Diseño de una planta termoelectrica

Diseño de una planta termo eléctrica, Diseño de turbinas

1. Facultad Ingeniería Mecánica sede Bogotá
Jaime Enrique Marulanda Cano
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PROYECTO FINAL DE PLANTAS TERMICAS II
CENTRAL TERMOELECTRICA







PRESENTADO A:
ING. GERMAN ARTURO LOPEZ MARTÍNEZ










PRESENTADO POR:
DEIVI RESTREPO ARDILA
JHONATAN RODRÍGUEZ SUÁREZ
JAIME MARULANDA CANO















UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DE AQUINO
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTA D.C

2. Facultad Ingeniería Mecánica sede Bogotá
Jaime Enrique Marulanda Cano
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Contenido
1. Introducción: ......................................................................................................................... 1
1.1 Funcionamiento de una central térmica ....................................................................... 1
1.2 Carbón Lignito ............................................................................................................... 2
1.2.1 Características carbón Lignito: .............................................................................. 2
1.2.2 Composición carbón lignito .................................................................................. 3
1.3 Alabes ............................................................................................................................ 3
1.3.1 Coeficientes de velocidad y ...................................................................... 3
1.4 Turbinas ........................................................................................................................ 4
2. Memoria detallada de cálculos ............................................................................................. 8
2.1 Ciclo ............................................................................................................................... 8
2.2 Grados de admisión de la turbina ............................................................................... 10
2.3 Valores asumidos ........................................................................................................ 12
2.4 De la turbina ................................................................................................................ 13
2.4.1 Etapas de la turbina ............................................................................................ 13
2.4.2 Triangulo de velocidades .................................................................................... 14
2.4.3 Entalpia de cada etapa ........................................................................................ 21
2.4.4 Grado de parcialidad ........................................................................................... 23
2.4.5 Alturas por etapas ............................................................................................... 23
2.5 Del ciclo ....................................................................................................................... 24
2.6 Cámara de combustión: .............................................................................................. 27
2.6.1 Estequiometria: ................................................................................................... 27
2.6.2 Punto de roció ..................................................................................................... 29
2.6.3 Calor de admisión: .............................................................................................. 30
2.6.4 Calculo de la eficiencia de la Combustión ........................................................... 30
2.6.5 Análisis ................................................................................................................ 31
2.7 Del condensador: ........................................................................................................ 33
2.8 De las bombas ............................................................................................................. 34
2.9 De los calentadores ..................................................................................................... 34
2.10 De las tuberías ............................................................................................................. 35
2.10.1 Parámetros Necesarios para Dimensionar Tuberías de Vapor ........................... 35
2.10.2 Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías .................................................. 35
2.10.3 Dimensionamiento de redes de vapor sobrecalentado. ..................................... 37
2.10.4 Resultados cálculos de tuberías .......................................................................... 38
2.11 De la chimenea ............................................................................................................ 39
2.12 De la central ................................................................................................................ 40

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3. Conclusiones ....................................................................................................................... 40
4. Bibliografía .......................................................................................................................... 40
5. Correcciones ....................................................................................................................... 41
6. Anexos: ................................................................................................................................ 41
6.1 Anexo 1: Procedimiento general (Matlab) .................................................................. 41
6.2 Anexo 2: Estequiometria Carbón lignito (Matlab) ...................................................... 42

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1. Introducción:

1.1 Funcionamiento de una central térmica

El objeto de las centrales térmicas es aprovechar la energía calorífica de un combustible para
transformarla en electricidad. Esta transformación sigue el siguiente proceso:

 La energía contenida en el combustible se transforma, por combustión en energía
calorífica.

 La energía calorífica que absorbe el fluido de trabajo se convierte al expansionarse en
la turbina o motor en energía mecánica.

 La energía mecánica es transformada en energía eléctrica a través del generador
eléctrico.

El ciclo Rankine es el ciclo termodinámico que se emplea en las centrales térmicas de vapor.
En la imagen 1, donde se relaciona cada elemento que compone una central térmica
convencional de carbón actual.


imagen 1. Central térmica convencional de carbón. (1)

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1.2 Carbón Lignito


imagen 2. . Carbón Lignito (2)

El carbón se compone principalmente de carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, azufre y
otros elementos. El carbón se genera por la descomposición de vegetales terrestres, hojas,
maderas, cortezas y esporas, que se acumulan en zonas de poca profundidad de pantanos,
lagos o desembocaduras de ríos. La forma de clasificar los carbones (más usada) se basa en su
contenido de carbono (o grado de carbonificación).


