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Balance Térmico de Planta a Vapor

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

Tema: Balance Térmico de una Planta de Ingeniería con turbina a vapor

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA - FIM

Máquinas Marinas II

Alumno: Medrano Quispe Flavio

20101269J

Profesor: Mg. Acosta Pastor Víctor

Fecha de Presentación: 04 de Mayo del 2015

Contenido 1.

Breve Introducción........................................................................................ 3

2.

Esquema de Planta a Vapor..........................................................................4

3.

Descripción de Elementos Componentes del ciclo de la Planta a Vapor.......4

1

Balance Térmico de Planta a Vapor 4.

Consideraciones para realizar cálculo de Balance Térmico...........................5

5.

Cálculos en la Caldera.................................................................................. 6 5.1.

Combustible del Caldero........................................................................6

5.2.

Consumo específico de combustible......................................................6

5.3.

Consumo de Combustible.......................................................................6

5.4.

Tasa de Calor (HR).................................................................................. 6

5.5.

Calor de Entrada (Ho)............................................................................. 6

5.6.

Calor añadido por el calentador de aire (Ha)..........................................7

5.7.

Calor perdido por gases de escape........................................................7

5.8.

Calor por Radiación................................................................................ 8

5.9.

Pérdidas de Calor.................................................................................... 8

5.10.

Eficiencia del Caldero..........................................................................8

6.

Sobrecalentador........................................................................................... 8

7.

Turbina Propulsora Principal..........................................................................8 7.1.

Tasa de vapor (SR).................................................................................. 9

7.2.

Energía Disponible.................................................................................. 9

7.3.

Pérdidas en la Turbina..........................................................................10

8. Comparación de Plantas a vapor con otros conjuntos motores.....................11

1. Breve Introducción Las plantas a vapor han existido por más de cien años y han sido muy importantes para haber alcanzado el desarrollo naval que se tiene en nuestros tiempos. Las plantas a vapor trabajan calentando agua hasta pasado su punto de ebullición, hasta que esté sobrecalentado, luego se le traslada a través de múltiples turbinas para producir electricidad y el empuje que tanto se necesita. El propósito de este trabajo es cuantificar, mediante un balance térmico, toda la información concerniente a la energía necesaria, producida y perdida para 2

Balance Térmico de Planta a Vapor accionar nuestra planta a vapor. El balance térmico es una herramienta necesaria para diseñar una planta a vapor marina. El balance térmico también puede ser usado para determinar las condiciones más óptimas del vapor y su ciclo de diseño, o incluso para analizar el performance de una planta que ya está en servicio. Para poder iniciar el cálculo del balance térmico, se deben establecer los valores de: la potencia al eje, las condiciones de vapor y el ciclo básico de vapor-agua. Una vez que hayamos establecido estos valores, podremos determinar los flujos de vapor, de alimentación y condensado, y de escape.

2. Esquema de Planta a Vapor El siguiente esquema muestra la distribución básica del ciclo de una planta a vapor marina típica.

3. Descripción de Elementos Componentes del ciclo de la Planta a Vapor 1. Caldera (Boiler): Es el elemento de calentamiento del sistema: fuego generado por combustible el cual se utiliza para hervir el agua. 2. Válvula reguladora (Throttle box): Sirve para controlar la salida del vapor generado por la caldera.

3

Balance Térmico de Planta a Vapor 3. Turbina a alta presión (High Pressure Turbine): En esta turbina es a donde el vapor sobrecalentado se dirige desde la caldera, para así generar el movimiento rotatorio de la palas de la turbina. 4. Turbina a baja presión (Low Pressure Turbine): Es por donde el vapor, ahora menos sobrecalentado, viaja luego de haber pasado por la Turbina de Alta Presión. 5. Condensador (Condenser): Es donde el vapor es vertido luego de las turbinas. Éste interactúa con un medio de enfriamiento (usualmente agua de mar) para así producir la transferencia de calor. En este trabajo se utilizará un condensador de baja presión (a presión de vacío). 6. Bomba de condensado (Condensate pump): Conduce el vapor condensado al resto del sistema. 7. Eyector de aire (Air Ejector): Remueve los gases no condensables del sistema y ayuda a crear y mantener vacío. 8. Calentador de baja presión (Low pressure heater): Calienta el agua para diversas cargas auxiliares. 9. Calentador de Contacto Directo (Direct Contact Heater): Actúa como un tanque de almacenamiento para el agua proveniente de la bomba de condensado para luego dirigirse a la bomba de alimentación. También remueve los gases no condensables y calienta más el agua. 10.Bomba de alimentación (Feed pump): Sirve como una fuerza directriz del agua dentro de la caldera. Su presión de descarga debe ser mayor que la de la caldera para tener un flujo positivo. 11. Calentador de alta presión (High Pressure heater/Economizer): Actúa como un recalentamiento al sistema para que no ocurra sobresalto alguno con la entrada de agua fría a la caldera.

