practica ciclo rankine

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y PETRÓLEOS

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

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Ciclo Rankine

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REVISIÓN N˚ 01

ÚLTIMA REVISIÓN27/09/2012

PRÁCTICA No. 4

000.INFORMACIÓN GENERAL

Período 2012-B

Materia Termodinámica III

100.INFORMACIÓN DE GRUPO

No. Día Horario

3 Martes 14-16H

200.INFORMACIÓN DEL(os) ALUMNO(s)

1. Sandoval Asimbaya José Antonio CC 1 7 1 9 9 9 2 4 8 7

(APELLIDOS Y NOMBRES COMPLETOS) CÉDULA DE CIUDADANÍA

2. Guanuchi Chávez Esteban Alejandro CC 1 7 1 9 1 8 5 4 8 8


3. CC


300.INFORMACIÓN DE FECHAS

DÍA(dd)

MES(mm)

ANO(aaaa)

DÍAS DE RETRASO (dd)

OBSERVACIONES

Fecha de Realización 1 10 2012

Fecha de Entrega 8 10 2012

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Ricardo PovedaEsteban Fierro

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Ing. Miguel Ortega

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1. Objetivos:

Reconocer cada una de las partes que forman y el ciclo rankine y su

funcionamiento.

Determinar las presiones manométricas en las zonas de: alta, media y baja

presión.

Medir las temperaturas en el panel de control de temperaturas del ciclo

por medio de termocuplas instaladas en el ciclo.

Calcular el trabajo realizado por la turbina dentro del ciclo.

2. Marco Teórico

PROCESO DE LA PRÁCTICA DEL LABORATORIO

1. Encendido de la caldera

2. Esperar que la caldera alcance las condiciones optimas de funcionamiento

3. Arrancar el turbo-generador

4. Con carga cero tomar los datos correspondientes de presión, temperatura, RPM,

flujo másico.

5. Aplicar cargas mediante el banco de resistencias eléctricas, cuando la caldera

vuelve a encender

6. Girar el reóstato de campo en sentido horario hasta que el voltímetro marque

120V este voltaje servirá para excitar la carga

7. Girar hasta la posición ON el dispositivo selector de la primera carga del valor

nominal 0.55 KW

8. Esperar que la caldera se apague y tomar datos, dos veces con la misma carga,

hacer lo mismo para las siguientes cargas

9. Aplicar la segunda carga, girar el dispositivo selector de la primera carga hasta la

posición OFF en sentido horario, girar la posición ON el dispositivo selector de la

segunda carga de valor nominal 2.75 KW

10. Aplicar la tercera carga, girar el dispositivo selector de la carga uno a la posición

ON manteniendo la segunda carga encendida, la tercera carga resulta de la suma

de las dos cargas, valor nominal 3.85 KW

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11. Cerrar el grupo turbogenerador

12. apagar la caldera

Indicar dos maneras de mejorar el rendimiento térmico del ciclo Rankine

CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO

En el ciclo con recalentamiento, el vapor no se expande por completo en una sola etapa hasta la

presión del condensador. Luego de expandirse parcialmente, el vapor se extrae de la turbina y

se recalienta a presión constante. A continuación, se lo devuelve a la turbina para su expansión

posterior hasta la presión de salida. Se puede considerar que la turbina está constituida por dos

etapas, una de alta y otra de baja presión como lo muestra la siguiente figura

Ciclo rankine con recalentamiento

Consideraciones generales:

Para responder a las crecientes demanda de potencia, las presiones de operación de las

calderas, han ido incrementándose de manera de elevarlas ganancias térmicas al

incrementar la temperatura de entrada a la caldera por efecto de la presión,

disminuyendo el calor transferido al fluido de trabajo. Sin embargo el aumento de la

presión el la caldera origina la disminución de la calidad del vapor de agua que sale de la

turbina como se observa en el diagrama Ts, es decir, A la salida de la turbina de alta

presión, el vapor esta generalmente próximo a la línea de saturación. Para evitar el

problema de erosión de los álabes de la turbina, y seguir aprovechando las ventajas de la

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alta presión en las calderas es necesario el desarrollo de los ciclos con recalentamiento.

La temperatura tras el recalentamiento, es generalmente igual o algo inferior a la

temperatura de entrada en la primera etapa de la turbina.

El máximo rendimiento térmico de un ciclo ideal con recalentamiento se obtiene cuando

el cociente PsalPent

en la turbina de alta presión, se encuentra dentro del intervalo de 0,15 a

0,35.

La temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento puede incrementarse si se

aumenta el número de etapas de expansión y recalentamiento. Sin embargo, el uso de más de

dos etapa de recalentamiento no es práctico, la ganancia en la eficiencia es tan pequeña que no

justifica el costo y la complejidad adicional. El doble recalentamiento se emplea sólo en plantas

de energía de presión supercrítica.

