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• Frank Alexis Quiñones

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• Locomotora de vapor
• Generador eléctrico
• Corriente eléctrica
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• Corriente alterna

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INTRODUCCION

Siendo las Turbinas a Vapor, las que mas se utilizan en nuestra industria en las pequeñas plantas térmicas para dotas de energía eléctrica a sus instalaciones, empleándose además para accionar diversas máquinas: como bombas booster, etc.; se realiza en los Laboratorios de Máquinas Térmicas de la Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas de la Universidad Nacional de Ingeniería el Laboratorio de Turbinas a Vapor como parte de la capacitación profesional del estudiante universitario en el uso de los diversos instrumentos de medición de uso frecuente en su profesión en el campo de la Energética. En el presente Informe sobre TURBINAS A VAPOR BELLIS-MORCOM se detalla los pasos a seguir para calcular los parámetros de trabajo de una Turbina a Vapor con suministro de presión a presión constante y régimen de carga variable. Se presenta además las gráficas de Consumo a Vapor, Potencia y Rendimiento vs. La Potencia al Eje.

OBJETIVOS 1) El Laboratorio de Turbinas a Vapor ha tenido como principal finalidad el capacitar al alumno en el conocimiento de los diversos componentes de una planta Térmica, en el funcionamiento de la misma, y en el funcionamiento de cada uno de sus componentes: Caldera de Vapor, Turbina de Vapor, Condensador, Tanque de Tratamiento de agua de alimentación a la Caldera, etc.

Capacitar al alumno en el uso y lectura de los diversos instrumentos de medición de los parámetros energéticos de trabajo de una Turbina a Vapor como preparación del futuro Ingeniero Mecánico en el campo de la energética de considerable influencia en su profesión.

EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN CENTRALES TÉRMICAS

A) Planta de Combustible a. Tanque de Petróleo COLORES DE IDENTIFICACIÓN DE TANQUES DE COMBUSTIBLE Producto Gas licuado de petróleo Gasolina de aviación Gasolina especial Gasolina regular

Color primario

Color secundario

Envolvente

Techo

Blanco brillante

-

Blanco brillante

-

Naranja

-

Aluminio

Azul trianón

Aluminio

-

Aluminio

Bermellón (rojo) Bermellón (rojo)

Blanco brillante Blanco brillante Blanco brillante Blanco brillante Blanco brillante Blanco brillante Blanco brillante

Nafta industrial

Turquesa

Nafta especial

Bermellón (rojo)

Blanco brillante Blanco brillante

Solventes

Verde turquesa

-

Aluminio

Tolueno

Azul claro

-

Aluminio

Gris acero

-

Aluminio

Blanco brillante

Gris acero

-

Aluminio

Blanco brillante

Verde esmeralda Amarillo tostado

Blanco brillante

Aluminio

-

Aluminio

Cocoa

-

Aluminio

Cocoa

Negro brillante

Negro mate

Turbo combustible producción nacional Turbo combustible exportación Queroseno Combustible diesel Aceites lubricantes Aceite usado Petróleo

Blanco brillante -

Aluminio Aluminio

Negro mate

Blanco brillante Blanco brillante Blanco brillante Negro mate Negro mate

combustible Petróleo crudo

Negro brillante

Verde manzana

Asfalto

Ferroprotector negro

-

Azul trianon

-

Gris dublin

-

Alcohol desnaturaliza-do Agua

Blanco brillante Ferroprotector Ferroprotector negro negro Blanco Aluminio brillante Gris dublin Gris dublin Aluminio