4. Consideraciones para realizar cálculo de Balance Térmico Como se mencionó en la introducción, debemos establecer ciertos valores de las principales características que deseamos que cumplan nuestra planta a vapor, por lo tanto tendremos las siguientes características de diseño:

Presión Inicial (Po)->a la entrada de la turbina principal Temperatura Inicial (To)>a la entrada de la turbina principal Presión de condensador principal 4 Potencia al eje Número de calderas

850 psig 950 °F

1.5 "Hg 32500 SHP 2 en paralelo

Balance Térmico de Planta a Vapor

5. Cálculos en la Caldera 5.1. Combustible del Caldero El combustible que generalmente se usa es el Bunker “C” (Número 6). Es un combustible de bajo grado Su componente principal es el Carbono, pero también contiene hidrógeno, sulfuros y alguna cantidad de oxígeno y nitrógeno. Es el combustible idóneo para este tipo de plantas por sus buenas características de encendido y es más barato que los demás otros grados de fuel oil. Este combustible tiene un valor de calentamiento de 18500 BTU/lb (HHV).

5.2. Consumo específico de combustible Es la relación del flujo de masa de combustible que se va a consumir y la potencia que se generará, su valor para este trabajo es de:

lb ) hr SFC =0.204 hp (

5.3. Consumo de Combustible Es la velocidad con la cual se consume el combustible en el caldero. Se determina de la siguiente manera:

lb ( hr ) lb gal Q ( FO )=SFC∗SHP=0.204 ∗32500 hp=6623.175 =907.167 hp

hr

hr

Para calcular la cantidad de barriles de combustible que se consumen en un día, solo se hará la siguiente conversión:

(

Barriles consumidos por día=

5

gal hr hr barriles ∗ 24 =51.84 gal dia día 42 barril

907.167

)(

)

Balance Térmico de Planta a Vapor

5.4. Tasa de Calor (HR) La tasa de calor es la relación del calor añadido al sistema dividido por la potencia de salida.

HR ( SHP ) ( planta )=

Q ( FO )∗HHV = SHP

lb BTU ∗18500 hr hr =9250 32500 hp hp

6623.175

5.5. Calor de Entrada (Ho) Es el valor de calentamiento más alto del combustible quemado, corregido por el calor específico a presión constante más el calor del combustible sobre los 100°F. Se calcula de la siguiente forma:

Ho=HHV +Cp ( FO )∗∆ T ( FO ) En nuestro caso:

(

Ho= 18500

BTU BTU BTU + 0.46 ∗100 ° F =18557.5 lb ° F∗lb lb

)(

)

5.6. Calor añadido por el calentador de aire (Ha) El calor añadido al aire de combustión por el calentador de aire “Ha” es igual al producto del calor específico del combustible Cp(FO), la relación aire combustible (A/F) y la diferencia entre la temperatura del aire que sale del calentador de aire (T2) y la temperatura dela temperatura del aire que entra al calentador de aire (T1).

Ha=Cp

( FO )∗A BTU ∗( T 2−T 1 )=0.46∗15.05∗( 200−75 )=865.375 F lb

5.7. Calor perdido por gases de escape Las pérdidas de chimenea (Hg) es la cantidad de energía que se pierde por medio de los gases de escape hacia la atmósfera. Para resolver “Hg”, nosotros necesitamos la Temperatura delos gases de chimenea (Uptake temperature) que se designa como “Tg”. Con la ayuda de la tabla que se encuentra debajo, se encontrará Hg. Se debe encontrar el punto de intersección entre la curva que representa al 5% de exceso de aire y la temperatura Tg que la asumiremos como la temperatura de ebullición (212°F).

6

Balance Térmico de Planta a Vapor

Encontramos entonces que las pérdidas de chimenea “Hg” es alrededor de 7.4. Para obtener el valor en BTU/lb, el gráfico nos indica un factor de corrección de18546 BTU/lb:

∗18546 ∗BTU 100 Hg=7.4( ) lb Hg=1372.404

BT U lb(FO )

5.8. Calor por Radiación El calor por radiación (Hu) se debe descontar por pérdidas y márgenes de manufactura, en consecuencia es simplemente el 1.1415% del calor de entrada (Ho):

Hu=1.1415 ( Ho )=1.1415 ( 18557.5 )=262.589

BTU lb

5.9. Pérdidas de Calor Las pérdidas de calor (HL) son igual a la suma del calor por radiación (Hu) y las pérdidas de chimenea (Hg)

7

Balance Térmico de Planta a Vapor

HL=Hu+ Hg=262.589+1372.404=1633.323

5.10.

