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• EMANUEL RUIZ HERNANDEZ

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE MISANTLA ASIGNATURA: Máquinas y Equipos Térmicos I.

TITULAR: Ing. Jorge Roa Díaz.

NOMBRE DEL TRABAJO: Trabajo de Investigación (caso práctico).

UNIDAD No. 3: Turbinas de vapor. PERIODO: Enero – Junio 2019.

OPCIÓN: Segunda Oportunidad.

CARRERA: Ingeniería Electromecánica.

SEMESTRE: 6

GRUPO: 604

PRESENTA: 162T0603. Ortega Aguilar Kristell

FECHA DE ENTREGA: 30 de mayo del 2019.

1

1 

Rúbrica para la evaluación de la práctica de campo.

GUÍA DE OBSERVACIÓN PARA EVALUAR PRÁCTICA DE CAMPO. Asignatura: Máquinas y Equipos Térmicos I

Total de SI.

Nota.

Profesor: Ing. Jorge Roa Díaz

5

30%

Competencia No. 3: Turbinas de vapor.

6

36%

Nombre de la práctica de campo: Trabajo de Investigación (caso práctico).

7

42%

Nombre del (los) estudiante (s): Ortega Aguilar Kristell

8

48%

Carrera: Ingeniería Electromecánica Semestre: 6° Grupo: 604

9

54%

10

60%

: Periodo: Agosto-Julio 2019 Opción: Primera oportunidad (x).

Segunda oportunidad ( ).

Fecha: 25 de febrero del 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.

3

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.

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

NO

Observaciones.

y

como

TOTAL:

NOTA:

1

Uso de una turbina de vapor en una central termoeléctrica. Kristell Ortega Aguilar. [email protected]. Estudiante de la Ingeniería Electromecánica. INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE MISANTLA. Km 1.8, Carretera Lomas del Cojolite, 93821. Misantla, Ver. Resumen: En la presente investigación tratara sobre la importancia que tiene el uso de turbinas de vapor. Primero, se comenzará como en forma de introducción, con conceptos básicos, como lo son: ¿Qué es una turbina de vapor?, elementos, clasificación de las turbinas de vapor. Además se ejemplifica la aplicación de una turbina de vapor en una central termoeléctrica.

Abstract: In the present investigation, he will discuss the importance of the use of steam turbines in the industry. First, it will begin as an introduction, with basic concepts, such as: What is a steam turbine?, Elements, classification of steam turbines. In addition, the application of a steam turbine in a thermoelectric power station is exemplified. Palabras claves: Vapor, turbina, generador, electricidad. I.

INTRODUCCION

L

a turbina de vapor es una máquina de fluido en la que la energía de éste pasa al eje de la máquina saliendo el fluido de ésta con menor cantidad de energía. La energía mecánica del eje procede en la parte de la energía mecánica que tenía la corriente y por otra de la energía térmica disponible transformada en parte en mecánica por expansión. Esta expansión es posible por la variación del volumen específico del fluido que evoluciona en la máquina.

de gas con la misma potencia de salida se tiene que el gasto másico de la turbina de vapor es tres veces menor que el de la turbina de gas. Dada la gran diferencia que se debe obtener entre la presión de entrada y de salida de la turbina es necesario producir esta expansión en distintas etapas, escalonamientos, con el fin de obtener un mejor rendimiento de la operación. Si sólo se realizase la expansión en una etapa las grandes deflexiones a que tendría que estar sometido el fluido provocarían pérdidas inaceptables. Las pérdidas en una turbina de n escalones no son iguales a la suma de las pérdidas de n turbinas sino que son menores, ya que los escalones de la turbina son capaces de recuperar parte de la energía degradada en el anterior escalón para generar energía mecánica. Sin embargo a medida que aumenta el número de escalonamientos la máquina se encarece, por lo que hay que buscar un buen compromiso entre rendimiento y costes. Las turbinas utilizadas para una central termoeléctrica son por lo general una agrupación de distintos componentes y turbinas que dan por resultado una turbina compuesta en tándem, esto significa, que los componentes o turbinas trabajan en conjunto sobre la misma flecha para hacer más eficiente el uso de la presión del vapor.

II.

ELEMENTOS DE UNA TURBINA DE VAPOR.

Los elementos principales de una turbina de vapor son: 

Figura 1. Turbina de vapor.

El trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor de entrada a la turbina y el de salida. En una central termoeléctrica, este trabajo, se emplea para mover un generador eléctrico que transforma el trabajo en energía eléctrica. El hecho de la utilización del vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de kg de fluido de trabajo. Este ratio en el caso del agua es tres veces mayor que en el caso del aire de forma para dos turbinas, una de vapor y otra

Rotor.

