................................. pag 16
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Introducción
Dada la importancia que tienen los sistemas de vapor en la mayor parte de los
procesos industriales, es necesario que el Ingeniero Industrial sepa cómo y cuál es su
funcionamiento. Esto va a ser especialmente importante para los estudiantes de la
especialidad de Mecánica, por lo que en esta práctica se va a tratar de introducir al alumno en
el conocimiento de dichos sistemas desde el punto de vista energético, analizando su
comportamiento por medio de un modelo real a menor escala.
Partiremos de la base alcanzada en la práctica 2, en la que se hizo un estudio general
de la central térmica de vapor, señalando sus diferentes partes así como la función que
realizaban cada una de ellas.
También se vio cual era el ciclo termodinámico que la regía, y es en esta parte en
donde nos vamos a centrar para la realización de esta práctica.
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Recordatorio: Ciclo de Rankine
Sea el siguiente sistema está formado por una
caldera, una turbina, un enfriador y un compresor.
El ciclo de Carnot es, de todos los ciclos que operan entre dos temperaturas extremas
dadas, el que tiene mayor rendimiento. Por este motivo sería el ciclo que nos interesaría como
ciclo de funcionamiento para una central de vapor.
Ilustración 2: Ciclo de Carnot para un fluido condensable en coordenadas p-v , T-s y h-s
Sin embargo, presenta una serie de limitaciones que hacen imposible su empleo. Al
modificar este ciclo para subsanar estas limitaciones obtendremos el ciclo de Rankine. De esta
forma, se conseguía que:
a) El proceso 3-4-5 finalice en el punto en el que se produce el cambio de estado de
vapor a líquido subenfriado, más fácil que si se detiene el proceso en 4
exactamente
b) Al realizar la transformación adiabática reversible 5-6, lo que estamos haciendo es
comprimir una sola fase, líquido, luego ya si se puede utilizar una bomba para
lograrlo
Ilustración 1: Esquema del ciclo termodinámico
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MEJORA DEL RENDIMIENTO DEL CICLO DE RANKINE
En la práctica 2 se señaló una serie de actuaciones para mejorar el rendimiento
del ciclo de Rankine, que iban encaminadas a aumentar la temperatura media de
absorción de calor y a disminuir la temperatura media de cesión de calor.
1. Aumento de la temperatura media de absorción de calor
Mientras el ciclo opera en la zona de vapor húmedo, la temperatura media
no puede sobrepasar el valor de la temperatura crítica de la sustancia que recorra
el ciclo.
Para evitar este inconveniente y mejorar el rendimiento se recalienta el
vapor saturado (punto 2) hasta el punto 2', consiguiendo así aumentar la
temperatura media de absorción en la caldera y por tanto el rendimiento
Con este recalentamiento se consigue además que a la salida de la turbina
el título aumente, o sea, que disminuya el contenido de líquido, lo que resulta
beneficioso para el buen funcionamiento de la turbina (no cavita).
2. Disminución de la temperatura media de cesión de calor
Esta disminución lleva consigo una reducción de la presión de trabajo del
condensador. Si observamos vemos que al reducir la presión del condensador
aumentamos el trabajo de la turbina (de 2-3 se pasa a 2-A) y a su vez aumenta
(aunque el efecto es menor) el calor absorbido (área bajo la curva 1'-1).
Ilustración 3: Ciclo de Rankine
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Al mantener las mismas condiciones de entrada a la turbina, el área rayada
en el diagrama representa el trabajo neto debido a la disminución de la presión del
condensador.
En nuestro caso concreto no se trabajará con la última de las mejoras
propuestas, que consistía en producir un recalentamiento intermedio del vapor
durante el proceso de expansión en la turbina, y antes de llegar a la expansión total.
Obviamente, el ciclo aquí analizado es un ciclo ideal, que presenta pequeñas
variaciones con respecto al ciclo real, que es con el que trabaja nuestra minicentral en
cuestión
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Cálculos y resultados
El ciclo termodinámico con el que vamos a trabajar en esta práctica es parecido al que
se muestra en la ilustración 4.