Para calcular el rendimiento térmico de un ciclo de recalentamiento, hay que tomar en cuenta el

trabajo que sale de ambas etapas de la turbina, así como el calor transferido en la zona de la

caldera-sobrecalentador (qcal ) y en la zona de recalentamiento (qrecal) rendimiento térmico esta

dado por

ηt=W turbalta+W turbbaja−W bomba

qcal+qrecal=

(h3−h4 )+ (h5−h6 )−wb(h3−h2 )+(h5−h4 )

CICLO RANKINE CON REGENERACIÓN

El ciclo regenerativo consiste, en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para

suministrar calor al fluido de trabajo, aumentado su temperatura antes de pasar por la fuente

principal de calor (Caldera) a una presión determinada. Existen dos tipos de calentadores uno

denominado calentador abierto o de contacto directo y el calentador cerrado o cambiador de

calor de carcasa y tubos.

Ciclo Rankine con calentadores abiertos

En el caso ideal, se ajustan los flujos másicos de las corrientes que entran al calentador, de

manera que el resultado de la mezcla a la salida del calentador sea líquido saturado a una

presión determinada. Las presiones de entrada deben ser iguales, para que no se produzcan

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retornos indeseables en las líneas de tuberías.

El análisis teórico de un calentador abierto en un ciclo ideal regenerativo se emplean los

principios de conservación de la masa y la energía aplicados al volumen de control mostrado en

la anterior

De la misma manera, el balance de energía con es:

Eliminando al combinar las ecuaciones anteriores tenemos:

Dividiendo toda la ecuación anterior entre la masa total m1 tenemos:

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Si la fracción de vapor de agua extraída de la turbina m4m1

, en el estado 4 se representa por y4, en

la ecuación anterior entonces:

El trabajo total que sale de la turbina, referido a la unidad de masa que atraviesa la zona de la

caldera y el sobrecalentador, es:

El trabajo de la bomba de condensado en condiciones isentrópicas, referido a la masa que

atraviesa al condensador, es:

El trabajo de la bomba de alimentación en condiciones isentrópicas, referido a la masa total del

ciclo, es:

Realizar un grafico de temperatura tiempo para el funcionamiento de las calderas

desde las condiciones ambientales hasta las condiciones de operación

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APROBADO POR:0 20 40 60 80 100 120

0

50

100

150

200

Temperatura vs tiempo

TEMPERAT...

Tiempo (S)

Tem

pera

tura

(°C)



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Realizar un grafico de Presión tiempo para el funcionamiento de las calderas desde

las condiciones ambientales hasta las condiciones de operación

Explique que es una caldera pirotubular y acuatubular, y las diferencias

entre ellas.

Pirotubular: Está interiormente por un paquete multitubular de transmisión de calor y

una cámara superior de formación y acumulación de vapor, los tubos están

completamente rodeados de agua, los gases pasan por el interior de los tubos,

presentan una elevada perdida de carga en los humos.

Acuatubular: en esta caldera el agua esta dentro de los tubos ubicados

longitudinalmente en el interior, el vapor producido por la combustión rodea los tubos y

calienta el agua, soporta mayores presiones.

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0 20 40 60 80 100 120 140 1600

102030405060708090

Presion Vs Tiempo

TEMPERATURA

Tiempo (S)

Pres

ion

(psi)



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3. Explique el funcionamiento de la válvula de control que regula el paso de

vapor a la turbina y su efecto en el ciclo.

En estos elementos se produce un cambio de la presión del fluido mediante una transformación

isoentálpica, desde la alta presión y temperaturas existentes en el condensador, a la baja

presión y temperaturas requeridas en el evaporador, al disminuir la presión y la temperatura del

fluido, cuando éste atraviesa por esta válvula, se reduce la entalpía específica del líquido, lo que

requiere que parte de él vaporice, absorbiendo en esta evaporación parcial el calor sobrante,

(diferencia entre las entalpías específicas del líquido antes y después de la válvula).

4. Explique qué es un rotámetro, su utilidad y describa el principio de

funcionamiento.

Los rotámetros o flujómetros son instrumentos utilizados para medir caudales, tanto de líquidos

como de gases que trabajan con un salto de presión constante. Se basan en la medición del

desplazamiento vertical de un “elemento sensible”, El principio de funcionamiento de los

rotámetros se basa en el equilibrio de fuerzas que actúan sobre el flotador. En efecto, la

corriente fluida que se dirige de abajo hacia arriba a través del tubo cónico del rotámetro,

provoca la elevación del flotador hasta una altura en que el área anular comprendido entre las

paredes del tubo y el cuerpo del flotador, Las fuerzas que actúan sobre el flotador son tres y de

naturaleza distinta

5. CUADRO DE DATOS1.- CONDICONES AMBIENTALES

Temperatura de bulbo seco Tbs [ºF]

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Temperatura de bulbo húmedo Tbh [ºF]Humedad relativa ∅ [%]

Presión atmosférica P atm [mmHg]

2.- TEMPERATURA

CARGA[kw]

CALDERA

[ºC]

T1[ºC]

T2[ºC]

T3[ºC]

T4[ºC]

T5[ºC]

T6[ºC]

T7[ºC]

T8[ºC]

T9[ºC]

0 160 160 160 144 45 64 32 18 300 160 160 160 145 30 64 32 18 29

0.55 161 160 160 146 31 64 33 18 320.55 160 159 159 146 30 64 33 18 302.75 160 159 159 148 32 61 36 18 332.75 160 160 160 148 31 63 36 18 333.85 160 160 160 149 33 64 37 18 343.85 160 160 160 149 33 64 37 18 34