CAPACIDADES – TERMINOLOGÍA

CAPACIDAD DISPONIBLE CAPACIDAD TOTAL

CAPACIDAD OPERACIONA L

VÁLVULA DE SALIDA

FONDAJE

Capacidad total: Volumen del tanque totalmente lleno: en tanques horizontales hasta el límite de la envolvente; en tanques verticales de techo fijo hasta el anillo que circunda el techo; en tanques de techo flotante hasta que la parte más alta de los elementos del techo se iguale con el extremo superior de la envolvente. Capacidad operacional: Volumen del tanque hasta la altura máxima a que debe llevarse el tanque por razones de seguridad y expansión del producto. Como regla general se establece: tanques horizontales, capacidad total menos 1%; tanques verticales de techo fijo 300mm por debajo de la cámara de espuma o 300mm por debajo del anillo que circunda la envolvente cuando el tanque no tiene cámara de espuma; tanques verticales de techo flotante, igual que la capacidad total. Bajo circunstancias especiales estas capacidades podrán ser alteradas por el Administrador del establecimiento. Fondaje o residuo: Volumen de producto que no es factible de entregar a través de la toma normal de salidas del tanque.

B) Planta de Tratamiento de Agua a. Ablandadores y Regeneradores

Es fácil olvidarse de cuanto importante es el agua para nuestras vidas. Por supuesto, la necesitamos en nuestra dieta, pero en nuestra casa, es un instrumento, un medio fluido que transporta materiales de un lugar a otro, y unas de las razones que le permite de ser efectivo, es su capacidad de guardar materia, sea en suspensión o sea en disolviéndola. Desgraciadamente, el agua no es un instrumento que viene con un manual de instrucción. Si así fuera, usted sabría porque sobres sus platos quedan manchas, después de haberlos lavados y secados. Usted sabría porque el agua de la ducha deja una cinta de partículas sobre todos lo que toca, y porque el agua que usted cree limpia tapa su sistema de cañería.

El agua pasa a través el depósito de mineral en la cual los iones de calcio y de magnesio pierden su carga positiva con la carga negativa de las perlas de plástico. El depósito de salmuera retiene una solución de sal que empuja él mineral del depósito reemplazando el Ca y el Mg por iones de Na. Un medidor arriba del depósito de mineral regula los ciclos de carga. La válvula de montaje conduce el flujo de agua hacia cada paso del ciclo de la regeneración. Causas y Efectos Mientras que el agua está en la tierra, toma pedacitos solubles de lo que pasa a través. Mientras que esto puede significar la contaminación que hace el agua impropia beber, en muchos casos simplemente los medios que el agua contiene los minerales encontró en la tierra. De éstos, el calcio y el magnesio son de importancia particular porque afectan la capacidad del agua de funcionar en nuestros hogares. Estos minerales hacen nuestra agua dura. Las aguas duras se miden en gramos por galón (GPG), o miligramos por litro (mg/l, equivalente a partes por millón o ppm). El agua hasta 1 GPG (o 17.1 mg/L) es considerada suave y un agua de 60 a 120 GPG es considerada moderadamente dura. El eficacia del ablandador de agua depende de cuanto es la dureza del agua entrante. El agua sobre 100 GPG puede no ser completamente ablandada. Uno de los efectos causados por la dureza del agua es que el jabón los detergentes pierden su efectividad. En vez de disolver completamente el jabón, este se combina con los minerales del agua para formar un jabón coagulado, cortado. Porque el jabón se disuelve, usted necesita más. Además, una solución insoluble y pegajosa se desparrama al alrededor del jabón, y queda pegada después sobre la piel. A lavar el cabello, una vez limpio, parece sin vida y desabrido.

