diseño de una planta termoelectrica

Facultad Ingeniería Mecánica sede Bogotá Jaime Enrique Marulanda Cano [email protected]

PROYECTO FINAL DE PLANTAS TERMICAS II CENTRAL TERMOELECTRICA

PRESENTADO A: ING. GERMAN ARTURO LOPEZ MARTÍNEZ

PRESENTADO POR: DEIVI RESTREPO ARDILA

JHONATAN RODRÍGUEZ SUÁREZ JAIME MARULANDA CANO

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DE AQUINO FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C


Contenido 1. Introducción: ......................................................................................................................... 1

1.1 Funcionamiento de una central térmica ....................................................................... 1

1.2 Carbón Lignito ............................................................................................................... 2

1.2.1 Características carbón Lignito: .............................................................................. 2

1.2.2 Composición carbón lignito .................................................................................. 3

1.3 Alabes ............................................................................................................................ 3

1.3.1 Coeficientes de velocidad y ...................................................................... 3

1.4 Turbinas ........................................................................................................................ 4

2. Memoria detallada de cálculos ............................................................................................. 8

2.1 Ciclo ............................................................................................................................... 8

2.2 Grados de admisión de la turbina ............................................................................... 10

2.3 Valores asumidos ........................................................................................................ 12

2.4 De la turbina ................................................................................................................ 13

2.4.1 Etapas de la turbina ............................................................................................ 13

2.4.2 Triangulo de velocidades .................................................................................... 14

2.4.3 Entalpia de cada etapa ........................................................................................ 21

2.4.4 Grado de parcialidad ........................................................................................... 23

2.4.5 Alturas por etapas ............................................................................................... 23

2.5 Del ciclo ....................................................................................................................... 24

2.6 Cámara de combustión: .............................................................................................. 27

2.6.1 Estequiometria: ................................................................................................... 27

2.6.2 Punto de roció ..................................................................................................... 29

2.6.3 Calor de admisión: .............................................................................................. 30

2.6.4 Calculo de la eficiencia de la Combustión ........................................................... 30

2.6.5 Análisis ................................................................................................................ 31

2.7 Del condensador: ........................................................................................................ 33

2.8 De las bombas ............................................................................................................. 34

2.9 De los calentadores ..................................................................................................... 34

2.10 De las tuberías ............................................................................................................. 35

2.10.1 Parámetros Necesarios para Dimensionar Tuberías de Vapor ........................... 35

2.10.2 Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías .................................................. 35

2.10.3 Dimensionamiento de redes de vapor sobrecalentado. ..................................... 37

2.10.4 Resultados cálculos de tuberías .......................................................................... 38

2.11 De la chimenea ............................................................................................................ 39

2.12 De la central ................................................................................................................ 40


3. Conclusiones ....................................................................................................................... 40

4. Bibliografía .......................................................................................................................... 40

5. Correcciones ....................................................................................................................... 41

6. Anexos: ................................................................................................................................ 41

6.1 Anexo 1: Procedimiento general (Matlab) .................................................................. 41

6.2 Anexo 2: Estequiometria Carbón lignito (Matlab) ...................................................... 42

Universidad Santo Tomas Facultad Ingeniería Mecánica sede Bogotá Jaime Enrique Marulanda Cano

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1. Introducción:

1.1 Funcionamiento de una central térmica El objeto de las centrales térmicas es aprovechar la energía calorífica de un combustible para transformarla en electricidad. Esta transformación sigue el siguiente proceso: La energía contenida en el combustible se transforma, por combustión en energía

calorífica.

La energía calorífica que absorbe el fluido de trabajo se convierte al expansionarse en la turbina o motor en energía mecánica.

La energía mecánica es transformada en energía eléctrica a través del generador eléctrico.

El ciclo Rankine es el ciclo termodinámico que se emplea en las centrales térmicas de vapor. En la imagen 1, donde se relaciona cada elemento que compone una central térmica convencional de carbón actual.

imagen 1. Central térmica convencional de carbón. (1)



1.2 Carbón Lignito

imagen 2. . Carbón Lignito (2)

El carbón se compone principalmente de carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, azufre y otros elementos. El carbón se genera por la descomposición de vegetales terrestres, hojas, maderas, cortezas y esporas, que se acumulan en zonas de poca profundidad de pantanos, lagos o desembocaduras de ríos. La forma de clasificar los carbones (más usada) se basa en su contenido de carbono (o grado de carbonificación).

Tipo Grado carbonificación (%)

Turba 45-60

Lignito 60-75

Hulla 80-90

Antracita 90-95 tabla 1. Tipos de Carbón. (2)

Se debe tener en cuenta que a mayor grado de carbonificación mayor es el poder calorífico de este. (2)

1.2.1 Características carbón Lignito:

El carbón lignito tiene las siguientes características: Color marrón-negro. Alto contenido de humedad inherente a veces tan alto como 66%. Contenido de cenizas entre el 6% a 19%. Blando y suave. El contenido de energía de los rangos de lignito 10-20 MJ/kg sobre una base húmeda,

mineral sin materias. Densidad superior a la de la turba, pero inferior a la de la hulla y antracita. Es un carbón formado hace unas cuantas decenas de millones de años. (3)



1.2.2 Composición carbón lignito

La composición química del carbón tipo lignito se muestra detalladamente en la tabla 2. Estos valores son útiles para el cálculo de la estequiometria generada en la combustión producida en la caldera.

COMPOSICIÓN TÍPICA

Carbono 69 %

Hidrógeno 5,2 %

Oxígeno 25 %

Nitrógeno 0,8 % tabla 2. . Composición química del carbón lignito. (4)

1.3 Alabes

1.3.1 Coeficientes de velocidad y

Se puede estimar el valor de los coeficientes de velocidad de la imagen 3 que tiene validez

universal y da los valores aproximados para en función de la longitud radial del alabe.

imagen 3. Coeficientes de velocidad en función de la longitud radial del alabe. (5)

En la imagen 4 se muestra la variación del coeficiente de velocidad en función del ángulo de desviación, donde la línea superior representa los coeficientes más favorables (paredes especialmente lisas, etc.)

http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno

http://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno



imagen 4. Coeficientes de velocidad en función del ángulo de desviación valido para

longitudes radiales próximas a los , según Stodola. (6)

1.4 Turbinas Turbina de Vapor es un motor rotativo que convierte en energía mecánica, la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

1.4.1 Tipos de turbinas

La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), según el número de etapas (multi-etapa o mono-etapa), según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape y por último por la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre o condensación). Los tipos de turbina son:

1.4.1.1 Turbina de impulso o de una sola etapa: Es llamada también turbina lava después por su inventor. La turbina consiste de un solo rotor que se une a las alabes de impulso. El vapor se alimenta de una o más boquillas convergente- divergente que no se extienden completamente como una circunferencia en el rotor, por otra parte solo una sección de la alabes es afectada por el vapor en cualquier tiempo además de que las boquilla permiten controlar la turbina cerrado una o más entrada de estas. En el diagrama para una turbina Laval imagen 5 muestra el diagrama de velocidades que indica el flujo de vapor en los alabes.



imagen 5. Diagrama esquemático de una turbina de impulso (7)

Donde es la velocidad de entrada absoluta y es la velocidad de salida absoluta, además de que es la velocidad relativa de entrada de los alabes del rotor y es la velocidad relativa de salida. U es la velocidad del rotor y es el ángulo de la boquilla y es el ángulo final de salida del fluido.

