Práctica 7 lab.máquinas térmicas, UNAM FI, Turbina de vapor y condensadores

REPORTE 7: turbina de vapor y condensadores

NOMBRE: LEGAZPI ASCENCIO AXHEL

GRUPO: 8

LAB. DE MÁQUINAS TÉRMICAS

Fecha de realización/: 8/09/2016FECHA DE ENTREGA: 20/09/2016

LAB. DE MÁQUINAS TÉRMICAS. TURBINA DE VAPOR Y CONDENSADORES

Objetivos particulares

El alumno:I. Describe detalladamente cómo se transforma la energía en una turbina de vapor.

II. Calcula la eficiencia total de una turbina de vapor, determinando para esto, las entalpías de cada uno de los estados termodinámicos del ciclo y gasto de vapor que circula por la instalación.

III. Realiza un análisis del comportamiento del condensador de flujo cruzado instalado.

Reporte:

1. Revise el video anexo y conteste. (20%)

1.1 ¿Cuál es la función de la carcasa de la turbina? Es una cubierta envolvente que actúa como barrera de presión y minimiza la perdida de vapor al mismo tiempo que conduce el flujo de la energía de una manera eficiente también soporta anillos de alabes estacionarios que sirven para dirigir el flujo de vapor en la dirección adecuada contra los alabes rotatorios y cuenta con una serie de montajes de sellos del cuello en los puntos donde pasa el rotor.

1.2 Describa como se equilibran los esfuerzos mecánicos a la que está sometido el rotor de la turbina El vapor después de pasar por el componente de alta presión es regresado a la caldera para calentarlo a su temperatura original y después pasa por el componente de presión intermedia que está diseñado para que el vapor tenga una trayectoria en dirección contrario a la del componente de alta presión , al expandirse el vapor al empujar los alabes de la turbina se impone en el rotor una fuerza en dirección del flujo de vapor, pero se requiere de extracciones controladas y posicionamiento de alabes estacionarios porque las fuerzas no son iguales.

1.3 ¿Cómo se controla el flujo de vapor que ingresa a la turbina? Con la caja de vapor , valvula de marcha y las válvulas gobernadoras montados a ambos lados de la turbina y son controladas de manera electro hidráulica y para la admisión del vapor recalentado incluyen válvulas interceptoras de admisión.

1.4 ¿De qué tipo es la turbina del video y por qué? (Acción (pasos de presión o velocidad) o reacción) Es una turbina de reacción porque tiene una corona de paletas fijas y otra de paletas móviles


2. Resolver: (25%) 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 8.0 MPa y 480°C y se expande hasta 0.7 MPa. Este se recalienta entonces hasta 440°C antes de entrar en la segunda etapa de la turbina, donde se expande hasta la presión del condensador de 0.008 MPa. La potencia neta obtenida es 100 MW. Considerar la eficiencia isentrópica de la turbina de 90% en sus dos etapas. Para las bombas despreciar su desviación de la condición ideal. Verificar, completar y calcular:

Estado Presión Temperatura

calidad Entropía Entalpía

1 80 480 NA 6.6444 3345.72t 7 164.95 0.9865 6.6444 2734.912r 7 178 NA 6.78175 2794.653 7 440 NA 7.75962 3353.894t 0.08 41.5 0.9384 7.75962 2428.074r 0.08 41.51 0.976 8.04535 2520.655 0.08 41.51 0 0.5925 173.886 80 41.74 NA 0.5925 181.89

bar °C KJ/Kg K KJ/Kg

Calculo de entalpias Para h1 y s1 De tablas de vapor sobrecalentado h1=3345.7 (KJ/Kg)

S1=6.6444 (KJ/Kg K) Para h2tDe tablas con P2t=7 bar obtenemos hf2t y hfg2t de tablas de vapor húmedo

Datos hf2t =697 (KJ/Kg) sustituyendo hf2t, hfg2t y x2t en hfg2t =2065.8 (KJ/Kg) h2t=hf+x2t *hfg2t= 2734.91 (KJ/Kg)x2t=0.9865

Para h2rCon la eficiencia isentropica de la turbina del 90%

Datos η isentropica =.9 Despejando h2t y sustituyendo h1=3345.7 (KJ/Kg) η isentropica =h1−h2 r

h1−h2th2t=2734.91(KJ/Kg)


h2r=h1- η isentropica (h1-h2t)= 2794.65 (KJ/Kg)

Obteniendo calidad x2rDatos de tabla de vapor húmedo hf2t =697(KJ/Kg) sustituyendo hf2t, hfg2t y h2r en x2rhfg2t =2065.8 (KJ/Kg) x2r=(h2r-hf)/hfg =1.015 h2r=2794.65 (KJ/Kg) ∴=vapor sobrecalentado

Para T2rInterpolando h para P2r= 7 bar con presión de 6 bar y 8 bar y temperatura 158.83 °c y 170.41°c respectivamente, en tablas de vapor sobrecalentado:

P=0.7 y T=164.95 °C ha=2762.25 (KJ/Kg)

