PRCTICA DE CICLO RANKINE OBJETIVOS DE LA PRCTICA Determinar los rendimientos absolutos y relativos de una central trmica de vapor, que funciona bajo un ciclo Rankine, que se deben considerar para realizar un balance de energa. MARCO TERICO DE LA PRCTICA El ciclo Rankine simple es un ciclo de potencia que trabaja con vapor de agua el mismo queesproducidoenunacalderaaaltapresinparaluegoserllevadoaunaturbina donde produce energa cintica, donde perder presin. Su camino contina al seguir haciauncondensador,dondeelvaporcambiaalestadolquido.Posteriormente,es succionado por una bomba que aumentar la presin del fluido para poder ingresarlo nuevamente a la caldera.Existen algunas mejoras al ciclo Rankine simple, una de ellas por ejemplo es agregar sobrecalentadores (recalentadores) a la salida de la caldera que permitan obtener vapor sobrecalentado para que entre a la turbina y aumentar as el rendimiento del ciclo. Otro tipo de mejora es la utilizacin de regeneradores, los mismos que para el desarrollo de la prctica no hace falta estudiarlos. El equipo del laboratorio. El equipo del laboratorio consta de los elementos del ciclo Rankine simple (Caldera, Turbina, Condensador), con una de las mejoras antes mencionadas, los recalentadores que al momento no estn funcionando, por lo que de la caldera sale vapor saturado a altapresinyconstostericamenteseconseguiravaporsobrecalentado.Adems despus del condensador se tiene un motor de vapor que acciona una bomba que lleva el condensado al tanque de agua y posteriormente del tanque de agua se utiliza otra bomba para llevar el agua hacia la caldera.Enbasealoselementosantesmencionados,elciclodellaboratoriotrabajacon4 presiones diferentes las cuales son: En la caldera y los recalentadores se tiene presinalta hasta cuando el vapor ingresa en la vlvula de control Enlatuberaentrelavlvuladecontrolylaturbinasetienepresin intermedia. Desde que sale el vapor desde la turbina hasta cuando ingresa el condensado a la a vez que sale de la bomba de vaci hasta cuando es bombeada hacia la caldera. bomba de vaci, se tiene presin baja (vaco). Se tiene presin atmosfrica unLos elementos que dan un cambio de presin en el ciclo son las 2 bombas (sube la presin), la vlvula de control y la turbina (baja la presin). A continuacin se presenta un diagrama esquemtico del ciclo del laboratorio con los diferentes elementos y donde se puede observar las diferentes presiones con las que se trabaja en el equipo: CONTROLVALVESUPERHEATERBOILERVACUUMPUMP WATERTANKTURBINEPUMPRANKINECYCLETEMPERATUREMEASUREMENTPANELCONDENSER STEAMWATERSTEAM/WATERMIXTURECOOLINGWATERCOLORKEYCHANGE OF PRESSUREEn cada uno de los elementos del ciclo se realiza un proceso termodinmico, para lo cualcomosepuedeobservarenlafiguraanteriorsehancolocadopuntosconsu respectiva nomenclatura antes y despus de cada uno de los procesos y a su vez se lo vaa relacionar con el siguiente diagrama Temperatura Entropa: ABCDEFG'GHP. CalderaP. IntermediaP. AtmosfricaP. Baja (Vaco)Los procesos se pueden observar tanto en el esquema de equipos como en el diagrama T-S, a continuacin se explica cada de ellos: A-B.- Se eleva la temperatura manteniendo constante la presin, este proceso se da en los sobrecalentadores y permite obtener vapor sobrecalentado en lugar de vapor saturado. (Actualmente no funcionan). B-C.- En la vlvula de expansin tericamente se da un proceso isoentlpico en donde baja la presin y se tiene igual a la salida vapor sobrecalentado.C-D.-Eselprocesoquesedaenlaturbina,idealmenteesunproceso isentrpico en donde se genera un trabajo el cual posteriormente es utilizado por un generador para obtener energa elctrica.A la salida de este proceso se tiene condensado con una calidad cercana a 1 o vapor saturado pero a una presin baja de vaco. D-E.-Eselprocesodondesecondensaelvaporquesaledelaturbinapara obtener agua lquida para posteriormente volver a llevarla a la caldera. E-F.- Con la bomba de vaco que es accionada por el motor de vapor se lleva el agua que sale del condensador hacia el tanque de agua donde se almacena la misma que posteriormente ingresar a la caldera. Aqu sube la presin. F-G.- El agua llevada desde el condensador al tanque de agua, se mezcla con el agua que se encuentra ya en el tanque que est a una temperatura G, entonces se mezclan ambas y por ello el agua que es succionada por la otra bomba sale a una temperatura G que es la temperatura de la mezcla. G-H.- Con una nueva bomba se lleva agua desde el tanque hacia la caldera, para posteriormente ser calentada. H-A.- Se produce el calentamiento del agua dentro de la caldera, en sta el agua gana en primer lugar calor sensible donde se calienta hasta la temperatura de saturacin a la presin de la caldera y posteriormente gana calor latente por lo que cambia de estado de lquido a vapor. Normalmente de la caldera sale (en A) vapor saturado. Vale destacar que en la caldera se aade calor proveniente de la combustin con el Diesel. MEDICIONES A REALIZARSE EN LA PRCTICA Bsicamentesevaamedirpresionesytemperaturasantesdecadaunodelos procesos. A partir de las mediciones antes mencionadas se puede acudir a las tablas termodinmicasparaencontrarlasdiferentespropiedades.Esimportantedestacar que se debe tener en cuenta el estado del agua en cada uno de los puntos, ya que puede estar como lquido comprimido, como mezcla, como vapor saturado o como vapor sobrecalentado. Acontinuacinsemuestraunafiguradelequipodellaboratoriodondetiene ubicados los diferentes puntos de medicin de temperaturas y presiones. De acuerdo al siguiente grfico se sabe que: P=P1=P2=P3=Presin alta (Presin de la caldera) P4=Presin intermedia P5=P6=Presin baja (Presin de vaco), para la cual: Pabs=Patmquito-(medida del vacumetro) La presin en el tanque de agua es la presin atmosfrica. T, T1, T2, T3 deben ser las mismas debido a que no estn funcionando los recalentadores y si no se considera las prdidas de calor en las tuberas de vapor. T5, T6 deben ser las mismas a la salida de la turbina y antes de ingresar al condensador. T8 y T9 corresponden a las temperaturas de entrada y salida del condensador del agua de enfriamiento es decir no son del agua del ciclo. Como el agua de enfriamiento intercambia calor con el condensador T9>T8. CONTROLVALVESUPERHEATERBOILERVACUUMPUMP WATERTANKTURBINEPUMPCONDENSER Otro aspecto importante que se debe pedir es el flujo msico de agua tanto del ciclo como del agua de enfriamiento, para lo cual: Flujomsicodeaguadelciclo.-Selorealizamanualmente,despusdel condensador y la bomba de vaci existe una vlvula A que se la puede abrir y por donde saldra el agua del ciclo, para esto se debe cerrar la vlvula B de la figura. VACUUMPUMPWATERTANKPUMPCONDENSERBARECIPIENTE UnavezcerradaByabiertoA,seprocedearecogerelaguaquevienedel condensadorenunrecipientequeseconozcasumedidadevolumenyse procede a tomar el tiempo en que se demora en llenar el recipiente. Entonces se sabe que: m =It- p mItp3Flujo msico de agua de enfriamiento.- Se mide con un rotmetro (medidor de Galn Imperial =4.5461 lt =1.2006 galn US=0.0045461 m3 Donde se sabe: : Flujo msico de agua. :Volumen de agua recogido en el recipiente.(lt) (1m3=1000 lt) :Tiempo durante el cual se recogi agua en el recipiente. (min) :Densidad del agua. (1000 kg/m) flujo), el cual da el flujo msico de agua en IGPM (Galn Imperial por minuto). Para lo cual se sabe que: 1Por lo que para tener el flujo msico del agua de enfriamientose debe realizar mug.cn]iu