1.4.1.2 Turbina tipo Curtis Se compone de una sola fase de boquillas como una turbina de una sola fase, seguido por dos filas de alabes fijos en el extractor que tienen como función de re direccionar el vapor de salida de la primera fase de los alabes hacia la segunda fila de alabes móviles. Una turbina de impulso (Como también se le llama) Curtis que se muestra en la imagen 6 , muestra los cambios de presión y velocidad absoluta del vapor a través de la etapa, también se debe tener en cuenta la disminución de entalpía total y por lo tanto la caída de presión que se produce en las boquillas con el fin de que se mantengan estable en las tres filas de alabes.

imagen 6. Diagrama de velocidad de etapa Curtis (7)



La velocidad es absorbida en dos fases. En donde en la según los alabes estáticos en donde la presión y la velocidad permanecen constante. Los alabes fijos también llamados paletas de guía, además de que la velocidad de la etapa compuesta también se llama etapa de Curtis. El diagrama de velocidad de la turbina de impulso de velocidad compuesto se muestra en la imagen 7.

imagen 7. Triangulo de velocidades de una turbina de impulso. (6)

1.4.1.3 Turbina Rateau o de impulso La turbina está compuesta por un grupo de alabes fijos que actúan como toberas, es decir permiten una caída de presión y un incremento de la energía cinética del vapor y un grupo de alabes móviles reciben la energía del vapor que sale de los alabes fijos transformándola en trabajo que se utiliza en el árbol. Todos los rotores están acoplados al mismo árbol. Estas turbinas pueden tener varias etapas (entre 5 y 15) y normalmente el vapor cubre la totalidad (360°) de los alabes móviles (admisión total) y utilizan generalmente en su primera etapa una de velocidad, que puede ser de tipo Laval o Curtis. En estas turbinas el régimen de rotación es menor que en las turbinas Laval o Curtis, lo cual permite lograr una mayor vida de la misma, su inconveniente es que el árbol debe ser robusto, debido a su gran longitud. Su nombre se debe a su inventor. Tal como ha sido descrita ésta turbina sería como tener varias turbinas Laval, una a continuación de la otra, un diagrama de presión- velocidad de una turbina de impulso se muestra en la imagen 8.



imagen 8. Diagrama de presión- velocidad de una turbina de impulso. (6)

1.4.1.4 Turbinas de reacción Esta turbina tiene gran número de etapas (entre 15 y 50); cada una de ellas con admisión total de vapor y tanto en el grupo de álabes fijos como en los móviles se presenta caída de presión del vapor, que debido al gran número de partes donde se sucede, los incrementos de velocidades (energía cinética) del vapor no son altos; por tal razón, al igual que en las turbinas Rateau, los regímenes de rotación son bajos. Por su gran longitud, debido al alto número de etapas, en lugar de usar árbol, generalmente, los álabes móviles están montados sobre un tambor, en especial los de las últimas etapas. Esta turbina es usada para mover generadores de gran potencia. En la actualidad, las turbinas Rateau o Parson por si solas no se construyen, sino que las turbinas de gran potencia se fabrican con los diferentes tipos de etapas descritos, colocándose una etapa de velocidad en su parte inicial, que puede ser de tipo Laval o Curtis, posteriormente, en su zona intermedia se instalan etapas tipo Rateau y finalmente en su parte final, zona de bajas presiones, se instalan etapas tipo Parson. Al pasar de las etapas de velocidad que son de admisión parcial a las etapas de presión, ya sean Rateau o Parson, que son de admisión total, el vapor pasa por una zona o compartimiento de la carcasa de la turbina llamado escalón de regulación al que permite que éste cambio en la admisión del vapor en los alabes.



imagen 9. Diagrama de velocidades de una turbina Parson (6)

2. Memoria detallada de cálculos

2.1 Ciclo Nuestros datos iniciales para el ciclo en general son:

Potencia 65 MW

RPM 2400

Calidad salida 0,97

Presión salida 34 Kipá

Carbón Lignito tabla 3. Tabla de valores para el ciclo. (8)

Teniendo en cuenta que se realizan 5 extracciones parciales a los finales de las etapas 4, 8, 12, 15. Conformándose 6 secciones o cilindros; la tercera extracción va a un calentador abierto, las otras extracciones van a calentadores cerrados, todas ellas para realizar un ciclo regenerativo; al final de la cuarta etapa se realiza una extracción total para efectuar un recalentamiento intermedio del vapor. Se estima que la turbina consume un 2,5% de potencia para mover sus accesorios; la presión de escape, la calidad y la velocidad de rotación se muestran en la tabla 3. Con la información suministrada anteriormente, se puede plantear el diagrama del ciclo correspondiente para la central termoeléctrica imagen 12 y el esquema de los equipos requeridos imagen 11.



imagen 10. Equipos central termoeléctrica.

De tal manera que el diagrama de equipos es:

imagen 11. . Diagrama de equipos.

.



imagen 12. Diagrama Temperatura- Entropía central termoeléctrica.

2.2 Grados de admisión de la turbina La eficiencia de las etapas Rateau y Curtis se hallaron muy parecidas de acuerdo a la imagen 13

imagen 13. Eficiencia de las boquillas y grado de admisión de las boquillas (9)

En la siguiente figura se muestran los diferente tipos de ángulos de los alabes de una turbina Rateau



imagen 14. Angulo de alabes de una turbina Rateau (10)

[Escribir texto] Página 12

2.3 Valores asumidos

Etapa GA

Laval 15-20

0,92-0,94

0,85-0,9 N. a N. a Parcial

Curtis 15-20

0,92-0,95

0,85-0,9 0,85-0,9 N. a

Parcial

Rateau 18-23 0,56-0,6 0,93-0,95

0,85-0,9 N. a N. a Total

Reacción 20-25

0,94-0,96

N. a N. a 0,9-0,95

Total

tabla 4. Valores asumidos para las diferentes etapas de la turbina de la central termoeléctrica.