Interpolando h para P2r=7 bar con presión de 6 bar y 8 bar y temperatura de 200°c, en tablas de vapor sobrecalentado:

P=0.7 y T=200 °C hb=2845.2 (KJ/Kg)

Interpolando T para h2r =2794.65 (KJ/Kg) con T=164.95°c y ha=2762.25 (KJ/Kg) y con , T=200 °C y hb=2845.2 (KJ/Kg)

h2r =2794.65 (KJ/Kg) T2r=178 °C

Para s2rInterpolando S para P2r= 7 bar con presión de 6 bar y 8 bar y temperatura 158.83 °c y 170.41°c respectivamente, en tablas de vapor sobrecalentado:

P=0.7 y T=164.95 °C ------ Sa= 6.71045 (KJ/Kg K)

Interpolando S para P2r=7 bar con presión de 6 bar y 8 bar y temperatura de 200°c , en tablas de vapor sobrecalentado:

P=0.7 y T=200 °C ------ Sb=6.893 (KJ/Kg K)

Interpolando S para T2r=178 °C con T=164.95°c y Sa= 6.71045 (KJ/Kg K) y con, T=200 °C y Sb=6.893 (KJ/Kg K)

T2r=178.002 °C ------------------S2r= 6.78175 (KJ/Kg K) Para s3 y h3

De tablas de vapor sobrecalentado interpolando S para P3=7 bar T [°C] S[KJ/Kg K] Interpolando para T3=440 °C400--------7.6416 S3=7.75962 (KJ/Kg K) 500--------7.93665


De tablas de vapor sobrecalentado interpolando h para P3=7 bar T [°C] h[KJ/Kg ] Interpolando para T3=440 °C400--------3269.25 h3= 3353.89 (KJ/Kg) 500--------3482.35

Para x4tObteniendo calidad x4tDatos de tabla de vapor húmedo con P4=0.08 bar

sf2t =0.59088 (KJ/Kg K) sustituyendo hf2t, hfg2t y h2r en sfg2t =7.6389 (KJ/Kg K) x2r= (s3-sf)/sfg =0.93844s3=7.75962 (KJ/Kg K)

Para h4tDe tablas con P4=0.08 bar obtenemos hf4t y hfg4t de tablas de vapor húmedo

Datos hf4t =173.36 (KJ/Kg) sustituyendo hf2t, hfg2t y x4t en hfg4t =2402.62 (KJ/Kg) h4t=hf+x4t *hfg4t= 2428.07 (KJ/Kg)x4t=0.93844

Para h4rCon la eficiencia isentropica de la turbina del 90%

Datos η isentropica =0.9 Despejando h4t y sustituyendo h3=3353.89 (KJ/Kg) η isentropica =h3−h 4 r

h3−h4 t

h4t=2428.07 (KJ/K) h4r=h3- η isentropica (h3-h4t)= 2520.65 (KJ/Kg)

Obteniendo x4r con h4r,hf4, hfg4

x4r=0.976

Para s4r


Datos de tabla de vapor húmedo con presión 0.08 bar Sf4r =0.54288(KJ/Kg K) sustituyendo sf2t, sfg2t y x4r en Sfg4r =7.687 (KJ/Kg K) s4r=sf4r+x4r (sfg4r) =8.04535( KJ/Kg K) x4r=0.976

Para S5 y h5 De tablas de vapor humedo

s5=Sf5=0.5925(KJ/Kg K) h5=hf5=173.88(KJ/Kg ) • Para h6

De tablas de agua comprimida h6=181.89 (KJ/Kg)


b) El flujo másico de vapor, en toneladas/h

Trabajo de salida (turbinas) Turbina 1

Balance de energía wt1=h1-h2r=3345.7-2794.65=551.05(KJ/Kg)

Turbina 2Balance de energía wt2=h3-h4r=3353.89-2520.65=833.24(KJ/Kg)

Trabajo de entrada (bomba) wb=h6-h5=181.89-173.88=8.01(kJ/Kg)

Trabajo neto wneto =wt1+wt2-wb=1376.28(KJ/Kg)

Flujo masico despejando flujo másico Wneto=m∗wneto m=

W netowneto = 100000kw

1376.28(KJ /Kg)=72.77 (Kg/s) m=72.77 *(1 Ton/1000Kg) *(3600s/1h)=261.972(Ton/h) c) Las perdidas internas y externas en la turbina, en MW

Perdidas internas

Winternas = m (h2r−h2t+h4 r−h 4 t )=¿0.01106 Mw

Perdidas externas

Wf1=h1-h2t=610.79 (KJ/KG)

Wf2=h3-h4t=925.82 (KJ/KG)

Wexternas = m (wf 1−(h1−h2 r )+wf 2−(h3−h 4 r ))=¿ 0.0110675Mw


3. Reporte de la actividad práctica. Memoria de cálculos (incluir cálculos condensador) y línea Willan’s. (50%)

5-6 suministro de calor isobárico (caldera)

6.1 suministro de calor isobárico

1-2 expansión isentálpica h1=h2

2-3t expansión adiabática isentropica

2-3r expansión real (politropica)

