fa iele-2010-209 centrales electricas.pdf

7/30/2019 FA IELE-2010-209 Centrales Electricas.pdf

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1.- DATOS DE LA ASIGNATURANombre de la asignatura : Centrales Elctr icas

Carrera : Ingeniera Elctrica

Clave de la asignatura : ELE-1001

SATCA1 3 - 1 - 4

2.- PRESENTACINCaracterizacin de la asignatura.

Esta asignatura aporta al perfil del ingeniero electricista la capacidad para analizarfenmenos involucrados en los procesos de generacin de energa elctrica y lasensibilidad y conocimientos para hacer un uso eficiente de la energa.

Para integrarla se ha hecho un anlisis del campo de las mquinas elctricas y los

equipos mecnicos, identificando temas de termodinmica e hidrulica que tienenuna mayor aplicacin en el estudio de las centrales elctricas.

Esta asignatura puede considerarse como terminal en la retcula genrica, pero darsoporte a otras que pueden aparecer dentro del mdulo de especialidad en el reade fuentes alternas de energa o energas renovables.

Intencin didctica.

Se organiza el temario en seis unidades, agrupando los contenidos conceptuales portipo de central generadora en cada unidad, analizando los equipos y procesosauxiliares en la segunda unidad.

En la primera unidad se analizan las componentes de las centrales termoelctricasconvencionales, sus balances de energa y eficiencia de los equipos involucrados.Se hace un estudio de la situacin actual de los combustibles fsiles, as como delas fuentes de energa no renovables. El estudiante debe realizar un trabajo deinvestigacin relativo a la produccin nacional de explotacin de los recursosenergticos derivados del petrleo y analizar la tendencia en el mediano y largo

plazo. Como tema de actualidad se analiza el impacto al medio ambiente derivadode la construccin y operacin de una central termoelctrica.

Se abordan las leyes de la termodinmica y ciclos trmicos en la segunda unidadbuscando una visin de conjunto de este campo de estudio relativo a las centrales

1Sistema de Asignacin y Transferencia de Crditos Acadmicos


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termoelctricas. Al estudiar cada ciclo se incluyen los conceptos involucrados conellos para hacer un tratamiento ms significativo, oportuno e integrado de dichosconceptos.

En la tercera unidad se estudia la generacin de energa elctrica mediante turbinasde gas sencillas y con recuperadores de calor. Se analizan los balances de energautilizando gas natural y diesel. Se debe realizar un trabajo de investigacin relativo alos componentes de las turbinas de gas y sus equipos auxiliares. Debe incluir lossistemas de arranque, lubricacin, combustin y control.

En la unidad 4 se estudia la generacin de energa elctrica mediante centrales deciclo combinado. Se analizan los balances de energa utilizando gas natural. Sedebe realizar un trabajo de investigacin relativo a los componentes de las centralesde ciclo combinado y sus equipos auxiliares. Se realiza un estudio tcnicoeconmico del costo del kWh producido y costos de inversin. En esta unidad se

incluyen actividades de modelaje de instalaciones aplicado a anteproyectosespecficos.

En el aspecto de las energas renovables la unidad 5 se refiere a las centraleshidroelctricas, analizando los vasos, represas, la obra de toma, la clasificacin delas turbinas hidrulicas, los equipos auxiliares y el sistema elctrico de potencia. Sehacen ejercicios para el clculo de eficiencia de una central de este tipo.

Las centrales nucleares para generacin de energa elctrica se estudian en la

unidad 6. Se analizan los procesos de fisin y fusin nuclear, los tipos de reactores ygeneradores de vapor. Se tratan los temas de seguridad, manejo y confinamiento delos residuos radioactivos. Se debe realizar un trabajo de investigacin para exponerla situacin actual y sus perspectivas, tanto a nivel nacional como mundial.

La idea es abordar reiteradamente los conceptos fundamentales de las diferentesformas de generacin de energa elctrica hasta conseguir su comprensin. Sepropone abordar los procesos termodinmicos desde un punto de vista conceptual,partiendo de la identificacin de cada uno de dichos procesos en el entornocotidiano.