Etapa Valor asumido Bibliografía

Laval, Curtis, Rateau (5)

Laval y Curtis (7) (11)

Rateau (7)

Alabes fijos (5) (11)

Curtis (5)

Rateu (5) (7)

Laval (5)

Reacción Simétricas

Eficiencia toberas

Velocidad Entrada Tobera ( )

(12)

Velocidad Salida Tobera (

tabla 5. Valores asumidos para la solución del problema.

2.4 De la turbina La turbina se encuentra compuesta por las toberas y las diferente etapas, en la imagen 15 se diagrama una tobera convergente- divergente y las etapas de la turbina, que en el caso de la central termoeléctrica de estudio son 22 etapas.

imagen 15. . Tobera y etapas de la turbina. (13)

2.4.1 Etapas de la turbina

Donde la tobera impulsa el fluido de trabajo para darle la velocidad inicial a las etapas de turbina, esta entrada de velocidad entra a las etapas de la turbina con un ángulo, el cual es el ángulo fijo de entrada para la turbina. Los datos iniciales por etapa se detallan en la tabla 6, donde se muestra el número de etapa, diámetro medio en milímetros y en metros, tipo de etapa y numero de alabes.

Etapa Diam Med (mm) Diam med (m) Tipo No alabes

1 980 0,98 Curtis 122

2 935 0,935 Rateau 118

3 945 0,945 Rateau 118

4 954 0,954 Rateau 119


5 980 0,98 Laval 122

6 935 0,935 Rateau 118

7 945 0,945 Rateau 118

8 954 0,954 Rateau 119

9 966 0,966 Rateau 119

10 978 0,978 Rateau 120

11 990 0,99 Rateau 121

12 1000 1 Rateau 122

13 1015 1,015 Rateau 122

14 1030 1,03 Rateau 121

15 1048 1,048 Reacción 120

16 1063 1,063 Reacción 119

17 1078 1,078 Reacción 117

18 1098 1,098 Reacción 114

19 1134 1,134 Reacción 111

20 1168 1,168 Reacción 108

21 1200 1,2 Reacción 105

22 1250 1,25 Reacción 101 tabla 6. Valores iniciales por etapa. (8)

2.4.2 Triangulo de velocidades

imagen 16. Triangulo de velocidades de una etapa. (5)

Donde: Cb= Velocidad alabes. Cw = Velocidad de volteo. Cae= Velocidad absoluta de entrada. Cre= Velocidad relativa de entrada. Cas= Velocidad absoluta de salida. Crs= Velocidad relativa de salida. Cfe= Velocidad de cruce axial de entrada. Cfs= Velocidad de cruce axial de salida. Cwe= Velocidad de volteo de entrada. Cfs= Velocidad de cruce axial de salida. Angulo móvil de entrada. Angulo móvil de salida.


Angulo fijo de entrada. Angulo fijo de salida. Relación de velocidades óptimo.

Coeficiente fricción alabes móviles. Coeficiente fricción alabes fijos. Diferencia de entalpia real en la etapa. = Diferencia de entalpia teórica en la etapa. Eficiencia tobera Eficiencia alabes Eficiencia de la etapa

Se selecciona el ángulo menor de entrada el cual sería similar al ángulo de salida para de esta manera aumentar el Cw. Con lo cual se aumenta la diferencia de entalpias lo cual es equivalente a un mayor trabajo, disminuyendo flujo para un mayor trabajo en las turbinas, y un menor trabajo en las bombas. Con los datos anteriores podemos obtener Cb por cada etapa, dada la ecuación

Ecuacion 1: Velocidad de alabes.

Donde: Diámetro medio de los alabes

Etapa Diam Med (mm) Diam med (m) Tipo No. alabes Cb (m/s)

1 980 0,98 Curtis 122 123,150432

2 935 0,935 Rateau 118 117,4955652

3 945 0,945 Rateau 118 118,7522023

4 954 0,954 Rateau 119 119,8831757

5 980 0,98 Laval 122 123,150432

6 935 0,935 Rateau 118 117,4955652

7 945 0,945 Rateau 118 118,7522023

8 954 0,954 Rateau 119 119,8831757

9 966 0,966 Rateau 119 121,3911401

10 978 0,978 Rateau 120 122,8991046

11 990 0,99 Rateau 121 124,4070691

12 1000 1 Rateau 122 125,6637061

13 1015 1,015 Rateau 122 127,5486617

14 1030 1,03 Rateau 121 129,4336173

15 1048 1,048 Reacción 120 131,695564

16 1063 1,063 Reacción 119 133,5805196

17 1078 1,078 Reacción 117 135,4654752

18 1098 1,098 Reacción 114 137,9787493

19 1134 1,134 Reacción 111 142,5026428

20 1168 1,168 Reacción 108 146,7752088

21 1200 1,2 Reacción 105 150,7964474

22 1250 1,25 Reacción 101 157,0796327 tabla 7. . Datos iniciales y velocidad de los alabes por etapa. (8)


Para la primera etapa después de la tobera diremos que podemos obtener cae mediante la siguiente ecuación:

Ecuacion 2: Relación optima de

velocidades

Al conocer la relación la cual la tenemos de la tabla 4 y , podemos hallar

Ecuacion 3: Relación de velocidades

para Cae

Teniendo lo anterior podemos hallar :

Ecuacion 4: Velocidad relativa de

entrada

Con lo anterior se haya

Ecuacion 5: Velocidad de cruce axial

Al tener el término anterior diremos que:

Ecuacion 6: Angulo móvil de entrada

Seguimos con :

Ecuacion 7: Velocidad de volteo de

entrada

Y proseguimos con:

Ecuacion 8: Velocidad relativa de salida

Para obtener un mayor lo ideal sería que fuera 1, dado que eso es un caso ideal podemos ver en la tabla 4 que están los valores entre 0,85 y 0,9 para todas las etapas menos la de reacción, por lo anterior se trabajar con 0,9.