En el lavadero, las cosas no están mucho mejor. El agua dura reacciona con los detergentes y jabones para formar películas anti-espumantes que se acumulan en vuelta de las piletas y bañeras, decanta en las ropas, dándoles una apariencia gris opaco. Además de los efectos provocados por la limpieza, depósitos de jabón insoluble dejan manchas sobre todo lo que usted lave - desde su loza, hasta el auto familial - y una cinta de jabón va aparecer en su bañera y su ducha. Otra razón para que usted se preocupe de los efectos nefastos de la dureza del agua, es el efecto que tiene sobre su sistema de cañería. Depósitos de calcio y de magnesio se crean en las pipas, reduciendo el flujo de los conductos. En las calderas de agua, estos minerales producen una escala de residuo que reduce eficacidad y la durabilidad de la caldera. La Solución - Ablandadores de Agua La solución al problema es atacar el calcio y el magnesio. Mientras que hay los tratamientos químicos que hacen esto, la respuesta más popular es un ablandador de agua. El ablandador típico es una aplicación mecánica, conectada en su sistema de abastecimiento de agua. Todos los ablandadores de agua usan el mismo principio operacional. Ellos sustituyen los minerales por otros, generalmente el sodio. El principio es llamado intercambio iónico. El medio del ablandador de agua, es un depósito de minerales el cual esta lleno, con granos de "poliestireno", llamados también resina o zeolita. Los granos están cargados eléctricamente negativos. El calcio y el magnesio en agua ambos llevan cargas positivas. Esto significa que estos minerales se aferrarán en los granos cuando el agua dura pasa a través del depósito mineral. Los iones del sodio también tienen cargas positivas, no obstante tan fuertes como la carga en el calcio y el magnesio. Cuando una salmuera concentrada pasa a través del depósito que contiene los granos plásticos saturados con calcio y magnesio, se mezcla con el volumen de iones de sodio, esta supuesto que esto arrastra los iones de calcio y de magnesio fuera de los granos de plástico. El ablandador de agua tiene un depósito de salmuera separado de los granos que usa una sal común para crear esta salmuera. En la operación normal, el agua dura entra en el tanque mineral y los iones de calcio y de magnesio se mueven a los granos, substituyendo iones del sodio. Los iones del sodio entran el agua. Cuando los granos se saturan con calcio y el magnesio, la unidad comienza un ciclo trifásico de la regeneración. Primero, la fase de retrolavado invierte el flujo del agua para quitar la suciedad del tanque. En la fase de la recarga, la solución de sal concentrada y sodio-rica fluye del depósito de la salmuera al depósito mineral. El sodio recoge en los granos, substituyendo el calcio y el magnesio, que van abajo del dren. Cuando esta fase se termina, se elimina el exceso de la salmuera del depósito mineral y se rellena el depósito de la salmuera.

1. La fase de retrolavado quita la suciedad del tanque. 2. Recargar el depósito mineral con sodio de la solución de la salmuera desplaza el calcio y el magnesio, que entonces entra el dren. 3. La fase final enjuaga el depósito mineral con agua fresca y carga de salmuera el depósito que está listo para el próximo ciclo. Control de Regeneración Automática La mayoría de los ablandadores de agua populares tienen un sistema automático de la regeneración. El tipo más básico tiene un cronómetro eléctrico que limpie y recargue el sistema en un horario regular. Durante recargar, el agua suave no está disponible. El segundo tipo de control usa un computador que controla la cantidad de agua usada. Cuando bastante agua ha pasado a través del depósito mineral para haber agotado los granos de sodio, la computadora acciona la regeneración. Estos ablandadores tienen frecuentemente una capacidad de reserva de resina, para que agua ablandada sea disponible durante la recarga. Un tercero tipo de control usa una escala de medida mecánica para medir la cantidad de agua usada y para poner en acción la recarga. La ventaja de este sistema es que no hay componentes eléctricos, y el depósito mineral sé recarga solo cuando es necesario. Cuando el esta equipado con dos depósitos de minerales, el agua suave está siempre disponible, aun cuando la unidad está recargando. Una parte de crucial importancia en los tratamientos es la predicción del comportamiento químico del agua. Para realizarla de forma exacta, sólo se pueden utilizar cálculos numéricos, y de esta forma se evitan imprecisiones asociadas al uso de índices indicativos. Para este cálculo algunas empresas han desarrollado aplicaciones informáticas como CALCSATU y ADICLEGI. Estos programas informáticos permiten simular con precisión el comportamiento de las diferentes sales incrustantes presentes en el agua de los circuitos. Mediante este conocimiento se puede diseñar el tratamiento más adecuado. Para dar pautas de operación al personal de planta en ausencia del técnico especialista, nuestra aplicación informática ADIC permite el consejo técnico más adecuado ante cualquier desviación sobre los datos analíticos previstos.