Se sugiere una actividad integradora que permita aplicar los conceptos estudiados.Esto permite dar un cierre a la materia mostrndola como adecuada por s misma enel desempeo profesional, independientemente de la utilidad que representa en eltratamiento de temas en asignaturas posteriores.


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El enfoque sugerido para la asignatura requiere que las actividades prcticaspromuevan el desarrollo de habilidades para la experimentacin, tales como:identificacin, manejo y control de variables y datos relevantes, planteamiento dehiptesis y trabajo en equipo. As mismo, propicien procesos intelectuales comoinduccin-deduccin y anlisis-sntesis con la intencin de generar una actividad

intelectual compleja; por esta razn varias de las actividades prcticas se handescrito como actividades previas al tratamiento terico de los temas, de maneraque no sean una mera corroboracin de lo visto previamente en clase, sino unaoportunidad para conceptualizar a partir de lo observado. En las actividadesprcticas sugeridas es conveniente que el profesor busque slo guiar a los alumnospara que ellos hagan la eleccin de las variables a controlar y registrar. Para queaprendan a planificar, que no planifique el profesor todo por ellos, sino involucrarlosen el proceso de planeacin.

La lista de actividades de aprendizaje sugiere como mnimo las necesarias para

hacer ms significativo y efectivo el aprendizaje. Algunas de las actividadessugeridas pueden hacerse como actividades extraclase y una vez en el aulacomenzar con el anlisis y discusin de los resultados observados. Se busca partirde experiencias cotidianas, para que el estudiante se acostumbre a reconocer losfenmenos fsicos en su alrededor. Es importante ofrecer escenarios distintos:construidos, artificiales, virtuales o naturales

En las actividades de aprendizaje sugeridas, generalmente se propone laformalizacin de los conceptos a partir de experiencias concretas; se busca que elalumno tenga el primer contacto con el concepto en forma concreta y sea a travs

de la observacin, la reflexin y la discusin que se d la formalizacin; la resolucinde problemas se har despus de este proceso. Esta resolucin de problemas no seespecifica en la descripcin de actividades, por ser ms familiar en el desarrollo decualquier curso. Pero se sugiere que se diseen problemas con datos faltantes osobrantes de manera que el alumno se ejercite en la identificacin de datosrelevantes y elaboracin de supuestos.

En el transcurso de las actividades programadas es muy importante que el estudiante aprenda a valorar las actividades quelleva a cabo y entienda que est construyendo su hacer futuro y en consecuencia actue de una manera profesional; de igualmanera, aprecie la importancia del conocimiento y los hbitos de trabajo, desarrolle la precisin y la curiosidad, la puntualidad,el entusiasmo y el inters, la tenacidad, la flexibilidad y la autonoma.

Es necesario que el profesor ponga atencin y cuidado en estos aspectos en eldesarrollo de las actividades de aprendiaje de esta asignatura.


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3.- COMPETENCIAS A DESARROLLARCompetencias especficas:

Evaluar, en base al conocimientogeneral de diseo y operacin delas centrales de generacin

elctrica convencionales, laimportancia que adquieren comoconvertidoras de los recursosnaturales en fuentes de energaelctrica, con una orientacin haciael uso racional de los mismos, ascomo su impacto al medio ambiente

Disear modelos de plantas degeneracin de ciclo combinado parael sistema de suministro pblico opara autoconsumo particular

Competencias genricas:

Competencias instrumentales

Capacidad de anlisis y sntesis Capacidad de organizar y planificar Conocimientos bsicos de la carrera Comunicacin oral y escrita Habilidades bsicas de manejo de la

computadora Habilidad para buscar y analiza

informacin proveniente de fuentesdiversas

Solucin de problemas Toma de decisiones.

Competencias interpersonales

Capacidad crtica y autocrtica Trabajo en equipo Habilidades interpersonales

Competencias sistmicas Capacidad de aplicar los conocimientos

en la prctica Habilidades de investigacin Capacidad de aprender Capacidad de generar nuevas ideas

(creatividad) Habilidad para trabajar en forma

autnoma Bsqueda del logro


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4.- HISTORIA DEL PROGRAMALugar y fecha de

elaboracin o revisinParticipantes Evento

Instituto TecnolgicoSuperior de Irapuato del24 al 28 de agosto de2009.