2.4.2.1 Para las turbinas Laval, Curtis, Rateau:

Después de esto diremos que

Ecuacion 9: Velocidad de volteo a la

salida


Teniendo en cuenta la relación del ángulo que es presentada en tabla 4. Con lo anterior:


de salida

De esta manera ya podemos calcular

Ecuacion 11: Velocidad de volteo


Con lo anterior ya podemos obtener :

Ecuacion 13: Velocidad absoluta de salida

Continuando con:

Ecuacion 14: . Angulo fijo de salida

Luego se halla la eficiencia de los alabes:

Ecuacion 15: . Eficiencia alabes (no aplicable para reacción)

Teniendo en cuenta que la eficiencia de las toberas es de 0,94 diremos que la eficiencia de la etapa es de

Ecuacion 16: Eficiencia de la etapa

Donde es la eficiencia de la tobera. Luego de esto se halla la diferencia de entalpias:

Ecuacion 17: Diferencia de entalpia real

Para hallar tendremos en cuenta la eficiencia de la etapa (

Ecuacion 18: Diferencia de entalpia Teórica


2.4.2.2 Para las etapas de reacción:

Se tiene en cuenta que esta son simétricas por lo cual diremos que:

De igual manera diremos la diferencia de entalpia real para esta etapa es:

Ecuacion 19: Diferencia de entalpia para etapa de reacción

Con esto en mente podemos decir que a un menor habrá una mayor diferencia, lo cual es lo que se desea por lo cual se escogerá 0,9. Luego Para hallar tendremos en cuenta la

eficiencia de la etapa ( como se muestra en la Ecuacion 16:

2.4.2.3 Para la etapa Curtis:

Esta se puede decir está compuesta de dos etapas similares se debe tener en cuenta que el para la segunda etapa pasa primero por unos alabes fijos, por lo cual se necesita tener en cuenta la imagen 17 para posteriormente repetir el proceso anterior.

imagen 17. Esquema y geometría de etapa Curtis. (9)

Los geometría y velocidades de los alabes fijos en una etapa de tipo Curtis se muestra en la

imagen 18.


imagen 18. Geometría de los alabes fijos. (10)

La velocidad absoluta de salida de la primera etapa entra al alabe fijo con el ángulo de entrada igual al ángulo de salida de los alabes móviles. Al realizar el paso por el alabe fijo se convierte en la velocidad absoluta de entrada de la etapa 2, ingresando a esta etapa con el ángulo fijo de salida de los alabes fijos, que corresponde al ángulo de entrada de los alabes móviles de la segunda etapa.


Tipo Etapa (Kj/kg) (Kj/Kg)

Curtis 1 106,594255 0,81970859 0,77052608 130,039206 15 47,8645974 19,6600604 33,0709421

Rateau 2 18,8812705 0,85781634 0,80634736 22,0108544 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 3 19,2873077 0,85781634 0,80634736 22,4841925 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 4 19,6564345 0,85781634 0,80634736 22,9145022 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Laval 5 26,2190636 0,88599605 0,83283629 29,5927544 15 73,965991 28,6792847 28,6792847

Rateau 6 18,8812705 0,85781634 0,80634736 22,0108544 18 49,250235 38,3161636 33,3161636

Rateau 7 19,2873077 0,85781634 0,80634736 22,4841925 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 8 19,6564345 0,85781634 0,80634736 22,9145022 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 9 20,154046 0,85781634 0,80634736 23,4945933 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 10 20,6578777 0,85781634 0,80634736 24,0819354 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 11 21,1679296 0,85781634 0,80634736 24,6765288 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 12 21,5977243 0,85781634 0,80634736 25,1775622 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 13 22,2505155 0,85781634 0,80634736 25,9385541 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Rateau 14 22,9130257 0,85781634 0,80634736 26,7108758 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636

Reacción 15 16,2344109 0,89335904 0,83975749 18,1723252 20 51,1757577 51,1757577 20

Reacción 16 16,7024622 0,89335904 0,83975749 18,6962481 20 51,1757577 51,1757577 20

Reacción 17 17,1771651 0,89335904 0,83975749 19,2276167 20 51,1757577 51,1757577 20

Reacción 18 17,8204493 0,89335904 0,83975749 19,9476902 20 51,1757577 51,1757577 20

Reacción 19 19,0081599 0,89335904 0,83975749 21,2771788 20 51,1757577 51,1757577 20

Reacción 20 20,1650663 0,89335904 0,83975749 22,572186 20 51,1757577 51,1757577 20

Reacción 21 21,3189678 0,88691212 0,83369739 24,0372945 21 52,6559005 52,6559005 21

Reacción 22 23,1717567 0,88013019 0,82732238 26,3276467 22 54,0602859 54,0602859 22 tabla 8. Tabla de resultados.

Procedimiento detallado en el Anexo 1: Procedimiento general (Matlab).


2.4.3 Entalpia de cada etapa

Teniendo en cuenta los resultados de la tabla 8 y la salida de la etapa 22 la cual denominaremos punto 23, el cual conocemos. Empezamos a trabajar con las entalpias. Cuanto tenemos calidad diremos que

Ecuacion 20: Entalpia real

Para el punto 23 diremos que está a una presión de 34KPa y calidad 0,97. Después de tener esta entalpia diremos que la entalpia del punto anterior se calcula mediante.

Ecuacion 21: Entalpia real del

punto anterior

Donde i es el punto actual luego calcularemos la entalpia real

Ecuacion 22: Entalpia teórica

Con esta entalpia teórica hallaremos la calidad real

Ecuacion 23: Calidad real

De esta manera hallar la entropía para decir

Ecuacion 24: Entropía real

Mediante la ecuación

Ecuacion 25: Entropía real

Teniendo los datos anteriores hallaremos los estados termodinámicos correspondientes teniendo en cuenta que para definir un estado termodinámico necesitamos dos propiedades. Para hallar los estados termodinámicos con una mayor exactitud haremos uso del software Termograf v 5.7. Al llegar a la parte donde se hace el recalentamiento (etapa 4) diremos que la presión de entrada de la etapa 5 es igual a la presión de la salida de la etapa 4, de igual manera diremos que la presión de entrada de la etapa 1 es 100KPa superior a la presión de entrada de la etapa 5, teniendo en cuenta que la temperatura de entrada de la etapa 5 es igual a la temperatura de entrada de la etapa 1.