= #I0PH-0.0045461m31 uuIon ImpcuIlas conversiones y tambin multiplicar por la densidad lo que a continuacin se observa: - 1uuukgm3= #I0PH- 4.S461jkgmn[Mediciones en el banco de resistencias. La turb n generadormediante una ura: n resumen del grfico anterior se sabe: mecnica y gira a 24000 rpm, sta velocidad reduccin de velocidad de 8 a 1. Por lo que el eje del generador gira or se transforma la energa mecnica en energa elctrica. Aqu se ina que genera energa mecnica est conectada a ureduccin de velocidad de 8:1, (la turbina gira a 24000 rpm y el generador a 3000 rpm), el generadores de 50 Hz (debido a que es Europeo) y est conectado a un banco de resistencias en la cual se mide el voltaje e intensidad y para calcular la potencia elctrica se debe tomar en cuenta el ngulo debido a que es de corriente alterna. Los elementos mencionados anteriormente seobservan en la siguiente fig8:1TURBINEELECTRICGENERATORRESISTANCE24000RPM3000RPMSemide:F,r,rpmSemide:V,I,ngulo EEn la turbina se obtiene energa angularsecontrolaenlavlvuladeexpansinmedianteunmecanismo centrfugo. Se tiene unaa 3000 rpm. En el generadmide F (fuerza), r (brazo de palanca) y rpm (debe ser cercano a 3000), con lo que se calcula la potencia en el eje del generador. El generador se conecta con un banco de resistencias para poder medir V, I y con ngulo , con los datos antes mencionados se obtiene la potencia elctrica. CLCULOS A REALIZARSE EN LA PRCTICA Antesderealizarcualquierclculosedebendeterminarlasentalpasconlas presionesytemperaturas.DeacuerdoconlospuntosdeldiagramaT-Sylas temperaturasypresionesquesemide,lasentalpassedeterminanenlastablas termodinmicas segn los siguientes datos: Entalpa(H)enelpunto: Presin Temperatura Entropia EstadodelAguaH(antesdelacaldera) Patm T7 LquidoComprimidoA(salidadelacaldera) P1 T1 VaporSaturadoB(salidarecalentadores) P1=P2=P3 T2=T3 VaporSobrecalentadoC(salidavlvulaexp) P4 T4 DeterminoSc VaporSobrecalentadoD(salidarealturbina) P5 T5=T6 MezclaLVD'(salidaisentrpicaturb) P5 Sd'=Sc MezclaLVE(salidacondensador) P5=P6 T7 LquidoSaturadoNota: Los recalentadores actualmente no estn funcionando. Con los datos anteriores los clculos a realizarse son: Calor aadido en la caldera: A1