Representantes de los InstitutosTecnolgicos de:Aguascalientes, Chetumal,

Chihuahua, Ciudad Guzmn,Ciudad J urez, Coatzacoalcos,Culiacn, Durango, Hermosillo,La Laguna, Mrida, NuevoLaredo, Orizaba, Pachuca,Saltillo, Tlalnepantla, Valle DeBravo y Veracruz.

Reunin Nacional deDiseo e Innovacin

Curricular para elDesarrollo y Formacin deCompetenciasProfesionales de laCarrera de Ingeniera enElctrica.

Desarrollo de Programasen CompetenciasProfesionales por losInstitutos Tecnolgicosdel 1 de septiembre al 15

de diciembre de 2009.

Academias de IngenieraElctrica de los Institutos

Tecnolgicos de:Cd. J urez, Durango,Hermosillo, Aguascalientes yVeracruz

Elaboracin del programade estudio propuesto en laReunin Nacional deDiseo Curricular de laCarrera de Ingeniera

Elctrica.

Instituto Tecnolgico deMexicali del 25 al 29 deenero del 2010.

Representantes de los InstitutosTecnolgicos de:Aguascalientes, Chetumal,Chihuahua, Ciudad Guzmn,Ciudad J urez, Coatzacoalcos,Culiacn, Durango, Hermosillo,La Laguna, Mrida, Mexicali,Orizaba, Pachuca, Saltillo,

Tlalnepantla, Valle De Bravo yVeracruz.

Reunin Nacional deConsolidacin de losProgramas enCompetenciasProfesionales de laCarrera de IngenieraElctrica.


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5.- OBJETIVO GENERAL DEL CURSO Evaluar, en base al conocimiento general de diseo y operacin de las

centrales de generacin elctrica convencionales, la importancia queadquieren como convertidoras de los recursos naturales en fuentes de energaelctrica, con una orientacin hacia el uso racional de los mismos, as como

su impacto al medio ambiente.

Disear modelos de plantas de generacin de ciclo combinado para el sistemade suministro pblico o para autoconsumo particular.

6.- COMPETENCIAS PREVIAS Selecciona, operar y manteniene el equipo mecnico asociado a los sistemas

y equipos elctricos de los procesos industriales o de uso generalizado. Aplica los conocimientos bsicos de termodinmica y mecnica de los fluidos

en el estudio, seleccin y aplicacin en equipos mecnicos, mquinaselctricas y accesorios para la generacin de la energa elctrica.

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7.- TEMARIO

Unidad Temas Subtemas

1 CentralesTermoelctricasConvencionales

1.1 Arreglos generales de sistemasconvencionales.

1.2 Combustibles fsiles; caractersticas ysituacin actual.

1.3 Ciclos de vapor, equipos trmicos yproduccin elctrica.

1.4 Balances de energa, prdidas yeficiencias por equipos y generales.

1.5 Impactos al medio ambiente.

2 EquiposTermomecnicos

2.1 Generalidades y clasificacin de calderas.2.2 Sistemas de alimentacin y quemado de

combustible.

2.3 Produccin y caractersticas del vapor.2.4 Turbinas de vapor, clasificacin y

caractersticas de diseo.2.5 Ciclos trmicos con calderas y turbinas.2.6 Sistemas de recuperacin de condensado

y torres de enfriamiento2.7 Sistemas y equipos de tratamiento de

agua.


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3 Turbinas de gas 3.1 Generalidades de diseo, clasificacin ycapacidades de turbogs.

3.2 Arreglos bsicos con turbogeneradores degas.

3.3 Recuperadores de calor, diseos,

caractersticas y capacidades.3.4 Capacidades, consumo de combustible,produccin elctrica y trmica.

3.5 Balances de energa, capacidades yeficiencias de conjunto.

4 Centrales de CicloCombinado

4.1 Arreglos generales de combinacionesvapor-gas, datos de diseo, capacidadesy caractersticas.

4.2 Anlisis comparativo con la convencional.4.3 Balances de energas trmica y elctrica,

prdidas y eficiencias por equipo y

generales.4.4 Costo del kWh producido.4.5 Equipos complementarios, tamao de

instalaciones y costos de inversin.4.6 Modelaje de instalaciones y anteproyectos

especficos.