Entrada etapa Salida etapa Punto x' P (Kipá) h (kj/kg) hi (KJ/Kg) x S’ ( KJ/KgK) S ( KJ/KgK) T(°C)

22 23 0,97 34 2553,81411 2556,97 0,96764673 7,54211 7,50129 71,9658

22 21 22 0,97564 40,75 2577,42343 2580,14176 0,97447 7,50129 7,49352 76,2715

21 20 21 0,98208 47,4817 2599,0536 2601,46072 0,98104 7,49352 7,48672 80,0037

20 19 20 0,98823 54,6877 2619,35677 2621,62579 0,98725 7,48672 7,48038 83,5351

19 18 19 0,99409 62,3573 2638,50671 2640,63395 0,99316 7,48038 7,47448 86,8887

18 17 18 0,99951 70,8496 2656,40395 2658,4544 0,99861 7,47448 7,46597 90,2214

17 16 17 - 79,4797 2673,63778 2675,63157 - 7,46597 7,4606 98,8271

16 15 16 - 88,6433 2690,39611 2692,33403 - 7,4606 7,45551 107,722

15 14 15 - 98,3215 2704,77059 2708,56844 - 7,45551 7,44574 116,348

14 13 14 - 114,062 2727,79343 2731,48146 - 7,44574 7,43654 128,526

13 12 13 - 131,198 2750,15214 2753,73198 - 7,43654 7,42786 140,323

12 11 12 - 149,726 2771,8211 2775,3297 - 7,42786 7,41959 151,747

11 10 11 - 169,842 2793,07358 2796,49763 - 7,41959 7,41172 162,922

10 9 10 - 191,491 2813,81496 2817,15551 - 7,41172 7,40423 173,806

9 8 9 - 214,673 2834,05149 2837,30956 - 7,40423 7,3971 184,406

8 7 8 - 239,379 2853,76911 2856,96599 - 7,3971 7,39026 194,726

7 6 7 - 265,771 2873,12372 2876,2533 - 7,39026 7,3837 204,835

6 5 6 - 293,809 2891,76088 2895,13457 - 7,3837 7,37677 214,716

- 4 5 - 335,161 2729,98623 2921,35363 - 7,37677 7,37026 228,381

5 - 4 - 162,24 2749,64266 2752,90073 7,34 7,33 141,19

4 3 3 - 182,3 2769,36028 2772,55717 7,33 7,31 151,59

3 2 2 - 212,39 2788,71489 2791,84447 7,31 7,3 162,054

2 1 1 - 235,45 2787,28079 2810,72574 7,3 7,25 171,99

1 - 0 - 435,161 2917,32 7,25 228,381 tabla 9. Tabla resultados entalpias por etapa


2.4.4 Grado de parcialidad

El grado de parcialidad para las turbinas está dado por la ecuación:

Ecuacion 26: Grado de parcialidad

Donde es y diremos que su ecuación es

Ecuacion 27: Calculo de

Tendremos en cuenta que el grado de parcialidad para las etapas de turbina de admisión parcial es de 0,9 y para las de admisión total de 1.

2.4.5 Alturas por etapas

Para hallar la altura de cada etapa usaremos la ecuación

Ecuacion 28: Altura de cada etapa

Así obtendremos:

Etapa Diam med

(m) Tipo No alabes flujo v altura (mm)

1 0,98 Curtis 122 118,967352 0,85 0,043609265

2 0,935 Rateau 118 118,967352 0,93 0,142388949

3 0,945 Rateau 118 118,967352 1,06 0,162285447

4 0,954 Rateau 119 118,967352 1,16 0,174616179

5 0,98 Laval 122 118,967352 0,76 0,087831575

6 0,935 Rateau 118 118,967352 0,81 0,124016181

7 0,945 Rateau 118 118,967352 0,89 0,136258536

8 0,954 Rateau 119 118,967352 0,97 0,146015253

9 0,966 Rateau 119 116,490001 1,06 0,156232231

10 0,978 Rateau 120 116,490001 1,17 0,169574303

11 0,99 Rateau 121 116,490001 1,29 0,183879855

12 1 Rateau 122 116,490001 1,44 0,201901945

13 1,015 Rateau 122 113,43805 1,6 0,218445186

14 1,03 Rateau 121 113,43805 1,81 0,251203172

15 1,048 Reacción 120 113,43805 1,96 0,411762526

16 1,063 Reacción 119 111,494831 2,13 0,447193204

17 1,078 Reacción 117 111,494831 2,34 0,508177049

18 1,098 Reacción 114 111,494831 2,62 0,599256398

19 1,134 Reacción 111 108,350661 2,94 0,689150469

20 1,168 Reacción 108 108,350661 3,34 0,8268676

21 1,2 Reacción 105 108,350661 3,83 1,030007453


22 1,25 Reacción 101 108,350661 4,51 1,345379871 tabla 10. Alturas y flujo por etapas.

2.5 Del ciclo Para realizar el ciclo haremos las siguientes aproximaciones h16=h11=h17 h18=h8=h20 h19=h7=h21

En el estado termodinámico 5 diremos que su calidad es de 0. De esta manera diremos que:

Ecuacion 29: . Eficiencia ciclo

Siendo: : Trabajo de la turbina : Trabajo de las bombas

Ecuacion 30: Trabajo total de las bombas

Wb trabajo de una bomba

Ecuacion 31: Trabajo de una bomba

Calor de admisión

Ecuacion 32: Calor de admisión

Donde m es el flujo másico total (ya que en este punto entra todo el flujo). Para hallar estos valores es necesario el identificar las relaciones de flujos que pasan por cada etapa. Es decir y1, y2, y3, y4 y y5 como se muestra en la imagen 19


imagen 19. Diagrama T-S aproximado

.

De tal manera que diremos para el primer calentador (entre punto 6 y 7)

Ecuacion 33: Balance de energía calentador

cerrado 1

Para el segundo calentador cerrado (entre punto 7 y 8)

Ecuacion 34: alance de energía calentador

cerrado 2

Para el tercer calentador cerrado (entre punto 10 y 11)

Ecuacion 35: Balance de energía calentar

cerrado 3

Para el calentador abierto diremos:

Ecuacion 36: Balance de energía calentador

abierto

Además se debe tener en cuenta que:

Ecuacion 37: Conservación de masa (flujo)

Sin embargo diremos que las bombas son ideales. Con lo anterior obtendremos los siguientes resultados:

Extracción 1 2 3 4 5

y 0,02740561 0,018563 0,01634948 0,02474134 0,91294057 tabla 11. Resultado extracciones de flujo (porcentual)


Como sabemos que el trabajo realizado de la turbina es de 66625KW (teniendo en cuenta el consumo de las partes de la turbina, el cual es de 2,5%. Con esto diremos:

Ecuacion 38: . Trabajo de las

turbinas

Despejaremos el flujo y de esta manera:

Ecuacion 39: Flujo de masa

Así obtendremos un flujo de 118,89 Kg/s De tal manera que:

1 2 3 4 5 Total

y 0,02082379 0,02565369 0,01633405 0,02642885 0,91075963 1

m (Kg/s) 2,47735066 3,05195136 1,94321835 3,14417025 108,350661 118,967352 tabla 12. Resultado extracciones de flujo

Los resultados para los puntos son los siguientes:

Punto h (KJ/Kg) S (KJ/KgK) P (KPa) T (C) x v

1 2917,32 7,25 435,161 228,381

0,52

2 2752,90073 7,34 162,24 141,19

1,16

3 2921,35363 7,37677 335,161 228,381

0,68

4 2556,97 7,54211 34 71,9658 0,97 4,51

5 302,2 0,98 34 71,97 0 1,02E-03

6 301,7 0,98 149,726 71,83

1,02E-03

7 364,78 1,16 149,726 86,88

1,03E-03

8 403,98 1,27 149,726 96,23

1,04E-03

9 467,11 1,43 149,726 111,272 0 1,05E-03

10 465,87 1,43 435,161 110,93

1,05E-03

11 514,245 1,55 435,161 122,41

1,06E-03

12 2837,30956 7,40423 214,673 184,406

0,97

13 2775,3297 7,42786 149,726 151,747

1,44

14 2692,33403 2692,33403 88,6433 107,722

1,96

15 2640,63395 7,48038 62,3573 86,8887 0,99409 2,62

16 514,245 1,55 214,673 122,44 0 1,06E-03

17 514,245 1,56 149,726 111,27 0,02 0,026

18 403,98 1,27 88,6433 96,24 0 1,04E-03

19 364,78 1,16 62,3573 86,89 0 1,03E-03

20 403,98 1,28 34 71,97 0,044 0,2

21 364,78 1,16 34 71,97 0,027 0,13 tabla 13. Resultados puntos del proceso


2.6 Cámara de combustión:

2.6.1 Estequiometria:

Teniendo en cuenta la tabla 2 anterior diremos:

Ecuacion 40: Estequiometria de los

gases

Para 1 Kg. Y un exceso de aire del 20%, se hace una reacción con aire seco el cual está conformado por:

Para 1 Kg. La reacción anterior se puede expresar de la siguiente forma:

Donde el peso molecular es:

Molécula Peso molecular

C 12

H 1

O 16

N 14 tabla 14. Peso molecular

Donde el resultado de esta reacción es:

Ecuacion 41: Peso molecular

De tal manera que la ecuación seria:

Ecuacion 42: Estequiometria de gases de vapor y secos

Al hacer el balance diremos:


De tal manera que obtendremos:

Ecuacion 43: Resultado estequiometria

Procedimiento de cálculo Anexo 1 (código matlab) “Sabemos que la fórmula de la relación aire- combustible es la relación de masa que se extiende entre el aire utilizado en el proceso de combustión respecto al combustible” (14). En donde la fórmula es:

Ecuacion 44: Relación aire combustible

La relación aire/combustible se puede también relacionar con el volumen del aire considerando todas las moléculas presentes en la combustión. Considerando lo anterior se calcula Va como una relación aire/combustión donde 8.4666 es el valor de x y la ecuación que queda es:

Ecuacion 45: Volumen del aire

Se realiza un análisis volumétrico de los gases secos

Producto Cantidad de moles por producto Volumen del producto

2.53 16.4

0.4012 4.5

7.9767 79.1 tabla 15. Cantidad de moles y volumen del producto de la combustión

Masa de productos/ Kg de Combustible.

Productos Kg/100 Kmol comb. Masa molar (Kg/Kmol) Masa (Kg/100 Kmol comb.)

0.468 18 8.424

2.53 44 111.32

0.4012 32 12.8384


7.9767 28 223.3476

Total 11.3759 122 355.93 tabla 16. Tabla de producto de la combustión

Donde es la cantidad de moles que posee un compuesto o elementos que están presentes en la combustión donde se calcula por medio de la siguiente fórmula:

Ecuacion 46: Cantidad de moles de un compuesto

Y es la masa molar del componente y su ecuación es:

Ecuacion 47: Masa de la combustión

De acuerdo a la ley de Boltzmann donde utilizan n como el número real de moléculas, donde se puede observar la constante de masa atómica sobre la masa anatómica del compuesto que es:

Ecuacion 48: Relación de Boltzmann

Donde simplificándola para el problema donde se relacionan los moles del producto seco por los moles del producto antes de la combustión sin adicción de aire. Con lo que da resultado a la siguiente ecuación:

Ecuacion 49: Relación de masas de producto por combustión

2.6.2 Punto de roció

“Los gases de combustión no deben enfriarse por debajo de su punto de rocío ácido a fin de evitar condensaciones que faciliten la corrosión (en combustibles con contenido de azufre significativo, como carbón o fuel esta temperatura está en el entorno de 140 °C, mientras que en las calderas de gas natural esta temperatura es de 50-60 °C)”. (15)


El punto de roció está determinado por la presión de vacío.

Ecuacion 50: Presión de roció para la caldera.

Para tal propósito tenemos que:

Ecuacion 51: Moles sobre kg de combustión del oxigeno

La cantidad de moles de gases secos por kilogramo de combustible, se suman la cantidad de moles de vapor por kilogramo de combustible para encontrar la cantidad de moles totales de la combustión.

Ecuacion 52: Suma de los moles de los gases

Conociendo la presión de Bogotá que es aproximadamente 0,74 bares (550 mm de Hg o

74Kpa) (16), se puede calcular la presión de roció de la siguiente manera:

Ecuacion 53: Presión de vacio

Ahora para conocer la temperatura de roció, se puede hallar conociendo la temperatura de saturación (Tablas Agua saturada), a la presión de roció obtenida en el anterior paso.

2.6.3 Calor de admisión:

Para el calor de admisión utilizaremos la Ecuacion 32: Así obtendremos un calor de admisión de 305927,864 KW

2.6.4 Calculo de la eficiencia de la Combustión

La eficiencia de la combustión de la caldera está dada por la relación de los valores de exceso de aire en la combustión y la cantidad de monóxido de carbono como se muestra en la imagen 20. En donde se muestra que teniendo un 20% de aire de exceso da una pérdida de combustión de un 7% aproximadamente con lo que da una eficiencia de combustión de un 83%, también otra forma de comprobarlo es por la temperatura de salida de la caldera donde nos arroja


imagen 20. Eficiencia de combustión estequiometria de una caldera (17)

Para el cálculo del calor suministrado por el combustible se basa de la siguiente ecuación

Donde es el flujo de combustible y es el poder calorífico superior. En donde es un 5% menos que el poder calorífico neto.