3-4 Rechazo de calor isobárico

4-4’ trabajo de bombeo (adiabático isentropico) externo

Lectura N F MT t 5ta lectura


1 5000 4.3 4.9 60 P1 6.2 Kg/cm2

2 5000 6.5 5.68 60 P3 16.5 inHg

3 5000 8.4 6.7 60 T1 196 °C

4 5000 10.8 7.7 60 T2 180 °C

5 5000 13.2 8.95 60 T3 104 °C

RPM lbf Kg s T4 48 °C

Ta1 39 °C

Ta2 52 °C

T5 30 °C

a) Calculo de entalpias

Para h5Cp=4.186 (KJ/Kg K)h5=Cp(T5-0°C)=4.186(303.15-273.15)=125.58(KJ/Kg)

Para h4h4=Cp(T4-0°C)=4.186(321.15-273.15)=200.928(KJ/Kg)

Para h6De tablas de vapor húmedo con P1 absoluta

Datos Sustituyendo datos P1abs= P1+Patm= 608.012+78.0876=686.308KPa h6=hf+x hfg=2679.18(KJ/Kg)hf6=693.462(KJ/Kg)hfg6=2068.46 (KJ/Kg)x=96

Para h1De tablas de vapor con P1 absoluta

Datos De tablas de vapor sobrecalentado P1abs=686.308KPa h1= 2837.044(KJ/Kg)T1=196°CInterpolando con P1abs con temperatura de 196°C


T (°C) h(KJ/Kg) 164.1 2761.42 Interpolando para T=196 °C200 2845.94

Para h2h2=h1=2837.044(KJ/Kg)

Para h3rDatos P3abs= Patm-P3=78.0876-55.87541=22.2122 KPa T3=104°Ch3r de tablas de vapor sobrecalentado con P3 abs y T3Interpolandoh3r=2693.62 (KJ/Kg)

Para h3tEl estado 3t puede estar dentro o fuera de la campanaComprobaciónS2=S3tS2 de tablas digitales de vapor sobrecalentado con T2 y h2S3t=7.91733(KJ/Kg k)

De TVS Sg con P3 absSg3=7.873 sg3<s3tEsta afuera de la campanaDe tablas de vsc interpolando con presión P3abs y s3th3t=2628.81

b)Gasto de vaporM tara=0.25 [kg]M condensado =masa total – masa tara =8.95-0.25=8.7 [Kg]

m=masa de condensado/tiempo =8.7/60=0.145 [Kg/s]

c) Potencia al frenod=0.4 mN=5000 F=13.2 lbs *(0.4535 kg /1lbs)*9.81(m/s2)=58.7246 NWf=T*w=(F*d)(2πN/60)=

F(N) Wf(Kw) m


19.1339 4.00739 0.077528.9233 6.05768 0.090537.3779 7.82841 0.107548.0572 10.0651 0.124158.7246 12.2993 0.145

d)Eficiencia de la turbina Internaηi=trabajo real/trabajo teórico*100=(h1-h3r)/(h1-h3t)*100=68.87%

Mecánicaηmec=Wf/potencia real*100=Wf/m(h2-h3r)*100=59.1412%

Totalηtot=potencia efectiva/potencia real*100=Wf/m(h2-h3t)*100=40.7343%

e) Perdidas de energía en la turbina Internas

Pi=m*((h2-h3t)-(h2-h3r))=9.39 kw Externas

Pe=wf-(h2-h3r) m=-8.497 Kw

g) Cálculos condensador g.1 gasto de agua de enfriamiento [Kg/H]

Aplicando la primera ley de la termodinámica

MH2O*Cp*(Ta2-Ta1)=m (h3r-h4)Despejamos MH2OMH2O=(.145*(2693.62-200.92.8))/(4.186(325.15-312.15))=6.6419 [Kg/s]

g.2 Área o superficie de transferencia de calor

A=diámetro*Lt*ntDiámetro=19 mmLt=1.28 mNt=134A=3.2588 m2

g.3 Coeficiente total de transferencia de calor

RT Resistencia térmica Q Calor transferido


ΔTml Diferencia de temperatura media logarítmica para condensador Tsat de TVH para P3abs

Q=m(h3r-h4)=A*u*ΔTml

ΔTml=(Ta2-Ta1)/log[(Tsat-Ta2)/(Tsat-Ta1)]=-15.969 K

Tsat=62.341Despejando uU=(m(h3r-h4))/(A* ΔTml)=-6.9456 Kw/m2 KResistencia térmica Rt=1/u=-0.143.976 m2 K/Kw

Línea Willan’s

4. Reflexión de lo aprendido, de lo requiere estudiar y profundizar, de su desempeño y compromiso con su aprendizaje, de lo que requiere mejorar, etc. Fuentes de consultadas. (5%)

.

Fuentes consultadas


Yunus A Cengel, Termodinámica, McGraw hill 7ma edición, México, 2012 R.K. Rajput, ingeniería Termodinamica, Cengage, 3ma edición, México, 2011

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