Otros métodos de purificación Los métodos de purificación de aguas son muchos y muy variados, cada uno de ellos puede controlar, con distintos grados de efectividad, uno o más de los contaminantes clasificados anteriormente. En la mayoría de los casos no es suficiente con emplear uno solo de los métodos, sino que conviene ordenar en la línea de agua múltiples barreras para lograr o preservar una óptima calidad. i. Ozonización: El ozono generado habitualmente en una fase gaseosa, es absorbido mediante un correcto mezclado en el líquido a purificar. Una vez disuelto reacciona para provocar una oxidación directa por adición de átomos de oxígeno dentro de cualquier estructura orgánica, provocando un desdoblamiento de las moléculas. También realiza un efecto catalítico favoreciendo la reacción del oxígeno que lo acompaña, consumiéndose también en este caso (a diferencia de una catálisis común en la que el catalizador permanece, al final, intacto). ii. Desionización: Mediante el pasaje de agua a través de un lecho de pequeñas esferas plásticas, se realiza el intercambio de iones según sea la selectividad de la resina: catiónica o aniónica. La desionización no será absoluta en ningún caso, ya que una pequeña fracción de iones puede ser arrastrada de la resina. iii. Osmosis Inversa: Podemos explicar mejor este tratamiento luego de conocer el proceso de ósmosis natural. En el fenómeno de ósmosis, el agua se mueve a través de una membrana semipermeable, desde una zona de menor concentración hacia una más concentrada, hasta un punto en el que se alcanza un equilibrio de fuerzas en el seno del líquido. En la ósmosis inversa, la presión de bombeo, revierte el proceso natural, obteniendo así un agua purificada y, al otro lado de la membrana, un concentrado que se purga. iv. Filtración: Es un método primario típico en la purificación de aguas y, por otra parte, el más elemental en cuanto al principio de operación. Sólo entran en juego el tamaño de las partículas a retener y el tamaño de malla o la porosidad del manto filtrante. v. Ultra filtración: El principio es el mismo que el de filtración. En este caso no sólo es posible retener partículas en suspensión sino que se pueden emplear para eliminar turbidez y también para retención bacteriana con cuerpos filtrantes de porosidad submicrónica. En general se coloca un

filtro común "aguas arriba" para conferirle una mayor autonomía o vida útil. vi. Oxidación UV: A longitudes de onda corta comprendidas entre 250 y 265nm se produce la destrucción del material proteico que compone los microorganismos, bacterias y virus. Basándose en esto se esteriliza el agua exponiéndola a la irradiación de una lámpara emisora en el rango mencionado (ej.: lámparas de vapor de mercurio). vii. Ionización de Plata: Muchos metales pesados, y la plata en forma relevante, presentan muy buenas propiedades bactericidas. Efecto detectado hace gran cantidad de años. Actúa desnaturalizando, por coagulación, al material proteico disuelto en el agua. La forma en la que se incorpora al líquido es mediante una electrólisis controlada, proporcional al caudal de agua. Su efecto residual es amplísimo ya que el remanente de iones protege al agua y a sus conductos y reservorios durante largo tiempo. C) Planta Térmica a. Calderos Piro tubulares o Ígneo tubulares Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua.

Ventajas: Menor costo inicial debido a su simplicidad de diseño. Mayor flexibilidad de operación Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación. Inconvenientes: Mayor tamaño y peso. Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. No son empleables para altas presiones

b. Quemador Avanzado Características i. Razones de llama garantizados de 10:1 en gas y 8:1 en petróleo diesel. ii. Reduce el stress térmico de los elementos mecánicos causados por el ciclaje ON-OFF. iii. Elimina los ciclos de purga para incrementar la eficiencia. iv. Provee mayor constancia en la presión de vapor o temperatura en el agua. v. Provee una rápida respuesta en los cambios en la carga.

c. Sistema de control computarizado que incrementa la seguridad y eficiencia Características i. Habilitado para operación remota y análisis de características. ii. Lo ultimo en seguridad y presición. iii. Capaz de comunicarse con sistemas de control centralizados. iv. Habilitado para calderas piro tubular y acuotubulares. v. Controla y mantiene la óptima relación aire/combustible. vi. Mejora la eficiencia. vii. Análisis con diagnósticos seguro y un gran display para leer toda la información manejada. viii. Seguridad probada

D) Planta de Enfriamiento Torres de Enfriamiento Una torre de refrigeración es una instalación que extrae calor del agua mediante evaporación o conducción. Las industrias utilizan agua de refrigeración para varios procesos. Como resultado, existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la producción de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. También hay torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso.