Sin embargo, podemos trabajar con algunas simplificaciones. Nos será de gran
importancia el hecho de que, en la transformación 0-1, el volumen específico permanece
constante, por ser agua en estado líquido el fluido de trabajo, y por tanto, incompresible.
Ilustración 4: Ciclo real aproximado de la central del laboratorio
Una vez puesta en marcha la instalación, se llevará ésta a unas condiciones
determinadas, para tomar las características principales.
Se tomará el tiempo que tardan en pasar de agua de refrigeración del
condensador, por un contador de agua, determinando así el flujo de agua , así como las
temperaturas a la entrada y salida de aquella en los tubos del condensador.
Después se hará lo propio con el consumo de combustible. Se medirá el tiempo que
tarda en consumirse un determinado volumen en el depósito de gasoil, obteniendo así el flujo
másico de combustible consumido .
Lo siguiente será tomar las lecturas de manómetros y termómetros en los diferentes
puntos del sistema, la potencia eléctrica generada por el generador (conocidas la tensión e
intensidad), y la velocidad angular de la turbomáquina.
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Los datos obtenidos por medición directa de la instalación de vapor, nos permiten
calcular las propiedades termodinámicas de todos y cada uno de los puntos de la instalación,
utilizando las tablas para vapor de agua saturada, o de líquido saturado, o bien haciendo uso
de las diversas fórmulas con que contamos:
(Calor específico del agua líquida)
En tosos los casos, la energía disponible o exergía se calculará como:
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Punto Presión (bar) Temperatura
(ºC) Temperatura
(K) Vol. Esp. (dm^3/kg) Entalpía (KJ/kg) Entropía (KJ/kg K) Exergía (KJ/kg)
a 1 19 292 1 19,0950 0,2812
0 1 19 292 1,0432 79,4200 0,2812 60,3250
1 6,4 20,35 293,35 1,0432 85,0533 0,3005 60,3380
2 6,4 170 443 _ 2778,5400 6,7800 861,8067
3 1 102 375 _ 2676,2000 7,3100 604,7067
4 1 80 353 1,0432 334,4000 1,0742 83,7474
Tabla 1: Propiedades termodinámicas del fluido de trabajo en los diferentes puntos de la instalación
Cuando tenemos los datos correspondientes a las propiedades termodinámicas de cada estado, nos fijamos en los datos de consumo de combustible y
flujo de agua de refrigeración de torre por unidad de tiempo, además de las temperaturas de entrada y salida del agua de refrigeración del condensador y la
potencia consumida en las resistencias eléctricas de la instalación. Apuntamos los diferentes valores marcados
Una vez hecho esto, vamos a proceder a calcular una serie de valores y parámetros que nos permitirán conocer cómo es el funcionamiento de la
instalación en su conjunto sometida a condiciones normales de operación.
El ciclo completo se puede considerar como un ciclo cerrado en el que cada uno de los componentes es un sistema abierto, y en el que la
salida de uno de ellos está conectada a la entrada del siguiente. Por eso, a cada uno de los componentes se le puede aplicar el Principio de
Conservación de la Energía, tratándolos como sistemas abiertos que son:
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a) Cálculo del flujo másico de vapor
Conocido el flujo de agua de refrigeración (obtenida por medición
del caudal de refrigeración entrante en un intervalo de tiempo
determinado), podemos proceder realizando un balance energético en el
condensador, considerando que el calor cedido por el vapor de agua es
totalmente absorbido por el agua de refrigeración. Así, se tiene que:
b) Calor aportado por el combustible. Rendimiento de la caldera
Una vez que sabemos el flujo de combustible (gasoil) utilizado
para la producción del calor (obtenida por medición directa), podemos
conocer el flujo de calor que es capaz de generar.
Para ello es necesario conocer el poder calorífico inferior de
combustible, que es una medida de la energía del combustible, que
depende del número de carbonos e hidrógenos que tiene en su
composición.