BTU lb

Eficiencia del Caldero

Un caldero de una planta a vapor tiene de 80 a 95% de eficiencia en promedio. Este rango se debe a los diferentes tipos y estilos de diseño de la caldera. La eficiencia del caldero se calcula de la siguiente manera:

Eff ( boiler )=

[ ( H O + H a ) −HL] =0.9159=91.59 ( H O −H a )

6. Sobrecalentador El sobrecalentador es una serie de tubos dentro de la caldera. Su propósito es incrementar la temperatura del vapor pasado hasta alcanzar su estado sobresaturado. Este vapor sobresaturado es considerado como vapor seco ya que no posee humedad alguna. La humedad es un factor perjudicial para cualquier turbina a vapor, ya que puede causar erosión en sus paletas.

7. Turbina Propulsora Principal La turbina propulsora principal o Turbina de Alta Presión es hacia donde se dirige el vapor sobrecalentado del caldero y así generar la acción rotatoria de las palas de la turbina. Este giro rotacional genera el giro de los engranajes reductores y piñones, los cuales a su vez generan el movimiento rotatorio del eje propulsor. Mientras más abiertas sean las toberas, el flujo será mayor, y a su vez mayor será la potencia generada.

7.1. Tasa de vapor (SR) Es la razón de vapor que pasa a través de la turbina y se calcula de la siguiente manera:

SR=

2544.4 (h o−h w )

Donde 2544.4

BTU hr

es igual a 1 hp.

La tasa de vapor debe tener un valor entre cinco y seis. Para obtener el SR, debo encontrar el ho y hw, el primero es la entalpía a la presión y temperatura inicial. 8

Balance Térmico de Planta a Vapor

ho =h ( Po , T o )=1481.998

BTU lb

7.2. Energía Disponible La energía disponible (AE) es la cantidad teórica de energía (en BTU/lb) que la turbina utiliza. Por eso, analíticamente la AE es la diferencia de entalpías a la salida y entrada de la turbina:

AE=ho −h p De tablas termodinámicas, puedo obtener la entalpía y entropía relacionada a

Po y T o

que es a la entrada de la turbina:

o=¿ 1.651915

ho =h ( Po , T o )=1481.998

BTU lb

J K

S¿ Debemos notar que la entropía a la entrada de la turbina es igual a la entropía de la salida de la misma, y a su vez es el mismo punto de partida del condensador principal (Ciclo Rankine sobrecalentado)Entonces, habiendo establecido como condición de diseño la presión del condensador principal

PMAIN CONDENSER =1.5 Hg

y conociendo ya la entropía

o=¿ 1.651915

J K

S¿

puede conocer la entalpía a la entrada del condensador, denominada por

h p =907.2985

, se

hp :

BTU lb

Finalmente, conseguimos la Energía Disponible por la turbina:

AE=ho −h p =1481.998−907.2985=574.6993

BTU lb

7.3. Pérdidas en la Turbina Es la cantidad de vapor perdida en la turbina, es decir, que no es utilizada para realizar trabajo. Esto sucede ya que no todo el vapor generado tiene contacto 9

Balance Térmico de Planta a Vapor con las paletas de la turbina. Los valores de la Pérdida en la Turbina (EL: iniciales de Exhaust Loss) El valor de EL necesita de otra característica propia de la turbina para ser determinado. Esta característica es el área seccional promedio del flujo que atraviesa la turbina o conocida como área del anillo (Aa). El valor de EL varía con el intervalo de flujo de 4000 a 6000 lb/hr. Podemos además relacionar mediante un ajuste polnómico de cuarto grado el flujo que pasa a través de la turbina con sus respectivas pérdidas EL, de la siguiente manera:

Con lo cual para un flujo total de 4000 lb/hr: X=4000  Tendremos: EL (y)=9.811 lb/hr Y para un flujo de 6000 lb/hr: x=6000lb/hr  Tendremos: EL (y)= 17.191 lb/hr Sin embargo, estos solo son límites de valores que puede tomar las pérdidas en la turbina. Con el cálculo del área del anillo podremos encontrar el valor certero de EL.

Aa=

SR∗SHP P ( main condenser )∗X

Siendo X: El flujo dentro de la turbina o dentro del condensador Reemplazando datos y asumiendo una tasa de vapor de 5.5, tenemos:

Escogemos un valor intermedio probable del área de anillo que será 25 ft 2, que es el valor que se repite en varios cálculos de balances térmicos; y volvemos a reemplazar en la

10

Balance Térmico de Planta a Vapor ecuación del área de anillo para obtener el flujo total que deseamos pase a través de la turbina:

Habiendo obtenido el valor de flujo total, solo queda reemplazar en la regresión de cuarto grado propuesta para obtener las pérdidas en la turbina:

EL=12.991

lb hr

+

8. Comparación de Plantas a vapor con otros conjuntos motores Tipos de máquinas en función de la potencia y rendimiento térmico

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Balance Térmico de Planta a Vapor

Consumo específico de combustible en función de la potencia.

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Balance Térmico de Planta a Vapor

Rendimiento térmico en función de la carga

Peso específico de plantas propulsoras

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Balance Térmico de Planta a Vapor

Costes relativos de plantas propulsoras

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