3.- PRESIONES

CARGA[kw]

CALDERA[psig]

P1 P2 P3 P4 P5 P6

[psig] [psig] [psig] [psig] [psig] [psig]0 83 85 76 20 14 150 84 82 78 20 14 14.7

0.55 84 82 78 20 14 14.80.55 81 75 78 20 14 162.75 82 81 80.5 30 15 15.82.75 82 82 84 30 14 153.85 82 81 85 40 14 14.83.85 82 81 84 40 14 15

4.- GENERADOR Y BANCO DE RESISTENCIAS

CARGA[KW]

FUERZA[lbf]

R[in]

RPM V[V]

I[A]

0 0.6 9.252 3028 20 00 0.6 9.252 3023 20 0

0.55 1.25 9.252 3015 120 10.55 1.25 9.252 3008 120 12.75 4 9.252 2974 130 72.75 3.8 9.252 2997 130 7

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3.85 5 9.252 2974 120 93.85 5 9.252 2970 120 9

5- FLUJO DE AGUA Y CONSUMO DE COMBUSTIBLE

CARGA[KW

CONDENSADOR ENFRIAMIENTOCONDENSADOR

Q[IGPM]

Vc[cm3]

tc[s]

0 1000 63 100 1000 71 10

0.55 1000 62 9.50.55 1000 67 9.52.75 1000 48 102.75 1000 54 103.85 1000 46 103.85 1000 47 10

Bibliorafia

http://libros.redsauce.net/Refrigeraci%C3%B3n/PDFs/03Refrig.pdf http://www.efn.unc.edu.ar/departamentos/aero/Asignaturas/MecFluid/material/

Teoria%20Rotametro.pdf

http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/325/1/CD-0307.pdf http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-1-ciclo-de-vapor.pdf

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http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/325/1/CD-0307.pdf

http://www.efn.unc.edu.ar/departamentos/aero/Asignaturas/MecFluid/material/

http://libros.redsauce.net/Refrigeraci%C3%B3n/PDFs/03Refrig.pdf



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Quito- Ecuador

DISPOSICIONES GENERALES

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-El informe de la práctica se lo debe realizar de manera individual o en parejas.-El plazo de entrega es de una semana a partir de la práctica.-Los informes serán digitales, y enviados al correo indicado.-No se tolerará ningún tipo de copia o plagio (citar y referenciar cualquier fuente de consulta)

FORMATO Letra: Arial 11 Interlineado: 1,15

CONTENIDO

5. CARÁTULA (dada por el laboratorio)

6. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA (Máximo 4)

7. MARCO TEÓRICO

Proceso de realización de la Práctica

Indicar dos maneras de mejorar el rendimiento térmico en un ciclo Rankine

Realizar un gráfico temperatura-tiempo para el funcionamiento de una caldera

desde las condiciones ambientales hasta la finalización de la práctica (aprox.)

Realizar un gráfico presión-tiempo para el funcionamiento de una caldera

desde las condiciones ambientales hasta la finalización de la práctica (aprox.)

Explique que es una caldera pirotubular y acuatubular, y las diferencias entre

ellas. (Máximo 6 líneas)

8. EXPLIQUE EL FUNCIONAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL QUE

REGULA EL PASO DE VAPOR A LA TURBINA Y SU EFECTO EN EL

CICLO. (Máximo 6 líneas)

9. EXPLIQUE QUÉ ES UN ROTAMETRO, SU UTILIDAD Y DESCRIBA EL

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. (Máximo 6 líneas)

10. CUADRO DE DATOS.

11. EJEMPLO DE CÁLCULOS (Solo para una condición de funcionamiento)

- Entalpías

- Flujo másico de vapor

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- Calor añadido

- Calor rechazado

- Potencia isoentrópica de la turbina

- Potencia de la turbina (eficiencia isoentrópica de la turbina: asumir 90%)

- Potencia al eje del generador

- Potencia eléctrica

- Rendimiento térmico

- Eficiencia isoentrópica de la turbina

- Eficiencia de la transmisión

- Eficiencia del generador

- Rendimiento total

12. CUADRO DE RESULTADOS (1 solo valor para cada condición de carga,

kW)

13. DIAGRAMA T-s DEL CICLO (del ciclo ideal y real del laboratorio,

superpuestos)

14. DIAGRAMA SANKEY (1 para cada condición de carga)

15. EXPLIQUE SI EL CALOR AÑADIDO CALCULADO (y empleado para

calcular el rendimiento térmico) ES IGUAL AL CALOR AÑADIDO

SUMISTRADO POR LA COMBUSTIÓN DE DIESEL EN EL QUEMADOR

(Máximo 8 líneas)

16. ANÁLISIS DE RESULTADOS

17. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

18. BIBLIOGRAFÍA

ENVIAR A:

-Correo: [email protected]

-Asunto: LT_Rankine_GrupoNo#

-Archivo: LT_ Rankine_Apellido1_Apellido2

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mailto:[email protected]

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