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• EMANUEL RUIZ HERNANDEZ

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INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE MISANTLA

Materia: Máquinas y Equipos Térmicos l TITULAR: Ing. Jorge Roa Díaz. NOMBRE DEL TRABAJO: Trabajo de investigación (Caso práctico). UNIDAD No.: lll (Turbinas de Vapor). PERIODO: Enero – Junio 2019. OPCIÓN: Segunda Oportunidad. CARRERA: Ingeniería Electromecánica SEMESTRE: Sexto

GRUPO: 604

PRESENTA: 162T0795 Ruiz Hernandez Emanuel.

FECHA DE ENTREGA: 30/05/2019.

Ing. Jorge Roa Díaz. de

Máquinas y Equipos Térmicos I.

Instituto Tecnológico Superior

Rúbrica para la evaluación de la práctica de campo. GUÍA DE OBSERVACIÓN PARA EVALUAR PRÁCTICA DE CAMPO. Asignatura:

Máquinas y Equipos Térmicos l

Profesor: Ing. Jorge Roa Díaz. Competencia No.: lll

(Turbinas de vapor)

Total de SI.

Nota.

5

30%

6

36%

Nombre de la práctica de campo:

Trabajo de investigación (Caso práctico).

7

42%

Nombre del (los) estudiante (s):

Ruiz hernandez Emanuel

8

48%

Semestre: 4

9

54%

10

60%

Carrera: I.E.M Grupo:604

: Periodo: Enero – Junio 2019 Opción: Primera oportunidad ( ). Fecha:

Segunda oportunidad ( x ).

30/05/2019

No.

Indicador.

SI

1

Entrega en tiempo y forma de acuerdo a lo establecido.

2

Expone el marco conceptual que se utilizará y se vincula con el tema o estudio central. Presenta el origen y las causas del estudio. Además de una evaluación de alternativas, es decir, expone la propuesta y análisis para poder resolver el caso práctico.

3

4

Presenta estructura y organización de la información.

5

Redacta una propuesta de soluciones.

6

Redacta las valoraciones.

7

Presenta conclusiones donde puntualiza, el origen, trascendencia, evolución y soluciones posibles, así como niveles de riesgos y ajustes tentativos.

8

Presenta información fotografías, planos, etc.

9

Usa diversas fuentes de información que cumplen criterios de calidad para enriquecer su aprendizaje.

10

El documento presenta buena gramática, ortografía y puntuación. Así como limpieza y orden.

recomendaciones

extra

TOTAL:

NO

Observaciones.

y

como

NOTA:

ANALISIS REALIZADO A UNA TURBINA DE VAPOR O CONTRAPRESIÓN FLEXIBLE Ruiz Hernandez Emanuel, IEEE (ITSM, Km. 1.8 Carretera a Loma del Cojolite, [email protected])

Resumen_ El siguiente trabajo, presenta el análisis que se realizada a una turbina de vapor. La finalidad de análisis es determinar en uso más eficaz de esta turbina, pues, la empresa determina diferentes aplicaciones para ella como puede ser la industria química y petroquímica; fábrica de celulosa de papel; Trabajos de acero; minas; plantas de energía; plantas desalinizadoras de agua de mar; biomasa y residuos de energía. Abstract_ The following work presents the analysis carried out on a steam turbine. The purpose of analysis is to determine the most efficient use of this turbine, because the company determines different applications for it such as the chemical and petrochemical industry; paper pulp mill; Steel works; mines; Energy plants; seawater desalination plants; biomass and energy waste.

I.

INTRODUCCIÓN

E

n este documento se presenta el análisis realizado a una turbina de la marca SIEMENS®, específicamente el modelo SST-600. Esta es una turbina de vapor de flujo de condensación o contrapresión flexible (Fig.1), un grupo electrógeno de turbina de vapor estándar que incluye el SST600 (con o sin caja de engranajes), un generador, un sistema de aceite, tuberías e instrumentación y el sistema de control. El paquete estándar se puede ampliar para incluir un condensador, una planta de condensación o un sistema de precalentamiento. El SST-600 con su diseño confiable y flexible está disponible con escape axial o radial. [1]. El SST-600 es también un accionamiento mecánico eficiente y económico. Desde la década de 1970, cientos de proyectos se han implementado con éxito en todo el mundo utilizando el SST-600 para impulsar directamente todo, desde la bomba de agua de alimentación de caldera más pequeña, con la misma fiabilidad que el compresor más grande, incluso en los procesos más complejos. El SST-600 cumple con las regulaciones que incluyen el estándar API. [1]. Configurado para muchas aplicaciones posibles. El embalaje flexible SST-600 se adapta a una amplia gama de las necesidades del cliente. Puede diseñarse para una adaptación óptima a un proceso existente. La utilidad se moderniza. O, cuando el espacio es limitado, se puede adaptar como un paquete de turbina de vapor compacto con un pequeño sistema de tubería de aceite, por ejemplo. Como una bomba de agua de alimentación de caldera. También es muy adecuado cuando se requieren turbinas de vapor de alta eficiencia. [2]