Cuando el agua es reutilizada, se bombea a través de la instalación en la torre de enfriamiento. Después de que el agua se enfría, se reintroduce como agua de proceso. El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60˚C. El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahí fluye hacia abajo a través de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas. Cuando el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un enfriamiento de 10 a 20˚C. Parte del agua se evapora, causando la emisión de más calor. Por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración. Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. El agua cae en un recipiente y se retraerá desde ahí para al proceso de producción.

Existen sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados. Cuando un sistema es cerrado, el agua no entra en contacto con el aire de fuera. Como consecuencia la contaminación del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y microorganismos es insignificante. Además, los microorganismos presentes en las torres de enfriamiento no son eliminados a la atmósfera.

E) Planta Eléctrica a. Turbina a Vapor El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía interna. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se expande, la reducción de su energía interna en 400 cal puede producir un aumento de la velocidad de las partículas a unos 2.900km/h. A estas velocidades la energía disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras. Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta velocidad. La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de turbina. Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores.

Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un pistón de equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor. La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es alta, dado el avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las turbinas y la posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes, con un sistema de recalentamiento. El rendimiento que se obtiene al transformar en movimiento la energía teóricamente disponible suele superar el 90%. La eficiencia termodinámica de una instalación de generación con vapor es mucho menor, dada la pérdida de energía del vapor que sale de la turbina.

b. Generadores Eléctricos Generadores de corriente alterna (alternadores) Como se decía antes, un generador simple sin conmutador producirá una corriente eléctrica que cambia de dirección a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica, por lo que la mayoría de los generadores eléctricos son de este tipo. En su forma más simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura están sacados a los anillos colectores sólidos sin segmentos del árbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua más que con el generador en sí. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más fácilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo máquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del número de polos y el número de revoluciones por segundo de la armadura. A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras rotatorias no son prácticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallos mecánicos que podrían causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un número de imanes de campo. El principio de funcionamiento es el mismo que el del generador de corriente alterna descrito con anterioridad, excepto en que el campo magnético (en lugar de los conductores de la armadura) está en movimiento. La corriente que se genera mediante los alternadores descritos más arriba, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Se puede obtener un número mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura, pero en la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que se emplea normalmente para generar potencia eléctrica.

Generadores de corriente continúa Si una armadura gira entre dos polos de campo fijos, la corriente en la armadura se mueve en una dirección durante la mitad de cada revolución, y en la otra dirección durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en una dirección, o continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contra del conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su dirección dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de una dirección en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo. Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable. Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético.

METODOLOGIA DE CÁLCULO Tabla de Datos

CAMARA DE ENTRADA SUMINISTRO DE DE VAPOR PRESION VAPOR ETAPA AL DE TEMPERATURA A LA Nº CALDERO LINEA DE LINEA TURBINA 1 Presion PL TL P T P T PSI PSI C PSI ºC PSI ºC 1

100

90

120

0.5 120

2

100

90

120

0.5 120

3 4 5 6

100 100 100 100

89 83 71 75

130 133 136 145

N=4000RPM

17.0 17.0 35.0 42.0

ETAPA

ETAPA

2

3

P Hg'' 0.0 95.0 10.0 0.0 100.0 10.0

T ºC 83.0 87.0

130 6.0 105.0 -8.0 88.0 133 13.0 115.0 -5.0 92.0 136 18.0 120.0 -2.0 95.0 145 24.0 122.0 1.5 104.0