= m - (bA-bH) _K[min_ A2

= m - (bB-bA) _K[minCalor aadido en los sobrecalentadores: _ wS1

= m - (bC-bi) _K[min Potencia ISENTRPICA de la turbina _ wR1

= m - (bC-b) _K[min P otencia REAL de la turbina _ alor rechazado en el condensador: R

= m - (b-bL) _K[minC_ El calor rechazado tambin se puede calcular con las temperaturas medidas del agua de enfriamiento y el flujo de agua de enfriamiento obtenido con el rotmetro de la siguiente manera: R

= muguu cn]i - Cp - (I9-I8) _K[min_ wc]c = F - r - 2n - rpm _lb - mmin Potencia en el eje del generador: En primer lugar la Fuerza se mide en el dinammetro en lbf, el brazo de palanca lo podemos medir directamente en metros por lo que: _ K]mnSedebenrealizarlastransformacionesparatenerenj [#_lb - mmindelasiguiente manera: _ -1kg2.2lb-9.8 N1kg-1 [1N - m-1K[1uuu [= # - (u.uu44S4)_K[min_ wc]c = F - r - 2n - rpm- u.uu44S4_K[min Por lo tanto: _ Pot clcctrico = I - I - Cos( ) |w] Si I est en Amperios y V en voltios, la potencia estar en W. #|w] -1Kw1uuuwDestacando que en la frmula la fuerza se ingresa en lbf y el r en metros. Potencia Elctrica. -1K[s1Kw-6us1 min= # - (u.u6)_K[min_ Por lo que: Pot clcctrico = I - I - Cos( ) - u.u6 _K[min_ En la frmula anterior V en voltios, I en amperios. ulas anteriores se obtiene el siguiente diagrama Sankey: El trabajo de las 2 bombas se considera igual a cero. De acuerdo a todas las frm De acuerdo a lo explicado anteriormente se pueden calcular los diferentes rendimientos explicados a continuacin: e los calores aadidos en el ciclo. Rendimientotrmico.-Eslarelacindeltrabajoisentrpicodelaturbinarespecto a la suma dnt=wS1

A1

+A2

- 1uu% Rendimientoisentrpicodelaturbina.-Es el trabajo real desarrollado por la turbina sobre el trabajo isentrpico. w

S1nS1=R1w

- 1uu% Rendimientodelreductor.-Eslarelacinentrelapotenciaenelejedel generador y el trabajo real de la turbina. wc]c

nRcd=wR1

- 1uu% Rendimiento del generador.- Es la relacin entre la potencia elctrica obtenida en el generador con la potencia en el eje del generador. Pot clcctriconu=wc]c

- 1uu% Rendimientototal.-Eselrendimientototaldelcicloysecalcularcomoel productodelos4rendimientosanterioresocomolarelacindelapotencia elctrica con respecto a la suma de calores aadidos en el ciclo. n1=Pot clcctricoA1

+A2

- 1uu% n1= nt- nS1- nRcd- nu PROCEDIMIENTO DE LA PRCTICA. Operaciones previas. Verificar si existe suficiente combustible. ista agua en el tanque, sta agua es tratada. 2.Esperar que alcance las condiciones de funcionamiento. dor. ediciones antes mencionadas. Realizar el reconocimiento del equipo que se va a usar en la prctica.Verificar que exProceso de prctica de laboratorio. 1.Encender la caldera. 3.Arrancar el grupo turbo genera4.Con carga cero tomar las m5.Aplicar cargas mediante el banco de resistencias elctricas, cuando la caldera ervir para variar la carga. sentido horario, girar a la posicin ON el dispositivo selector vuelve a encender. 6.Girar el restato de campo en sentido horario hasta que el voltmetro marque 120 V este voltaje s7.Girar hasta la posicin ON el dispositivo selector de la primera carga de valor nominal 0.55 KW. 8.Esperarquelacalderaseapagueytomardatos,hacerlomismoparalas siguientes cargas. 9.Aplicar la segunda carga, girar el dispositivo selector de la primera carga hasta la posicin OFF ende la segunda carga de valor nominal 1.1 KW. 10. Aplicar la tercera carga, girar el dispositivo selector de la carga uno a la posicin ONmantenimientolasegundacargaencendida,laterceracargaresultadelasuma de las dos cargas, valor nominal 1.35 KW. 11. Cerrar el grupo turbogenerador. 12. Apagar la caldera.