¿Qué es una turbina de vapor? La turbina de vapor es un motor térmico cíclico rotativo, de combustión externa, que movido por vapor produce energía mecánica. El vapor entra a alta presión y temperatura, y se expansiona en la turbina, transformando una parte de su entalpía en energía mecánica. A la salida de la turbina, el vapor ha perdido presión y temperatura. [3]. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. [4]. Desde la revolución industrial las máquinas de vapor nos han facilitado la vida en cuanto a producción de energía. Esto lo podemos corroborar hoy en día, si bien, existen plantas generadoras de energía eléctrica que funcionan con fisión nuclear, energía geotérmica o bien biomasa, todas estas tienen similitud en el hecho de que, con esa energía, se hierve agua y se generan grandes cantidades de vapor capaces de mover grandes turbinas y así, con los generadores, producir energía eléctrica.

figura 1

: Turbina de vapor o compresión flexible SIEMENS® modelo SST-600

Como se menciona anteriormente, las turbinas de vapor son muy importantes para la generación de energía eléctrica, si se presta atención, las plantas ocupan algún tipo de energía que genere calor (geotérmica, nuclear, por biomasa, carbón, entre otras) para alcanzar el punto de ebullición de grandes volúmenes de agua. Cuando esto sucede, se generan grandes volúmenes de vapor de agua, el cual a su vez viaja a una gran presión. Las turbinas de vapor se encargan de aprovechar al máximo la energía cinética que trae consigo tales cantidades de fluido gaseoso, esto gracias al diseño de sus alabes, ya que

la fuerza recae en estos elementos de la turbina, haciendo girar el eje que posteriormente se enlaza a un generador. II.

DESARROLLO

Teniendo el dato de la presión, se utiliza el resultado obtenido, es decir 168.2538 kg/cm2 y procedemos a realizar la interpolación pertinente con la Tabla XV de anexos para Máquinas y Equipos Térmicos 1 [5].

El análisis se realiza a una turbina de tipo industrial, el modelo SST-600 de la marca SIEMENS®, dicha turbina, aprovecha la energía que trae consigo el vapor al fluir con cierta presión para producir electricidad a través del movimiento mecánico generado. El fabricante nos

PABS 140.61 168.2538 175.77

H1 635,6 616.2587 611

La siguiente conversión a realizar es la del diámetro medio del rodete, de acuerdo al sistema utilizado, quedando de la siguiente manera: 𝐷 = 1450 𝑚𝑚 (1𝑚/1000𝑚𝑚) = 1.45 𝑚

Los cálculos a realizar son para encontrar el número de escalonamientos de velocidad donde estarán los alabes unidos al eje, para dicho propósito se tiene la siguiente ecuación: 𝑁𝑣 = 𝑉⁄2𝑉𝑃𝑒𝑟𝑖𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎

(1)

Para esto, primero debemos de obtener el valor de la velocidad periférica, la cual se obtiene sustituyendo los datos en la siguiente ecuación. 𝑉𝑃𝑒𝑟𝑖𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝜋𝑑𝑛⁄60 figura 2 hoja de datos técnicos.

proporciona la hoja tecnica (Fig2):      

Vapor suministrado: 8000 kg/hr. Trabaja a una temperatura de: 580°C. Presión absoluta: 165 bar. Diámetro medio del rodete: 1450mm. Velocidad de giro: 18000 rpm. Potencia de salida: 200 MW

Con los siguientes datos antes mencionados, se puede proceder a realizar diferentes cálculos, pero para eso, necesitamos encontrar antes, la entalpia, que es la energía interna de trabajo sumada al fluido, se representa como h. Para encontrar dicha variable, utilizamos la presión dada de 165 bar, pero antes, se realiza la conversión correspondiente a kg/cm2.