P Hg'' 15.0 12.0 10.0 -8.0 16.0 -4.0

T ºC

P PSI

CONDENSADOR TV Tc TeH2O Ts ºC ºC ºC ºC

M LB

AGUA DE VAPOR REFRIGERACION CONDENSADO CARGA Te Ts Huert ºC ºC mm Kg/s Lbs

75.0 60.0 68.0 45.0

24.0 33.0 10.0 27.0 36.0 207.0

0.0934

5.0

89.0 61.0 70.0 41.0

25.0 31.0 10.0 27.8 36.3 215.0

0.1196

10.0

75.0 74.0 80.0 83.0

25.0 29.0 33.0 35.0

0.1580 0.2000 0.1580 0.2000

15.0 20.0 25.0 30.0

59.0 48.0 40.0 27.0

69.0 73.0 80.0 88.0

55.0 67.0 78.0 36.0

36.0 44.0 48.0 52.0

10.0 10.0 10.0 10.0

28.8 29.6 28.8 29.6

39.5 43.5 39.5 43.5

220.0 223.0 220.0 223.0

Entrada T Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Ent. Cond Entrada T Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Ent. Cond Entrada T Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Ent. Cond Entrada T Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Ent. Cond

1

2

3

4

TABLA Nº2 Presión Temperatura Entalpía Entropía ( bar ) ( ºC ) ( KJ/Kg ) ( KJ/Kg-K ) 1.0345 132 2739.42 7.5099 1 122 2719.73 7.4762 0.2889 100 2684.29 7.9527 0.1196 87 2661.61 8.2966 0.1196 82 2652.1 8.27001 1.5516 137 2744.96 7.3388 1.1379 122 2718.35 7.4138 0.4243 102 2686.51 7.7822 0.1365 92 2670.91 8.2613 0.1365 75 2638.51 8.17053 2.0342 141 2749.06 7.226 1.5516 129 2728.58 7.2985 0.5598 105 2690.76 7.6664 0.1873 90 2666.4 8.1033 0.2042 72.2 2632.04 7.9666 2.6548 145 2752.25 7.1134 1.9653 125 2716.22 7.1607 0.7291 105 2688.75 7.54032 0.2889 90 2665 7.9003 0.2821 78.2 2642.32 7.8477

Entrada T Etapa 1 Etapa 2 5 Etapa 3 Ent. Cond Entrada T Etapa 1 Etapa 2 6 Etapa 3

1.5516 1.1379 0.4243 0.1365

132 122 100 87

2750.16 2729.65 2691.7 2667.2

7.3388 7.4138 7.7822 8.2613

0.1365 2.6548 1.9653 0.7291 0.2889

82 145 125 105 90

2632.8 2744.96 2718.35 2686.51 2670.91

8.17053 7.1233 7.16735 7.5282 7.9052

Ent. Cond

0.2821

78.2

2638.51

7.8542

De los datos obtenidos realizamos las siguientes conversiones: Po = 0.5PSI x 0.068948 P1 = 0 PSI P2 = - 10 Hg`` x 0.033863

P3 = - 15 Hg`` x 0.033863 Pc = - 26 Hg`` x 0.033863

= 0.034474 bar (man) => 1 + 0.034474 = 1.034474 bar (abs) =0 => 1 + 0 = 1 bar (abs) = - 0 .711123 bar (man) => 1 – 0.711123 = 0.288877 bar (abs) => = 0.119562 bar (abs) => = 0.119562 bar (abs)

Con los datos de Po y To, a la entrada de la turbina calculamos ho y so: Po = 1.0345 bar To = 132 º C

De tablas termodinámicas Vapor Sobrecalentado

T\P 130 132 140

0.1 h 2736.8

s 7.5182

2756.6

7.5669

1.0345 ho 2736.48 2740.45 2756.32

so 7.5065 7.5163 7.5553

0.2 h 2727.6

S 7.1803

2748.4

7.2314

Realizando una doble interpolación se tiene: ho = 2740.45KJ/Kg So = 7.5162KJ/Kg-K De modo similar interpolamos para hallar la entalpía (h) y la entropía (S) para la primera, segunda y tercera etapas de la turbina y entrada al condensador para las 4 tomas de datos de la tabla Nº 2.