Tipo Grado carbonificación (%)
Turba 45-60
Lignito 60-75
Hulla 80-90
Antracita 90-95
tabla 1. Tipos de Carbón. (2)

Se debe tener en cuenta que a mayor grado de carbonificación mayor es el poder calorífico de
este. (2)

1.2.1 Características carbón Lignito:

El carbón lignito tiene las siguientes características:

 Color marrón-negro.
 Alto contenido de humedad inherente a veces tan alto como 66%.
 Contenido de cenizas entre el 6% a 19%.
 Blando y suave.
 El contenido de energía de los rangos de lignito 10-20 MJ/kg sobre una base húmeda,
mineral sin materias.
 Densidad superior a la de la turba, pero inferior a la de la hulla y antracita.
 Es un carbón formado hace unas cuantas decenas de millones de años. (3)

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1.2.2 Composición carbón lignito

La composición química del carbón tipo lignito se muestra detalladamente en la tabla 2. Estos
valores son útiles para el cálculo de la estequiometria generada en la combustión producida en
la caldera.

COMPOSICIÓN TÍPICA
Carbono 69 %
Hidrógeno 5,2 %
Oxígeno 25 %
Nitrógeno 0,8 %
tabla 2. . Composición química del carbón lignito. (4)

1.3 Alabes

1.3.1 Coeficientes de velocidad
y


Se puede estimar el valor de los coeficientes de velocidad
de la imagen 3 que tiene validez
universal y da los valores aproximados para
en función de la longitud radial del alabe.


imagen 3. Coeficientes de velocidad

en función de la longitud radial del alabe. (5)

En la imagen 4 se muestra la variación del coeficiente de velocidad en función del ángulo de
desviación, donde la línea superior representa los coeficientes más favorables (paredes
especialmente lisas, etc.)

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imagen 4. Coeficientes de velocidad

en función del ángulo de desviación valido para
longitudes radiales próximas a los , según Stodola. (6)
1.4 Turbinas

Turbina de Vapor es un motor rotativo que convierte en energía mecánica, la energía de una
corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que
cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal
forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la
hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el
movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

1.4.1 Tipos de turbinas

La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de
la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), según el número de etapas (multi-
etapa o mono-etapa), según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no
extracción de vapor antes de llegar al escape y por último por la presión de salida del vapor
(contrapresión, escape libre o condensación). Los tipos de turbina son:

1.4.1.1 Turbina de impulso o de una sola etapa:

Es llamada también turbina lava después por su inventor. La turbina consiste de un solo rotor
que se une a las alabes de impulso. El vapor se alimenta de una o más boquillas convergente-
divergente que no se extienden completamente como una circunferencia en el rotor, por otra
parte solo una sección de la alabes es afectada por el vapor en cualquier tiempo además de
que las boquilla permiten controlar la turbina cerrado una o más entrada de estas. En el
diagrama para una turbina Laval imagen 5 muestra el diagrama de velocidades que indica el
flujo de vapor en los alabes.

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imagen 5. Diagrama esquemático de una turbina de impulso (7)

Donde
es la velocidad de entrada absoluta y
es la velocidad de salida absoluta, además
de que
es la velocidad relativa de entrada de los alabes del rotor y
es la velocidad
relativa de salida. U es la velocidad del rotor y
es el ángulo de la boquilla y
es el ángulo
final de salida del fluido.


1.4.1.2 Turbina tipo Curtis

Se compone de una sola fase de boquillas como una turbina de una sola fase, seguido por dos
filas de alabes fijos en el extractor que tienen como función de re direccionar el vapor de salida
de la primera fase de los alabes hacia la segunda fila de alabes móviles. Una turbina de impulso
(Como también se le llama) Curtis que se muestra en la imagen 6 , muestra los cambios de
presión y velocidad absoluta del vapor a través de la etapa, también se debe tener en cuenta la
disminución de entalpía total y por lo tanto la caída de presión que se produce en las boquillas
con el fin de que se mantengan estable en las tres filas de alabes.


imagen 6. Diagrama de velocidad de etapa Curtis (7)