Se define el poder calorífico inferior como la cantidad de calor
por kilogramo de combustible quemado en exceso de aire, que se obtiene
al enfriar los gases de la combustión hasta el punto de ebullición dela gua
(sin que ésta condense)
A partir de aquí, podemos conocer el flujo de calor del
combustible como:
El rendimiento de la caldera se calculará como el cociente entre
el calor absorbido por el vapor de agua dentro de la misma y el calor que
cede el combustible al quemarse:
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c) Trabajo absorbido por la bomba
En este caso, aplicaremos el Principio de Conservación de la
Energía despreciando también el calor, por considerarse la transformación
0-1 isoentrópica (aunque en los cálculos de las propiedades no lo hayamos
hecho así). Se tiene así que:
Este trabajo es negativo porque es cedido al sistema
d) Calor aportado al ciclo por unidad de tiempo
Todo el calor aportado a la instalación provendrá de la única
fuente capaz de ceder calor: el combustible al quemarse.
El calor aportado al ciclo será igual al calor absorbido por el agua
en su paso por la caldera, y podemos calcularlo como sigue, haciendo uso
del Principio de Conservación de la Energía:
e) Trabajo mecánico de la turbina por unidad de tiempo (potencia de la
turbina)
De nuevo, tenemos que para el cálculo de la potencia de la
turbina, hemos de recurrir al empleo del Primer Principio aplicado a
sistemas abiertos:
f) Calor cedido en el condensador por unidad de tiempo
Este calor será igual al calor absorbido por el agua de
refrigeración en su paso por el condensador. Suponemos que todo el calor
cedido por el vapor es absorbido por el refrigerante. En ese caso:
Este calor es negativo porque es cedido por el sistema
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g) Rendimiento isoentrópico de la turbina de vapor
Se calcula con la formula que se muestra a continuación sabiendo
que la entalpia del punto 3 ideal se obtiene a partir de las tablas de
vapor saturado, para una entropía igual a la del punto 2, sin embargo, el
punto correspondiente a esas condiciones tiene una entalpía casi igual a la
correspondiente a vapor saturado para esas mismas condiciones, luego
tomaremos este por simplicidad ya que no va a afectar prácticamente:
h) Rendimiento energético del ciclo termodinámico de la central
Éste se puede calcular como el cociente entre el trabajo neto del
sistema, y el calor que es necesario aportar para que funcione la
instalación.
El trabajo neto será la suma de los trabajos tanto de la(s) turbina(s)
(positivos) como de las bombas (negativos)
El calor aportado será aquel que se consiga al quemar la mezcla
aire-combustible
En conjunto, se tiene que:
i) Rendimiento electromecánico del conjunto eje turbina-generador
eléctrico
Este rendimiento se puede calcular como el cociente entre la
potencia eléctrica obtenida a la salida del generador, dividida entre la
potencia que hace falta para producirla en la turbina de vapor. Tenemos
así que:
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j) Rendimiento global de la instalación
Este rendimiento es aquel que se obtiene como resultado al tener
en cuenta todas las posibles pérdidas de la instalación (se consideran
irreversibilidades térmicas en la caldera, mecánicas por rozamiento entre
las diferentes partes de la turbina, y las posibles pérdidas que introduzca
el generador eléctrico, y se desprecian las correspondientes a las bombas) .
Por tanto:
k) Si el combustible posee un 86% en peso de carbono, y cada kilogramo de
este elemento produce 3’667 kg de CO2, evalúe el flujo emitido de CO2 a
la atmósfera (kg/h) en las condiciones del ensayo, considerando una
combustión completa
Para poder calcular este parámetro, será necesario conocer la
proporción en peso del carbono por cada kilogramo de dióxido de carbono
(conocida), la proporción de carbono en el combustible (también
conocida), y la masa del combustible por cada litro del mismo, es decir, su
densidad. A partir de aquí:
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l) Exergía por unidad de tiempo captada por el agua al pasar por la caldera
(compare su valor con el del apartado b.4)
La exergía es una magnitud termodinámica que indica el máximo
trabajo teórico que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre el
sistema cerrado y entorno. Informa de la utilidad potencial del sistema, es
decir, de la capacidad para producir trabajo por parte de éste.