Luego con Pc = 0.1196 y So = 7.51626 de la primera toma de datos, calculamos ho de tablas de vapor saturado e interpolando tenemos: So = 7.51626 P 0.17735 0.1196 0.12335

hf 205.07 206.64 209.26

hg 259.01 2590.74 2591.8

hfg 2385 2384.06 2382.5

Sf 0.6906 0.6954 0.7035

Calculo de X:

X

So  Sf 7.51626  0.6954   0.92266 Sg  Sf 8.08798  0.6954

Calculo de hA:

h  hf  X * hfg  206.64  0.92266 * 2384.06  2406.32KJ / Kg Calculo de h’c:

h' c  ho  h  2740.45  2406.32  334.13KJ / Kg Calculo de hi:

hi  ho  hc  2740 .45  2652 .814  87.636 Kj / Kg Calculo de la potencia disponible Po:

Po  G * h' c  0.0934 * 334.13  31.208 KW Calculo de la potencia interna Pi:

Pi  G * hi  0.0934 * 87.636  8.185 KW Calculo de las perdidas internas ∆Pi:

Pi  Po  Pi  31.208  8.185  23.023KW Calculo del Rendimiento Interno Relativo ηri:

ri 

Pi 8.185   0.2623  26.23% Po 31.208

Sg 8.0945 8.08798 8.0771

Calculo de la Potencia al Eje Pe: Pe 

w* n 10 * 4000 ( HP)   10 HP  10 * 746 KW  7.457 KW 4000 4000

Calculo del Rendimiento Mecánico ηm: m 

Pe 7.457   0.9111  91.11% Pi 8.185

Calculo del Rendimiento de la Turbina ηt:

t 

Pe 7.457  ri *m   0.3204  32.04% Po 31.208

De modo similar calculamos para los demás datos.

TABLA Nº 3

Entrada 1 Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3

Pe (KW) 7.4570 11.1860 14.9150 18.6430

h'c (KJ/Kg) 334.1300 369.9600 364.2000 357.9200

hi (KJ/Kg) 87.6360 106.7300 117.3600 110.0500

Po (KW) 31.2080 44.2470 57.5440 71.5840

Pi (KW) 8.1850 12.7650 18.5420 22.0100

∆Pi (KW) 23.0230 31.4820 39.0010 49.5740

ηri 0.2623 0.2885 0.3222 0.3075

G (Kg/s) 0.0934 0.1196 0.1580 0.2000

ηm

ηt

0.9111 0.8763 0.8043 0.8470

0.3204 0.3390 0.3476 0.3492

Potencia el Eje vrs Eficiencia Mecanica (nm) y = 0.0014x2 - 0.0435x + 1.1653 92.00% 91.00% 90.00% 89.00%

Eficiencia Mecanica

88.00% 87.00% 86.00% 85.00% 84.00% 83.00% 82.00% 81.00% 80.00% 6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

Potencia el Eje (KW)

16.0

18.0

20.0

Potencia al Eje vrs. Flujo (kg/s) y = 0.0003x2 + 0.0022x + 0.0609 0.2100 0.2000 0.1900 0.1800

Flujo (kg/s)

0.1700 0.1600 0.1500 0.1400 0.1300 0.1200 0.1100 0.1000 0.0900 6.0000

8.0000

10.0000

12.0000

14.0000

Potencia al eje (KW)

16.0000

18.0000

20.0000

Potencia al Eje vrs. Potencia Interna y = -0.02x2 + 1.7885x - 4.2165 23.0000 22.0000 21.0000 20.0000

Potencia Interna (KW)

19.0000 18.0000 17.0000 16.0000 15.0000 14.0000 13.0000 12.0000 11.0000 10.0000 9.0000 8.0000 6.0000

8.0000

10.0000

12.0000

14.0000

Potencia al eje (KW)

16.0000

18.0000

20.0000

Potencia al Eje vrs. Potencia Diponible y = 0.0181x2 + 3.1337x + 6.8603 75.0000

70.0000

Potencia Disponible (KW)