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La velocidad es absorbida en dos fases. En donde en la según los alabes estáticos en donde la
presión y la velocidad permanecen constante. Los alabes fijos también llamados paletas de
guía, además de que la velocidad de la etapa compuesta también se llama etapa de Curtis. El
diagrama de velocidad de la turbina de impulso de velocidad compuesto se muestra en la
imagen 7.


imagen 7. Triangulo de velocidades de una turbina de impulso. (6)

1.4.1.3 Turbina Rateau o de impulso

La turbina está compuesta por un grupo de alabes fijos que actúan como toberas, es decir
permiten una caída de presión y un incremento de la energía cinética del vapor y un grupo de
alabes móviles reciben la energía del vapor que sale de los alabes fijos transformándola en
trabajo que se utiliza en el árbol. Todos los rotores están acoplados al mismo árbol. Estas
turbinas pueden tener varias etapas (entre 5 y 15) y normalmente el vapor cubre la totalidad
(360°) de los alabes móviles (admisión total) y utilizan generalmente en su primera etapa una
de velocidad, que puede ser de tipo Laval o Curtis.

En estas turbinas el régimen de rotación es menor que en las turbinas Laval o Curtis, lo cual
permite lograr una mayor vida de la misma, su inconveniente es que el árbol debe ser robusto,
debido a su gran longitud. Su nombre se debe a su inventor.

Tal como ha sido descrita ésta turbina sería como tener varias turbinas Laval, una a
continuación de la otra, un diagrama de presión- velocidad de una turbina de impulso se
muestra en la imagen 8.

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imagen 8. Diagrama de presión- velocidad de una turbina de impulso. (6)

1.4.1.4 Turbinas de reacción

Esta turbina tiene gran número de etapas (entre 15 y 50); cada una de ellas con admisión total
de vapor y tanto en el grupo de álabes fijos como en los móviles se presenta caída de presión
del vapor, que debido al gran número de partes donde se sucede, los incrementos de
velocidades (energía cinética) del vapor no son altos; por tal razón, al igual que en las turbinas
Rateau, los regímenes de rotación son bajos.

Por su gran longitud, debido al alto número de etapas, en lugar de usar árbol, generalmente,
los álabes móviles están montados sobre un tambor, en especial los de las últimas etapas. Esta
turbina es usada para mover generadores de gran potencia.

En la actualidad, las turbinas Rateau o Parson por si solas no se construyen, sino que las
turbinas de gran potencia se fabrican con los diferentes tipos de etapas descritos, colocándose
una etapa de velocidad en su parte inicial, que puede ser de tipo Laval o Curtis,
posteriormente, en su zona intermedia se instalan etapas tipo Rateau y finalmente en su parte
final, zona de bajas presiones, se instalan etapas tipo Parson. Al pasar de las etapas de
velocidad que son de admisión parcial a las etapas de presión, ya sean Rateau o Parson, que
son de admisión total, el vapor pasa por una zona o compartimiento de la carcasa de la turbina
llamado escalón de regulación al que permite que éste cambio en la admisión del vapor en los
alabes.

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imagen 9. Diagrama de velocidades de una turbina Parson (6)

2. Memoria detallada de cálculos
2.1 Ciclo

Nuestros datos iniciales para el ciclo en general son:


Potencia 65 MW
RPM 2400
Calidad salida 0,97
Presión salida 34 Kipá
Carbón Lignito
tabla 3. Tabla de valores para el ciclo. (8)

Teniendo en cuenta que se realizan 5 extracciones parciales a los finales de las etapas 4, 8, 12,
15. Conformándose 6 secciones o cilindros; la tercera extracción va a un calentador abierto, las
otras extracciones van a calentadores cerrados, todas ellas para realizar un ciclo regenerativo;
al final de la cuarta etapa se realiza una extracción total para efectuar un recalentamiento
intermedio del vapor. Se estima que la turbina consume un 2,5% de potencia para mover sus
accesorios; la presión de escape, la calidad y la velocidad de rotación se muestran en la tabla 3.

Con la información suministrada anteriormente, se puede plantear el diagrama del ciclo
correspondiente para la central termoeléctrica imagen 12 y el esquema de los equipos
requeridos imagen 11.

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imagen 10. Equipos central termoeléctrica.

De tal manera que el diagrama de equipos es:


imagen 11. . Diagrama de equipos.
.