2.6.5 Análisis

Para analizar el flujo de los gases sabemos que

Ecuacion 54: Calor cedido

Ecuacion 55: Calor del aire

Sabiendo que:

Donde Es el flujo másico Es el calor específico

Reemplazando la anterior expresión queda:


Ecuacion 56: Relación gases-aire

Despejamos para hallar en donde sale la Ecuacion 57:

Ecuacion 57: Flujo másico de los gases

Sabiendo que es

La resolución de la ecuación queda así: Donde la ecuación final queda así:

Donde queda la resolución es:

Para los gases del combustible la pérdida por purgas es de un 9.68% de acuerdo a la siguiente imagen:

imagen 21. Análisis de purgas en una caldera piro tubular (18)

Lo siguiente será el análisis del flujo de combustible El poder calorífico se muestra en la tabla 17.


tabla 17. Poder calorífico de distintos tipos de carbón (18)

Se desarrolla la Ecuacion 58: del calor suministrado y se despeja :

Ecuacion 58: Calor de admisión de la caldera Ecuacion 59:

2.7 Del condensador: Para el condensador diremos que la variación máxima de temperatura es de 10ºC Y con la ecuación

Ecuacion 60: Calor de extracción del condensador

Ecuacion 61: . Flujo de agua en el condensador para extracción de calor

Donde es el flujo de agua en el condensador para enfriar este, además sabiendo que C es la capacidad calorífica del agua la cual es (19) y Q es el calor de extracción. Y como sabemos que el calor de extracción del calor es

Ecuacion 62: . Calor extracción del condensador

Teniendo en cuenta que el flujo que pasa por esta es

Ecuacion 63: Flujo del condensador

Con lo cual obtendremos un calor de extracción de . De esta manera diremos que el flujo de agua requerido para enfriar el condensador es de .


2.8 De las bombas Diremos que la bomba 1 es aquella que va del punto 5 al 6, y la bomba 2 la que va del punto 9 al punto 10, además teniendo en cuenta la Ecuacion 31: de tal forma que obtendremos:

Flujo (kg/s) Potencia (KW)

Bomba1 113,426496 11,8406659

Bomba2 118,891786 39,3550486 tabla 18. . Trabajo y flujo de las bombas

2.9 De los calentadores

2.9.1.1 Calentadores cerrados

Como los calentadores cerrados tienen dos flujos les asignaremos los siguientes nombres m1 y m2, además las temperaturas de entrada y salida como se muestra en la imagen 22, además trabajaremos el calentador cerrado 1 como el que va del punto 6 al 7, calentador cerrado 2 como el que va del punto 7 al 8, y calentador cerrado 3 como el que va del punto 10 al 11.

imagen 22. Flujo en los calentadores cerrados (2)

Calentador m1 (Kg/s) T1 entrada (C) T1 salida (C) m2 (Kg/s) T2 entrada (C) T2 salida(C)

1 113,43805 71,83 86,88 3,14417025 86,8887 86,89

2 113,43805 86,88 96,23 1,94321835 107,722 96,24

3 118,967352 110,93 122,41 2,47735066 184,406 122,44 tabla 19. . Resultado flujo y temperatura calentadores cerrados

2.9.1.2 Del calentador abierto

Para el calentador abierto diremos

imagen 23. . Calentador abierto (13)


T (C) m (Kg/s)

1 entrada 110,93 113,43805

2 entrada 151,747 3,05195136

3 entrada 111,27 2,47735066

salida 111,272 118,967352 tabla 20. . Resultado flujo y temperatura calentador abierto

2.10 De las tuberías El tamaño apropiado de la tubería para llevar la cantidad necesaria de vapor de agua a la presión necesaria debe ser elegido, ya que una tubería de tamaño insuficiente significa caídas de presión, aumento de velocidades, ruido y erosión, mientras que un tubo sobredimensión-nado es sumamente costoso de instalar y las pérdidas de calor serán mayores de lo necesario. Es importante tener en cuenta el debido diseño de las tuberías, ya que son las encargadas de suministrar el fluido de trabajo necesario para cada dispositivo que compone la central eléctrica.

2.10.1 Parámetros Necesarios para Dimensionar Tuberías de Vapor

Los parámetros necesarios para dimensionar tuberías de vapor que utilizan vapor recalentado serán los siguientes:

Caudal másico: El caudal másico representa la cantidad de vapor que fluye a través de la tubería de vapor, que se requiere dimensionar.

Presión de vapor: Es aquella presión que se registra al comienzo de la tubería que se va a

dimensionar.

Temperatura de vapor: Es otro parámetro importante y junto con la presión definen las diferentes propiedades termodinámicas que posee el vapor sobrecalentado.

Caída de presión máxima admisible: Es la máxima caída de presión que se puede admitir

en el tramo de la tubería que se está dimensionando. Esta caída de presión no debe exceder 20% de la presión máxima en la caldera. Este valor debe incluir todas las caídas de presión originadas en los tubos, en los codos, y en las válvulas. Recuérdese que una caída de presión es una pérdida de energía.

2.10.2 Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías

FLUIDO VELOCIDAD SUGERIDA MATERIAL DE LA TUBERIA

VAPOR

0-30psi Saturado 4000-6000 fpm Acero

30-150psi (Saturado o Sobrecalentado)

60000-10000 fpm Acero

Más de 150psi (Sobrecalentado)

6500-15000 fpm Acero

AGUA

Servicio promedio 3-8 fpm Acero


Alimentación de la caldera 4-12 fpm Acero

Líneas de succión de bombas 1-5 fpm Acero tabla 21. . Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías. (13)

Los valores mostrados en la tabla 21 utilizados como guías, la caída de presión, montaje y el ambiente donde está el sistema, son los factores que influyen en la selección final del tamaño de la tubería. Para fluidos viscosos y pesados, las velocidades deben ser reducidas a aproximadamente la mitad de los valores mostrados. Por otra parte, los fluidos no deben contener partículas sólidas suspendidas. Para las tuberías de vapor conectadas a turbinas de vapor se presentan los vapores sugeridos para la entrada y la salida de la turbina en la tabla 22

tabla 22. Velocidades sugeridas en tuberías de vapor conectadas a turbinas de vapor. (13)

2.10.2 Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías

FLUIDO VELOCIDAD SUGERIDA MATERIAL DE LA TUBERIA

VAPOR

0-30psi Saturado 4000-6000 fpm Acero

30-150psi (Saturado o Sobrecalentado)

60000-10000 fpm Acero

Más de 150psi (Sobrecalentado)

6500-15000 fpm Acero

AGUA

Servicio promedio 3-8 fpm Acero

Alimentación de la caldera 4-12 fpm Acero

Líneas de succión de bombas 1-5 fpm Acero tabla 23. Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías. (13)

Los valores mostrados en la tabla 23 utilizados como guías, la caída de presión, montaje y el ambiente donde está el sistema, son los factores que influyen en la selección final del tamaño de la tubería. Para fluidos viscosos y pesados, las velocidades deben ser reducidas a aproximadamente la mitad de los valores mostrados. Por otra parte, los fluidos no deben contener partículas sólidas suspendidas. Para las tuberías de vapor conectadas a turbinas de vapor se presentan los vapores sugeridos para la entrada y la salida de la turbina en la tabla 24

tabla 24. Velocidades sugeridas en tuberías de vapor conectadas a turbinas de vapor. (13)


2.10.3 Dimensionamiento de redes de vapor sobrecalentado.

Al dimensionar la red de vapor sobrecalentado se tendrá que dividir el caudal requerido por el factor de este, el resultado será un flujo de vapor sobrecalentado equivalente, el cual será usado en el cálculo del diámetro interno de la tubería.

imagen 24. Deducción formula de continuidad en tuberías. (13)

tabla 25. Factor de corrección para redes de vapor sobrecalentado. (6)

Ecuacion 64: Ecuación de continuidad en

tuberías.