Es el elemento móvil del sistema. La energía desprendida por el vapor en la turbina se convierte en energía mecánica en este elemento. Dado que la turbina está dividida en un cierto número de escalonamientos, el rotor está compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina moviéndose con él.

Figura 2. Representación del rotor.

1





Turbina axial.

Estator.

El estator está constituido por la propia carcasa de la turbina. Al igual que el rotor, el estator está formado por una serie de coronas de alabes, correspondiendo cada una a una etapa o escalonamiento de la turbina.

Desde el punto de vista de su funcionamiento las turbinas axiales se pueden dividir en tres clases según el grado de reacción que presentan. Se define grado de reacción de una turbomáquina a la relación: 𝐑=

∆𝐡𝐫𝐨𝐭𝐨𝐫 ∆𝐡𝐭 𝐞𝐬𝐜𝐚𝐥𝐨𝐧

Es decir, a la disminución de entalpía en el rotor dividida por la disminución de entalpía total (entalpía más energía cinética específica) en el escalonamiento. Atendiendo a esto se tienen los tres casos característicos siguientes: Figura 3. Representación del estator.



1.

Toberas.

El vapor es alimentado a la turbina a través de estos elementos. Su labor es conseguir una correcta distribución del vapor entrante/saliente al/desde el interior de la turbina.

La presión disminuye completamente en el estator mientras que se mantiene constante en el rotor donde la velocidad del fluido no varía apenas salvo una leva disminución por la fricción. R≤ 0 (Negativo ligeramente debido a la disminución de entalpía en el rotor por la fricción). 2.

Figura 4. Representación de la tobera.

III.

TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. A. Por la dirección del flujo de vapor en el interior de la turbina.|

Una primera clasificación de las turbinas de vapor puede desarrollarse haciendo referencia a movimiento de la corriente de vapor dentro de cuerpo de la turbina. Según este criterio existen dos tipos de turbinas: 

Radiales.

La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina. 

Axiales.

La circulación de vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina. B. Por su mecanismo de funcionamiento

Turbina axial de acción con presión constante en el rotor.

Turbina axial de acción con entalpía constante en rotor.

La entalpía es constante en el rotor y se produce una expansión en el estator con aumento de la velocidad del gas. En el rotor, sin embargo, la velocidad relativa es constante. Se produce una pequeña caída de presión que no provoca un aumento de la velocidad debido a que es debida a la fricción. R=0 3. Turbina axial de reacción. La expansión se produce en el estator y en el rotor con una disminución de entalpía en el estator debido a la expansión y un aumento de la velocidad. En el rotor también se produce expansión aumentando la velocidad relativa del fluido. R>0 (frecuentemente en torno a 0,5). 4. Turbina Centripetas. Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolución: • En el estator se produce una expansión aumentando la velocidad, disminuyendo la entalpía. • En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativa debida a la expansión donde además se produce una caída de presión. R>0 (frecuentemente próximo a 0,5).

IV.

APLICACIÓN

1 Determine las variaciones de entropía de vaporización, correspondiente al vapor de agua saturado con el que trabajaría un generador de vapor (Caldera) del Hospital General “Dr. Manuel Gea González”, bajo las siguientes condiciones de temperaturas:

𝒅=

𝑑=

(𝒇 − 𝒃)(𝒄 − 𝒂) +𝒃 (𝒆 − 𝒂)

(0.5158 − 0.5029)(180 − 176.6) + 0.5029 (182.2 − 176.6) d=0.5107

TABLA 1 Temperaturas absorbidas por la caldera del Hospital General “Dr. Manuel Gea González”.

Por lo tanto, el valor de Sf es 0.5107. Sustituir los valores 𝐒𝐠𝐰 y Sf en la ecuación: 𝑺𝒇𝒈 =



𝑺𝒇𝒈 =

Para la temperatura 180°C:

Sgw − Sf x

1.5718 − 0.5107 1

Formula a utilizar: 𝑺𝒇𝒈 =

Sgw − Sf x

Utilizando la tabla XIV “VAPOR SATURADO SECO: TABLA DE TEMPERATURAS” de los apuntes, obtener:



Para la temperatura 170°C:

Formula a utilizar:

Para 𝐒𝐠𝐰

𝑺𝒇𝒈 =

a- 176.6-1.5783- b c- 180-x- d e- 182.2-1.5677- f

Sgw − Sf x

Utilizando la tabla XIV “VAPOR SATURADO SECO: TABLA DE TEMPERATURAS” de los apuntes, obtener:

Interpolar para encontrar el valor de x (𝐒𝐠𝐰 ): 𝒅=

𝒅=

𝑺𝒇𝒈 = 𝟏. 𝟎𝟔𝟏𝟏

(𝒇 − 𝒃)(𝒄 − 𝒂) +𝒃 (𝒆 − 𝒂)

(1.5677 − 1.5783)(180 − 176.6) + 1.5783 (182.2 − 176.6) d=1.5718

Para 𝐒𝐠𝐰 a- 171.1-1.5891- b c- 170-X- d e- 176.6-1.5783- f

Interpolar para encontrar el valor de x (𝐒𝐠𝐰 ):

Por lo tanto, 𝐒𝐠𝐰 tiene el valor de 1.5718

𝒅=

Para Sf : 𝑑= a- 176.6-0.5029- b c- 180-x- d e- 182.2-0.5158- f Interpolar para encontrar el valor de x (Sf )

(𝒇 − 𝒃)(𝒄 − 𝒂) +𝒃 (𝒆 − 𝒂)

(1.5783 − 1.5891)(170 − 171.1) + 1.5891 (176.6 − 171.1) d=1.5912

Por lo tanto, 𝐒𝐠𝐰 tiene el valor de 1.5912 Para Sf :

1

𝑑=

a- 171.1-0.4900- b c- 170-X- d e- 176.6-0.5029- f

d=1.6324

Interpolar para encontrar el valor de x (Sf ):

(𝒇 − 𝒃)(𝒄 − 𝒂) 𝒅= +𝒃 (𝒆 − 𝒂) 𝑑=

(1.6231 − 1.6350)(150 − 148.8) + 1.6350 (154.4 − 148.8)

(0.5029 − 0.4900)(170 − 171.1) + 0.4900 (176.6 − 171.1) d=0.4874

Por lo tanto, 𝐒𝐠𝐰 tiene el valor de 1.6324 Para Sf a- 148.8-0.4369- b c- 150-X- d e- 154.4-0.4504- f Interpolar para encontrar el valor de x (Sf ):

Por lo tanto, el valor de Sf es 0.4874

𝒅=

(𝒇 − 𝒃)(𝒄 − 𝒂) +𝒃 (𝒆 − 𝒂)

Sustituir los valores 𝐒𝐠𝐰 y Sf en la ecuación: 𝑺𝒇𝒈

Sgw − Sf = x

𝑑=

(0.4504 − 0.4369)(150 − 148.8) + 0.4369 (154.4 − 148.8) d=0.4397

𝑺𝒇𝒈 =

1.5912 − 0.4874 1

𝑺𝒇𝒈 = 𝟏. 𝟏𝟎𝟑𝟖



Por lo tanto, el valor de Sf es 0.4397

Sustituir los valores 𝐒𝐠𝐰 y Sf en la ecuación: 𝑺𝒇𝒈 =

Para la temperatura 150°C:

Formula a utilizar: 𝑺𝒇𝒈

Sgw − Sf = x

Utilizando la tabla XIV “VAPOR SATURADO SECO: TABLA DE TEMPERATURAS” de los apuntes, obtener: Para 𝐒𝐠𝐰 a- 148.8-1.6350- b c- 150-X- d e- 154.4-1.6231- f

𝑺𝒇𝒈 =

𝒅=

(𝒇 − 𝒃)(𝒄 − 𝒂) +𝒃 (𝒆 − 𝒂)

1.6324 − 0.4397 1

𝑺𝒇𝒈 = 𝟏. 𝟏𝟗𝟐𝟕 Resultado final: Se tomara el valor más bajo obtenido el cual es el de la temperatura de 180°C que es 1.0611. V.

Interpolar para encontrar el valor de x (𝐒𝐠𝐰 ):

Sgw − Sf x

CONCLUSIÓN

Estableciendo una comparación de los cálculos realizados de funcionamientos de calderas según la temperatura ambiente que la rodea, se puede decir que, la variación de entropía es la relación entre la cantidad de energía calorífica añadida o sacada de 1 kg de vapor y la temperatura absoluta a la cual se hace la adición o sustracción expresada la variación de entropía. La entropía total del vapor saturado es igual a la suma de entropía del líquido Sf y de la entropía de vaporización 𝑺𝒇𝒈 .

1 En este caso se tomara el dato más bajo de acuerdo a la variaciones obtenidas en las operaciones analizadas.

BIBLIOGRAFÍA