Donde:  

d = diámetro medio del rodete n = número de revoluciones por minuto

Agregando valores a la ecuación 2: 𝑉𝑃𝑒𝑟𝑖𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝜋(1450)(1⁄1000)(18000)⁄60 = 1366.5928 𝑚⁄𝑠

El hecho de que nos dé como resultado una velocidad muy alta, corrobora lo que nos menciona el fabricante acera de esta turbina en particular, la cual al trabajar a grandes velocidades la hace útil para el manejo de grandes volúmenes de vapor. Otro dato que se debe de transformar, es el flujo másico, que no es más que el vapor suministrado, quedando de la siguiente manera. ṁ = 5000(1⁄3600) = 1.38 𝐾𝑔⁄𝑠 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

El valor del flujo másico, se utiliza en la ecuación de la energía cinética, la cual es la siguiente: 𝐸𝐶 = ṁ𝑉 2 ⁄2𝑔

Se tiene que: 1 𝑏𝑎𝑟 = 1.01972 𝐾𝑔 ⁄𝑐𝑚2

Por tanto. 165 𝑏𝑎𝑟 = 168.2538 𝐾𝑔 ⁄𝑐𝑚2

(2)

Donde:   

ṁ = flujo másico V = velocidad periférica g = constante de gravedad

(3)

Sustituyendo los valores correspondientes en la ecuación 3, se obtiene que. 𝐸𝐶 = 1.388(1366.5928)2 ⁄2(9.81) = 132120.047 𝑁 ∙ 𝑚 = 𝐽

Para conveniencia en los cálculos, se transforman los Joules a calorías. 𝐸𝐶 = 132120.047(426⁄1) = 56283140.04 𝐶𝑎𝑙 𝐸𝐶 = 56.2831 × 106 𝐶𝑎𝑙 𝐸𝐶 = 56.2831 𝑀𝐶𝑎𝑙

Con el dato antes obtenido, se puede proceder a la obtención de la velocidad, ya que no es la misma que la velocidad periférica, dicho valor lo obtenemos con el siguiente despeje.

REFERENCIAS [1] Turbinas de Vapor Industriales. 07/Abril/2019, de SIEMENS Sitio web:

https://new.siemens.com/global/en/products/energy /power-generation/steam-turbines/industrial-steamturbines.html [2]https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/p

ublic.1546870861.aeb4f867-08c2-45e0-afddde3ac865b075.sst-600-interactive-pdf.pdf [3]

http://www.plantasdecogeneracion.com/index.php/t urbinas-de-vapor 56.2831 × 106 = 𝑉 2 ⁄2𝑔 𝑉 = √2(9.81)(56.2831 × 106 ) = 33230.6365 𝑚⁄𝑠

Al igual que cuando se obtuvo la velocidad periférica, con la obtención de esta velocidad, se corrobora de nueva cuenta que este modelo de turbina trabaja de manera correcta a altas velocidades. Para este punto, ya se cuentan con todos los elementos necesario para calcular el número de escalonamientos de velocidad, por consiguiente, regresamos a nuestra ecuación 1 y se sustituyen los valores correspondientes. 𝑁𝑣 = 33230.6365⁄2(1366.5928) = 13.65 𝑁𝑣 = 12.15 ≈ 12 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑜𝑛𝑒

III.

CONCLUSIONES

Como conclusión, gracias al análisis realizado, se tiene que la turbina SST-600 de la marca SIEMENS® es una de las más adecuadas para trabajar a grandes velocidades y manejar grandes volúmenes de vapor. De igual manera, esta turbina tiene una gran producción de potencia, alcanzando los 200MW, aunque esta no es una de las turbinas que mayor potencie genere. El saber el comportamiento y funcionamiento de una turbina, es de vital importancia, por ejemplo, en el análisis realizado, se busca el número de escalones que tiene la turbina. Con esto, se puede tomar como entrenamiento futuro y se nos puede encargar la tarea de diseñar una turbina que cumpla ciertas necesidades. Así también, es sabido que nuestra carrera abarca desde el diseño de piezas, hasta el mantenimiento de las mismas, por lo cual saber los componentes de una turbina, su funcionamiento, las cargas que puede soportar, así como el trabajo que puede realizar, nos es útil para elaborar un plan de mantenimiento eficiente.

[4]Pedro Fernandez Diaz. (2000). Turbinas de Vapor. 08/04/2019, de Sitio web:

http://es.pfernandezdiez.es/?pageID=20 [5]Roa Díaz Jorge (2019) Antología del curso de Máquinas y Equipos Térmicos 1 (Sección anexos), Instituto Tecnológico Superior de Misantla.