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Turbina de Vapor

Alumno : Miguel Canto Bustamante Run: 18.789.366-6 Grupo: L-1 Experiencia: E952 Asignatura: Equipos e instalaciones térmicas e hidráulicas Profesor: Claudio Velásquez Fecha exp: 05/10/2018 Fecha entrega: 15/10/2018

1

Tabla de contenido RESUMEN

3

OBJETIVOS GENERALES

3

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

4

INSTRUMENTOS UTILIZADOS

5

PRESENTACIÓN DE DATOS

5

PRESENTACIÓN DE RESULTADOS

6

ANÁLISIS Y CONCLUSIONES

8

APÉNDICE

8

BIBLIOGRAFÍA

9

2

Resumen A continuación, se darán a conocer los resultados de la experiencia de “Turbina de vapor”, realizado en el sector de mecánica norte del DIMEC. Esta consistió en medir parámetros como la temperatura en la entrada y salida de un condensador, el voltaje y corriente utilizados por 2,4,6,8 y 10 ampolletas, la masa del condensado, entre otros. Las mediciones de temperatura y presión en la turbina son parte de los datos del ciclo Rankine, necesarias para obtener entalpías y entropías en partes determinadas del mencionado ciclo. Lo anterior, a fin de calcular los rendimientos de la turbina y generador. Todo con la finalidad de analizar el rendimiento teórico versus el rendimiento real.

Objetivos generales Familiarizar al alumno con el análisis, operación y funcionamiento de una turbina de vapor empleada en la generación de energía eléctrica, visualizando las operaciones de cada uno de los elementos que conforman una central térmica de vapor del tipo de laboratorio.

Objetivos específicos a) Determinar el rendimiento de una turbina de vapor del tipo de acción, así como el de la unidad turbogeneradora, graficando las curvas características. Conocer de la aplicación e importancia de los rendimientos.

b) Dar una idea general del funcionamiento de una central térmica de vapor real, así como de los aspectos termodinámicos involucrados.

3

Metodología experimental Luego de una introducción teórica sobre el procedimiento a realizar, y los cuidados a tener en cuenta, se inició la experiencia. En primer lugar, se asignaron tareas a todos los integrantes del grupo. Estas eran: -

Control del tiempo Temperatura de entrada del condensador Temperatura de salida del condensador Apagar ampolletas Escribir los resultados dictados Regular el paso de vapor a la turbina Medir la velocidad rotacional de la turbina Masar el condensado Lectura de Presión

Luego de que la presión entregada por la caldera fuera ajustada por el operador, se dio inicio a la experiencia. Consistió en abrir el paso de vapor hacia la turbina (figura 1), hasta que la velocidad rotacional de esta fuera de aproximadamente 3000 RPM. Al lograr esta velocidad, se encendieron 10 ampolletas (figura 2). Por 20 segundos fue recolectada la masa de condensado para luego ser masado. Mientras esto ocurría, y de la forma más rápida posible, se entregaron y anotaron todos los datos que eran medidos en ese momento.

Figura 1

Anotados todos los datos para las 10 ampolletas, se apagaron 2 de estas, quedando 8 prendidas. Esto hizo que las RPM subieran, por lo que hubo que ajustar el paso de vapor para que volvieran a aproximadamente 3000. Se repitió lo hecho para las 10 ampolletas. Luego se hizo lo mismo con 6, 4 y finalmente 2 ampolletas.

Figura 2

4

Instrumentos utilizados 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

2 termómetros con termocupla de inmersión 1 cronómetro Probeta graduada Balanza digital Tacómetro Digital Guantes Manómetro

Presentación de datos A continuación, se presentan los resultados obtenidos experimentalmente. Tabla 1. Resultados experimentales: Consumo por ampolletas. Consumo n [RPM] Pe [PSI] Te [K] Ts [K] m [Kgm] V [Volt] I [A] Tiempo [s]

2 2991 135 453,3 374 0,34 83,4 1,73 20

4 2918 140 454,3 372,7 0,38 83,7 3,18 20

6 3004 145 454,6 371,5 0,44 84,5 4,91 20

8 2996 140 450,5 371,6 0,48 84,3 6,66 20

10 2994 140 442,5 371 0,56 85,7 8,17 20

Tabla 2. Resultados experimentales: Condiciones ambientales del laboratorio. Temperatura ambiente 20,5 °C [293,65 K]

Presión Barométrica 720,9 mmHg

Siendo: n: Velocidad rotacional, en RPM Pe: Presión de entrada, en PSI Te: Temperatura de entrada, en K Ts: Temperatura de salida, en K m: Masa condensado, en Kgm V: Voltaje, en Volt I: Corriente, en amperes Tiempo: en segundos

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Presión Corregida 717,71 mmHg [95,69 MPa]

Presentación de resultados A continuación, se presentan tabulados los resultados obtenidos de los datos tomados en la experiencia. Tabla 3. Resultados totales. N° Ampolletas h3 [kJ/kg] s3 [kJ/kg] h4 [kJ/kg] h4'[kJ/kg] X (título) Rend. Turb. [%] Rend. Gen. [%] Rend. TurGen. [%]