5 Centrales Hidroelctricas 5.1 Generalidades de diseo de instalacioneshidrulicas en vasos y represas.

5.2 Turbinas hidrulicas, clasificacin,capacidades y caractersticas generales.

5.3 Arreglos de instalaciones hidroelctricas,

datos de diseo, eficiencias de conjunto yproduccin elctrica.5.4 Equipos electromecnicos

complementarios.5.5 Equipos elctricos, barras de generadores,

tableros de control y subestacin elctrica.

6 CentralesNucleoelctricas

6.1 Fisin Nuclear6.2 Tipos de reactores y generadores de vapor.6.3 Seguridad, manejo y confinamiento de

residuos radiactivos.6.4 Situacin actual y perspectivas en Mxico y

en el mundo


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8.- SUGERENCIAS DIDCTICAS

El profesor debe ser conocedor de la disciplina que est bajo su responsabilidad,conocer su origen y desarrollo histrico para considerar este conocimiento al abordarlos temas. Desarrollar la capacidad para coordinar y trabajar en equipo, orientar eltrabajo del estudiante y potenciar en l la autonoma, el trabajo cooperativo y la toma

de decisiones. Mostrar flexibilidad en el seguimiento del proceso formativo y propiciarla interaccin entre los estudiantes. Tomar en cuenta el conocimiento de losestudiantes como punto de partida para la construccin de nuevos conocimientos.

Propiciar actividades de metacognicin. Ante la ejecucin de una actividad,sealar o identificar el tipo de proceso intelectual que se realiz: unaidentificacin de patrones, un anlisis, una sntesis, la creacin de unheurstico. Al principio lo har el profesor, luego ser el alumno quien loidentifique. Ejemplo: reconocer ciclo termodinmico al que se ajusta cada tipode central: reconocimiento de patrones; elaboracin de un principio a partir deuna serie de observaciones producto de un experimento.

Propiciar actividades de bsqueda, seleccin y anlisis de informacin endistintas fuentes. Ejemplo: buscar y contrastar principios de operacin de lascentrales elctricas identificando puntos de coincidencia entre unos y otrostipos e identificar cada proceso de generacin en situaciones concretas.

Fomentar actividades grupales que propicien la comunicacin, el intercambioargumentado de ideas, la reflexin, la integracin y la colaboracin de y entrelos estudiantes. Ejemplo: al socializar los resultados de las investigaciones ylas experiencias prcticas solicitadas como trabajo extra clase.

Observar y analizar fenmenos y problemticas propias del campoocupacional. Ejemplo: los trabajos de investigacin a realizar en cada unidad.

Propiciar el desarrollo de capacidades intelectuales relacionadas con lalectura, la escritura y la expresin oral. Ejemplos: trabajar las actividadesprcticas a travs de guas escritas, redactar reportes e informes de lasactividades de experimentacin, exponer al grupo las conclusiones obtenidasdurante las observaciones.

Facilitar el contacto directo con materiales e instrumentos, al llevar a caboactividades prcticas, para contribuir a la formacin de las competencias parael trabajo experimental como: identificacin manejo y control de variables ydatos relevantes, planteamiento de hiptesis, trabajo en equipo.

Propiciar el desarrollo de actividades intelectuales de induccin-deduccin yanlisis-sntesis, que encaminen hacia la investigacin.

Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicacin de losconceptos, modelos y metodologas que se van aprendiendo en el desarrollode la asignatura.

Proponer problemas que permitan al estudiante la integracin de contenidosde la asignatura y entre distintas asignaturas, para su anlisis y solucin.

Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente;as como con las prcticas de una utilizacin sustentable de la energaelctrica.


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Cuando los temas lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejorcomprensin del estudiante.

Propiciar el uso de las tecnologas de informacin y comunicacin en eldesarrollo de la asignatura (procesador de texto, hoja de clculo, base dedatos, graficador, e Internet).


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9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIN

La evaluacin debe ser continua y formativa por lo que se debe considerar eldesempeo en cada una de las actividades de aprendizaje, haciendo especialnfasis en:

Reportes escritos de las observaciones hechas durante las actividades, ascomo de las conclusiones obtenidas de dichas observaciones.