Despejando la Ecuacion 64: para el área interior de la tubería es igual a:

Ecuacion 65: Área interna de una tubería.

Ai

Øiivapor AVm

.


Para hallar el área interna de una tubería en pulgadas la anterior ecuación, dará como resultado:

v

Ecuacion 66: Área interna de una tubería en pulgadas.

Donde: 2,4: Es un factor de corrección de unidades.

= Flujo másico de vapor

v = Volumen específico del vapor

= Velocidad promedio del vapor ( ) Área interna de la tubería ( ) Para obtener el diámetro diremos:

Ecuacion 67: Diámetro interno de una tubería.

Donde: = Diámetro interno de la tubería ( ) = Área transversal interna de la tubería ( )

2.10.4 Resultados cálculos de tuberías

En la siguiente tabla se muestran los valores de los diámetros calculados por punto de la central termoeléctrica.

Punto Velocidad m/s

Velocidad ft/min

Factor Corr

Flujo másico (Lb/hr)

Flujo másico Corregido

Área interna (in)

Diámetro Interno (in)

1 40,64 8000,00 0,96 944201,22 983542,93 2458,75 55,95

2 39,24 7725,00 944201,22 944201,22 5450,75 83,31

3 40,64 8000,00 0,96 944201,22 983542,93 5450,75 83,31

4 25,40 5000,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31

5 0,91 180,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31

6 1,68 330,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31

7 1,68 330,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31

8 1,68 330,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31

9 0,91 180,00 944201,22 944201,22 5450,75 83,31


10 1,68 330,00 944201,22 944201,22 5450,75 83,31

11 2,44 480,00 944201,22 944201,22 5450,75 83,31

12 39,24 7725,00 0,99 19661,84 19860,45 95,87 11,05

13 39,24 7725,00 24222,24 24222,24 173,58 14,87

14 39,24 7725,00 15422,63 15422,63 150,43 13,84

15 39,24 7725,00 24954,15 24954,15 325,37 20,35

16 1,67 329,21 19661,84 19661,84 2,44 1,76

17 1,67 329,21 19661,84 19661,84 59,70 8,72

18 1,67 329,21 15422,63 15422,63 1,87 1,55

19 1,67 329,21 24954,15 24954,15 3,01 1,96

20 1,67 329,21 15422,63 15422,63 360,20 21,42

21 1,67 329,21 24954,15 24954,15 378,83 21,96 tabla 26. Resultados de tuberías de la central termoeléctrica.

2.11 De la chimenea Para el cálculo delo diámetro se utiliza la Ecuacion 68:

Ecuacion 68: Diámetro de la chimenea (20)

Donde Q es el caudal másico medido en

Es la temperatura

Es la densidad de los humos en condiciones normales medidos en

que son

aproximadamente

La velocidad de salida de los gases se halla por medio de la altura de la chimenea a que se muestran en la siguiente tabla 27

Altura, h(m) Velocidad(m/s)

Hasta 20 6

20-45 9

Mayor de 45 12 tabla 27. Tabla de alturas y velocidades de la chimenea (20)

Se escoge una altura intermedia entre 20 a 45 metros de altura con una velocidad de salida de 9 m/s El valor de Q es 118,9673516 Kg/s y el es 228,381 °C y la Ecuacion 68: se desarrolla así:


2.12 De la central Teniendo en cuenta Ecuacion 29: hallamos la eficiencia de la central la cual es del 21,76%

3. Conclusiones La eficiencia del ciclo es baja debido principalmente a la etapa de recalentamiento, ya que

esta genera más consumos de calor.

En los calentadores cerrados se ve como el flujo que pasa por estos (de la turbina a las válvulas) tienden a enfriarse, excepto en el calentador 1, esto se debe a que el fluido de trabajo está en la zona de saturación, y como tal no pierde presión si no que pierde entalpia.

Para aumentar el trabajo, y con lo cual la eficiencia se recomendaría trabajar con una presiona máxima mayor, para de esta manera aumentar el área bajo la curva del diagrama Ts (ya que esta sería el trabajo). Para esto lo ideal sería utilizar más etapas en la turbina.

El diámetro de la chimenea se ve afectada por el caudal de flujo de los gases y la

temperatura de la salida de la caldera, que por la velocidad de salida de la chimenea y su altura.

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5. Correcciones Se debe tener en cuenta que la altura máxima de de los alabes no debe ser mayor que el radio de esta misma etapa, dado que en estos casos el alabe puede flectarse o no funcionar correctamente. Para solucionar este problema se debe poner más turbinas (iguales) y dividir el flujo, haciendo que el flujo que pasa por cada turbina disminuya.

6. Anexos:

6.1 Anexo 1: Procedimiento general (Matlab) ae=18;% se asume este valor para que la diferencia de entalpia sea lo más grande posible cb=(w*pi*dm)/60; %m/s popt=poptrateau;%se escoge el menor para aumentar la velocidad en cae cae=cb/popt; cre=fcos(cb,cae,ae); cfe=cae*(sind(ae)); be=asind(cfe/cre); bs=be-5;% tabla


cwe=cre*(cosd(be)); km=km;%se asume por ser el cercano más elevado crs=km*cre; cws=crs2*cosd(bs); cfs=crs2*sind(bs); cas=fcos(cb,crs,bs); as=asind(cfs/cas); % datos extra etapa 2 cw2=cws2+cwe2; nb2=(2*cb2*cw2)/(cae2^2); nb2porcentaje=nb2*100; % falta ngs revisar ecuación arriba para trabajar eficiencia de turbina dhigs2=cw2*cb2;

6.2 Anexo 2: Estequiometria Carbón lignito (Matlab) % Estequiometria carbón lignito v1.0 %% Para H a=(18/2)*0.052; %% Para C b=(44/12)*0.69; %% Para o sin exceso de aire z=(a*(16/18))+(b*(32/44)); x=(z-0.25)/0.232; %% Para o con exceso de aire c=(0.25+(1.2*x*0.232))-z; %% Para N d=0.008+(1.2*x*0.768); %% Respuestas a b c d x

diseño de una planta termoelectrica

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