65.0000

60.0000

55.0000

50.0000

45.0000

40.0000

35.0000

30.0000 6.0000

8.0000

10.0000

12.0000

14.0000

Potencia al eje (KW)

16.0000

18.0000

20.0000

Potencia al Eje vrs. Eficiencia Total y = -0.0003x2 + 0.0105x + 0.2591 35.20% 35.00% 34.80% 34.60% 34.40% 34.20%

Eficiencia Total

34.00% 33.80% 33.60% 33.40% 33.20% 33.00% 32.80% 32.60% 32.40% 32.20% 32.00% 6.0000

8.0000

10.0000

12.0000

14.0000

Potencia al eje (KW)

16.0000

18.0000

20.0000

Potencia al Eje vrs. Eficiencia Interna y = -0.0007x2 + 0.0237x + 0.1234 33.00%

32.00%

Eficiencia Interna

31.00%

30.00%

29.00%

28.00%

27.00%

26.00% 6.0000

8.0000

10.0000

12.0000

14.0000

Potencia al eje (KW)

16.0000

18.0000

20.0000

Diagrama Entalpia - Entropia Etapa 1 - Tabla 2 2750 2740 2730 2720 2710

Entalpia (KJ/Kg)

2700 2690 2680 2670 2660 2650 2640 2630 2620 2610 2600 7.4

7.5

7.6

7.7

7.8

7.9 Entropia (KJ/Kg-K)

8

8.1

8.2

8.3

8.4

Diagrama Entalpia - Entropia Etapa 2 - Tabla 2 2800

2750

Entalpia (KJ/Kg)

2700

2650

2600

2550

2500

2450

2400 7.2

7.4

7.6

7.8 Entropia (KJ/Kg-K)

8

8.2

8.4

Diagrama Entalpia - Entropia Etapa 3 - Tabla 2 2780 2760 2740 2720 2700

Entalpia (KJ/Kg)

2680 2660 2640 2620 2600 2580 2560 2540 2520 2500 7.1

7.2

7.3

7.4

7.5

7.6

7.7

Entropia (KJ/Kg-K)

7.8

7.9

8

8.1

8.2

RENDIMIENTO DE CADA ESCALON CARGA

5

10

15

20

Etapas 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

ho 19.65 68.8 170.13 45.98 144.42 177.39 40.16 99.65 121.7 43.25 77.4 119.85

hi 19.65 35.67 31.32 20.51 32.03 15.77 35.85 37.95 24.5 35.85 27.55 24.05

Eficiencia 100.00% 51.85% 18.41% 44.61% 22.18% 8.89% 89.27% 38.08% 20.13% 82.89% 35.59% 20.07%

CONCLUSIONES 1) Se capacitó al alumno en el conocimiento de los diversos componentes de una planta Térmica, en el funcionamiento de la misma, y en el funcionamiento de cada uno de sus componentes. 2) Se capacitó al alumno en el uso y lectura de los diversos instrumentos de medición de los parámetros energéticos de trabajo de una Turbina a Vapor. 3) De las gráficas obtenidas podemos establecer lo siguiente: - A mayor potencia al eje mayor consumo de vapor. - A mayor potencia al eje mayor potencia interna. - A mayor potencia al eje mayor potencia disponible. - A mayor potencia al eje la eficiencia mecánica decae en forma parabólica teniendo un mínimo aproximadamente en ηm=82.8% para luego crecer. - A mayor potencia al eje la eficiencia interna crece en forma parabólica teniendo un máximo aproximadamente en ηri=31.5% para luego decaer. - A mayor potencia al eje la eficiencia total crece en forma parabólica teniendo un máximo aproximadamente en ηt=35% para luego decaer. - Se aprecia de los diagramas de Entalpía vrs Entropía los valores para hi y ho.

RECOMENDACIONES Siendo La Turbina a Vapor el principal motor en una Central Térmica, el alumno antes de ingresar a la sesión de Laboratorio debe conocer su funcionamiento, los parámetros energéticos a calcular para determinado régimen de trabajo, los parámetros energéticos a obtener haciendo una buena lectura con los respectivos instrumentos de medición