Informacin obtenida durante las investigaciones solicitadas plasmada endocumentos escritos.

Descripcin de otras experiencias concretas que podran realizarseadicionalmente.

Exmenes escritos para comprobar el manejo de aspectos tericos ydeclarativos.

Reportes escritos de las visitas de campo. Reporte de los trabajos de simulacin por computadora.

Reporte de las prcticas de laboratorio. Presentacin de los trabajos de investigacin.

10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE

Unidad 1: Centrales Trmicas ConvencionalesCompetencia especfica a desarrollar Actividades de Aprendizaje

Reconocer y evaluar las

caractersticas funcionales de loscomponentes de las centralestermoelctricas convencionalespara su integracin en sistemasde conversin de la energa yeficiencia e impacto al medioambiente.

Realizar un trabajo de investigacinrelativo al ciclo termodinmico de una

central termoelctrica. Realizar una presentacin respecto a los

generadores de vapor y sus equiposauxiliares.

Investigar la relacin entre los conceptos:energa interna, calor, entalpa, entropa ytemperatura y discutir su relacin.

Identificar esos conceptos en el procesode la generacin de vapor.

Analizar el sistema de generacin devapor desde el punto de vista de eficienciaenergtica. Concretar ese anlisis enbalances de energa.

Realizar una presentacin respecto a losprincipios de operacin de las turbinas devapor de alta, intermedia y baja presin.

Presentar un trabajo de investigacinrespecto al impacto ambiental que produce


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la construccin y operacin de una centraltermoelctrica.

Unidad 2: Equipos TermomecnicosCompetencia especfica a desarrollar

Actividades de Aprendizaje

Conocer y evaluar lascaractersticas de diseo,comportamiento, especificacionesy seleccin de calderas y turbinasde vapor, incluyendo sus sistemasauxiliares para la integracin decentrales termoelctricas.

Investigar los tipos de calderas disponiblestanto pirotubulares como acuotubulares.Discutir y formalizar grupalmente loinvestigado.

Realizar un estudio respecto a laproduccin de combustoleo, gas natural ydiesel y comentarlo en grupo.

Analizar las caractersticas del vaporsaturado, del vapor sobrecalentado y delvapor recalentado y discutir en grupo su

obtencin y utilizacin. Realizar un trabajo de investigacin

respecto a los componentes de la turbinade vapor y sus equipos auxiliares. Discutiren grupo.

Investigar y discutir en grupo la relacinentre calor y entalpa.

Realizar una presentacin respecto al cicloagua-vapor, indicando los equiposauxiliares involucrados.

Realizar una presentacin indicando el

proceso de combustin: combustible-aire-gases.

Explicar las caractersticas de las torres deenfriamiento y los aerocondensadores.Comentar en grupo las coincidencias y lasdiferencias.

Explicar el principio de operacin delsistema de tratamiento de agua medianteel mtodo de smosis inversa.

Unidad 3: Turbinas de gasCompetencia especfica a desarrollar


Conocer y evaluar lascaractersticas de diseo,comportamiento, especificacionesy seleccin de turbogeneradoresde gas y recuperadores de calor,incluyendo sus sistemas

Realizar una presentacin de loscomponentes de la turbina de gasconvencional y sus equipos auxiliares.

Realizar una presentacin de loscomponentes de la turbina de gas con


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auxiliares, para la integracin decentrales termoelctricas.

recuperacin de calor y sus equiposauxiliares.

Presentar el principio de operacin de laturbina de gas y compararla con el motorde propulsin a chorro.

Realizar una presentacin indicando elproceso de combustin: combustible-aire-gases.

Elaborar balances de energa y clculosde eficiencia energtica utilizandodiferentes combustibles.

Unidad 4: Centrales de Ciclo CombinadoCompetencia especfica a desarrollar


Modelar y evaluar las

caractersticas de diseo,capacidades y comportamientopara plantas de cogeneracin ycentrales de ciclo combinado.

Realizar una presentacin de los

componentes de la central de ciclocombinado y sus equipos auxiliares.

Realizar una presentacin de loscomponentes del recuperador de calorpara generacin de vapor y sus equiposauxiliares.