2 4 6 8 10 2777,8128 2778,684 2778,94 2771,06 2767,5 7 6,5835 6,5756 6,602 6,671 2378,35804 2375,42463 2374,53347 2385,2274 2410,72 2676,92 2674,866 2672,92 2673,128 2672,18 0,8698843 0,86858673 0,86819254 0,87292289 0,88425604 25,2576284 25,7447211 26,2161938 25,3819922 26,7167442 2,24 4,09 6,37 9,038 12,1892364 8,87 15,92 24,3 35,6 45,58

Gráficos: Gráfico 1. Rendimiento Turbina.

Rendimiento Turbina 27

Rendimiento %

26,5 26 25,5 25 24,5 1

2

3

Intentos

6

4

5

Gráfico 2. Rendimiento Generador.

Rendimiento Generador 14

Rendimiento %

12 10 8 6 4 2 0 1

2

3

4

5

Intento

Gráfico 3. Rendimiento Turbo Generador.

Rendimiento %

Rendimiento Turbo Generador 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1

2

3

Intento

Donde: Intento 1: 2 ampolletas encendidas Intento 2: 4 ampolletas encendidas Intento 3: 6 ampolletas encendidas Intento 4: 8 ampolletas encendidas Intento 5: 10 ampolletas encendidas 7

4

5

Análisis y conclusiones -

-

-

Respecto a los rendimientos de la turbina obtenidos, se puede notar que el resultado se aproxima al rendimiento real de estos elementos, que ronda el 30%. La diferencia puede deberse a distintos factores, por ejemplo, el estado de los componentes de la turbina, la calidad del vapor, las posibles perdidas de carga por anormalidades en el trayecto del vapor, etc. Sin embargo, está dentro del rango normal. Respecto al rendimiento del generador, se puede observar el descenso (o aumento según se mire) en este desde las 10 a las 2 ampolletas. Es lógico pensar que al haber un menos consumo de corriente, se necesite menos energía, por lo mismo, se debe disminuir el flujo másico de vapor con el fin de evitar una alza significativa en las RPM. Si bien este último (flujo másico), varía poco en números, en terreno se notaba claramente la disminución del trabajo hecho por la turbina. Finalmente, cabe destacar que existen muchos factores en la práctica que afectan a los rendimientos del sistema. Por ejemplo, la turbina en teoría es adiabática, por lo que no debería existir una pérdida de calor por ella. Esto resulta totalmente falso en la realidad, puesto que es incluso necesario la utilización de guantes para evitar quemaduras en ese sector. Cabe destacar además que el ciclo no era utilizado en su totalidad, pues el agua del condensador era desechada por las cañerías.

Apéndice Los valores obtenidos en este informe fueron calculados mediante las formulas presentes a continuación: Presión atmosférica corregida: 𝑷𝒂𝒕𝒎 𝒄𝒐𝒓𝒓𝒆𝒈𝒊𝒅𝒂 = 𝑷𝒂𝒕𝒎 ± 𝑪𝑻 ± 𝑪𝑳 ± 𝑪𝒉 ± 𝑬𝒊𝒏𝒔𝒕 Título: 𝑿=

𝒔𝟑 − 𝒔𝒇 𝒔𝒇𝒈

Entalpía teórica: 𝒉𝟒 = 𝒉𝒇 + 𝑿 × 𝒉𝒇𝒈 Rendimiento turbina: 𝒏=

8

𝒉𝟑 − 𝒉𝟒′ 𝒉𝟑 − 𝒉𝟒

Rendimiento generador: 𝒏=

𝑽 × 𝑰 × ∆𝒕 (𝒉𝟑 − 𝒉𝟒′) × 𝟑𝟐𝟐

𝒏=

𝑽 × 𝑰 × ∆𝒕 (𝒉𝟑 − 𝒉𝟒) × 𝟑𝟐𝟐

Rendimiento Turbo-Generador:

Además, las entalpías y entropías fueron obtenidas de tablas termodinámicas. De misma forma, los hf,hfg,sf,sfg. N° Ampolletas h3 [kJ/kg] s3 [kJ/kg] h4'[kJ/kg] Sf [kJ/kg] sfg [kJ/kg] hf [kJ/kg] hfg [kJ/kg]

2 2777,8128 6,5835 2676,92 1,287353 6,088335 411,808 2260,703

4 2778,684 6,5756 2674,866 1,287353 6,088335 411,808 2260,703

Bibliografía

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-

Termodinámica, apuntes de clases, Usach

-

Tablas Termodinámicas

-

Guía Laboratorio.

6 2778,94 7 2672,92 1,287353 6,088335 411,808 2260,703

8 2771,06 6,602 2673,128 1,287353 6,088335 411,808 2260,703

10 2767,5 6,671 2672,18 1,287353 6,088335 411,808 2260,703