Para aclarar el concepto, podemos decir que la exergía es la parte
disponible de la entalpía; aquella capaz de ser utilizada por el sistema para
realizar un trabajo. Por tanto, el valor de la exergía siempre será menor que el
de la entalpía, pues aunque no haya ningún tipo de irreversibilidad, la entalpía
no es totalmente útil
Para el caso de la caldera:
El resultado del apartado d) era el siguiente:
Aunque se medía calor, en definitiva es energía, y en este apartado
calculamos exergía, que tal y como se ha expresado con anterioridad es la
parte que se puede aprovechar de la energía. Es evidente, a simple vista, que
en la caldera no se le saca partido al 100% de la energía, la exergía es mucho
menor. Para tener un valor cuantificable expresamos esta disminución en
tanto por ciento, y se obtiene que tan solo un de la energía es
aprovechable.
m) Exergía por unidad de tiempo eliminada del agua al pasar por el
condensador (compare su valor con el del ap. b.6)
De igual forma a como hemos procedido en el apartado anterior,
solo que haciendo ahora el balance exergético en el condensador, se llega
a qué:
Se hace la misma deducción que en el apartado anterior, para
comparar este valor obtenido, con este otro: ,
cierto es que los resultados son bastante diferentes, pero al cuantificarla en
tanto por ciento se tiene que esta es de un . Es decir, solo ese
porcentaje de la entalpía sería disponible, el resto no se podría utilizar, aunque
el sistema fuera totalmente reversible
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n) Pérdida de energía disponible al pasar el vapor por la turbina
De nuevo, planteando ahora el balance exergético a la turbina, se
llega a qué:
o) Rendimiento exergético del ciclo termodinámico
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Conclusiones
Tras realizar esta práctica, se deben haber asimilado ciertos conceptos, capacidades y
aptitudes inherentes al desarrollo de la misma, como son:
Operar con una instalación similar a una central de vapor convencional
Conocer los principios termodinámicos de funcionamiento de una central térmica.
Manejo de equipos de medida integrados en un sistema, tomando datos de
funcionamiento en unas condiciones determinadas.
Deducir, a partir de los datos leídos, parámetros físicos y termodinámicos en las
diferentes transformaciones de la máquina, para aquellas condiciones.
Representación de ciclos termodinámicos en diagramas adecuados.
Complementar algunos aspectos teóricos sobre consumos y evaluación de
propiedades termodinámicas, necesarios para su aplicación práctica.
Comprender la importancia del análisis teórico aprendido en teoría, sobre la realidad
del funcionamiento de plantas de potencia.
Entender la repercusión que tiene sobre el medio ambiente la utilización de
combustibles fósiles.
Concluida la práctica, y en base a los resultados obtenidos durante el desarrollo de la
misma (se ha tratado de explicar de forma resumida pero basándose en el fundamento teórico
los porqués de cada caso), se puede terminar exponiendo que los objetivos previos planteados
se han logrado, de forma que ahora el alumno es capaz de realizar un análisis cuantitativo y
cualitativo de una central térmica para la obtención de electricidad desde el punto de vista
termodinámico, y es capaz de comprender lo que está ocurriendo en los diferentes puntos de
la instalación en cada instante.
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Bibliografía
Para el desarrollo de esta práctica nos hemos servido tanto de Internet como de los
apuntes que nos han sido facilitados por el profesor de la asignatura para realizarla
correctamente. Más concretamente hemos utilizado:
Apuntes del profesor: D. José Manuel Palomar Carnicero
Tema 13.- Centrales de Vapor
Tema 14.- Ciclo térmico en centrales de vapor. Ciclo Rankine
Apuntes de prácticas:
Memoria de prácticas nº 5.- Estudio de una central térmica de vapor