Investigar los arreglos de las centrales deciclo combinado mostrando las turbinasde gas, los recuperadores de vapor parageneracin de vapor, las turbinas de gas,el sistema de extraccion de condensado,

los aerocondensadores y los generadoreselctricos.

Realizar una presentacin indicando elproceso de combustin y generacin devapor: combustible-aire-gases-vapor-agua.

Elaborar balances de energa y clculosde eficiencia energtica utilizandodiferentes combustibles.

Realizar modelos de diferentespropuestas de plantas de cogeneracin y

de ciclo combinado para evaluacin decapacidades y eficiencias energticas.

Unidad 5: Centrales HidroelctricasCompetencia especfica a desarrollar


Conocer y evaluar lascaractersticas de diseo,

Realizar una presentacin de los


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comportamiento, especificacionesy seleccin de turbinas hidrulicas,incluyendo sus sistemasauxiliares, para la integracin decentrales hidroelctricas.

componentes de la central hidroelctrica ysus equipos auxiliares.

Realizar una presentacin de las turbinashidrulicas tipo Kaplan, Pelton y Francis ycomentar en grupo sus diferencias y

aplicaciones. Investigar los arreglos de las centrales

hidroelctricas mostrando la presa, lacortina, la obra de toma, la turbina y elgenerador elctrico.

Realizar clculos de eficiencia de unacentral hidroelctrica.

Elaborar un diagrama unifilar mostrandoel generador, transformador elevador,transformador de auxiliares, interruptoresy lnea de transmisin.

Unidad 6: Centrales NucleoelctricasCompetencia especfica a desarrollar


Conocer y evaluar lascaractersticas de diseo,comportamiento, especificacionesy seleccin de reactores,cambiadores de calor especiales,contenedores y equiposauxiliares, para la integracin de

centrales nucleoelctricas.

Realizar una presentacin de loscomponentes de la central nuclear y susequipos auxiliares.

Realizar una presentacin de loscomponentes del reactor nuclear parageneracin de vapor y sus equiposauxiliares.

Investigar los arreglos de las centralesnucleares mostrando el reactor, la turbinay el proceso agua-vapor.

Realizar una presentacin indicando elproceso de generacin de vapor en unreactor nuclear.

Elaborar balances de energa y clculosde eficiencia energtica utilizando.

Analizar la situacin de la energa nuclearen el pas y comentarla en grupo.

Investigar el desarrollo de la energa

nuclear a nivel mundial y comentarlo engrupo.


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11.- FUENTES DE INFORMACIN1. Philip Klameh. Power Generation Handbook. McGraw-Hill. 2002

(Recomendado como texto)2. A.J . Pansini & K. D. Smalling. Guide to Electric Power Generation. The

Fairmont Press. Second Ed. 20023. Frederick T. Morse, Centrales Elctricas, Editorial CECSA, Ed. 19784. Pgina cfe.gob.mx de la Comisin Federal de Electricidad5. Gilberto Enrquez Harper. Elementos de Centrales Elctricas. Editorial Limusa.

Ed. 19986. R. K. Evans. Nuclear Power Reactor. Editorial McGraw-Hill. Ed. 20027. Fink and Beaty. Standard Handbook for Electrical Engineers. Editorial

McGraw-Hill. 13th. Ed. 20048. American Nuclear Society. http://www.ans.org9. Comisin Reguladora de Energa, Balance Anual de Energa, ltima edicin

.

12.- PRCTICAS PROPUESTAS Medir la carga hidrulica neta de la cuba que alimenta a la turbina hidrulica. Medir el caudal que alimenta a la turbina y regulndolo para obtener una cierta

frecuencia. Calcular la potencia de la turbina considerando sus curvas de comportamiento

segn el tipo de turbina hidrulica disponible. Calcular el nmero de polos que debe tener el generador elctrico

considerando la frecuencia medida y velocidad de la turbina. Operacin del generador de vapor Torres de enfriamiento y aerocondensadores Simulacin de la operacin de la turbina de vapor

Simulacin de la operacin de la turbina de gas Simulacin de la operacin de la turbina hidrulica Simulacin de la operacin del reactor nuclear Simulacin de la operacin de una central convencional Simulacin de la operacin de una central de ciclo combinado

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