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imagen 12. Diagrama Temperatura- Entropía central termoeléctrica.

2.2 Grados de admisión de la turbina

La eficiencia de las etapas Rateau y Curtis se hallaron muy parecidas de acuerdo a la imagen 13

imagen 13. Eficiencia de las boquillas y grado de admisión de las boquillas (9)


En la siguiente figura se muestran los diferente tipos de ángulos de los alabes de una turbina
Rateau

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imagen 14. Angulo de alabes de una turbina Rateau (10)

15. [Escribir texto] Página 12


2.3 Valores asumidos


Etapa






GA
Laval 15-20



0,92-0,94






0,85-0,9 N. a N. a



Parcial

Curtis 15-20



0,92-0,95






0,85-0,9 0,85-0,9 N. a




Parcial

Rateau 18-23 0,56-0,6 0,93-0,95






0,85-0,9 N. a N. a



Total

Reacción 20-25



0,94-0,96












N. a N. a 0,9-0,95







Total

tabla 4. Valores asumidos para las diferentes etapas de la turbina de la central termoeléctrica.

16. [Escribir texto] Página 13


Etapa Valor asumido Bibliografía
Laval, Curtis, Rateau
(5)
Laval y Curtis (7) (11)
Rateau (7)
Alabes fijos
(5) (11)
Curtis

(5)
Rateu
(5) (7)
Laval
(5)
Reacción
Simétricas










Eficiencia toberas

Velocidad Entrada
Tobera (
)





(12)
Velocidad Salida
Tobera (






tabla 5. Valores asumidos para la solución del problema.

2.4 De la turbina

La turbina se encuentra compuesta por las toberas y las diferente etapas, en la imagen 15 se
diagrama una tobera convergente- divergente y las etapas de la turbina, que en el caso de la
central termoeléctrica de estudio son 22 etapas.


imagen 15. . Tobera y etapas de la turbina. (13)

2.4.1 Etapas de la turbina

Donde la tobera impulsa el fluido de trabajo para darle la velocidad inicial a las etapas de
turbina, esta entrada de velocidad entra a las etapas de la turbina con un ángulo, el cual es el
ángulo fijo de entrada para la turbina.

Los datos iniciales por etapa se detallan en la tabla 6, donde se muestra el número de etapa,
diámetro medio en milímetros y en metros, tipo de etapa y numero de alabes.


Etapa Diam Med (mm) Diam med (m) Tipo No alabes
1 980 0,98 Curtis 122
2 935 0,935 Rateau 118
3 945 0,945 Rateau 118
4 954 0,954 Rateau 119

17. [Escribir texto] Página 14

5 980 0,98 Laval 122
6 935 0,935 Rateau 118
7 945 0,945 Rateau 118
8 954 0,954 Rateau 119
9 966 0,966 Rateau 119
10 978 0,978 Rateau 120
11 990 0,99 Rateau 121
12 1000 1 Rateau 122
13 1015 1,015 Rateau 122
14 1030 1,03 Rateau 121
15 1048 1,048 Reacción 120
16 1063 1,063 Reacción 119
17 1078 1,078 Reacción 117
18 1098 1,098 Reacción 114
19 1134 1,134 Reacción 111
20 1168 1,168 Reacción 108
21 1200 1,2 Reacción 105
22 1250 1,25 Reacción 101
tabla 6. Valores iniciales por etapa. (8)

2.4.2 Triangulo de velocidades


imagen 16. Triangulo de velocidades de una etapa. (5)
Donde:

 Cb= Velocidad alabes.
 Cw = Velocidad de volteo.
 Cae= Velocidad absoluta de entrada.
 Cre= Velocidad relativa de entrada.
 Cas= Velocidad absoluta de salida.
 Crs= Velocidad relativa de salida.
 Cfe= Velocidad de cruce axial de entrada.
 Cfs= Velocidad de cruce axial de salida.
 Cwe= Velocidad de volteo de entrada.
 Cfs= Velocidad de cruce axial de salida.
 Angulo móvil de entrada.
 Angulo móvil de salida.

18. [Escribir texto] Página 15

 Angulo fijo de entrada.
 Angulo fijo de salida.

Relación de velocidades óptimo.
 Coeficiente fricción alabes móviles.
 Coeficiente fricción alabes fijos.


Diferencia de entalpia real en la etapa.
 = Diferencia de entalpia teórica en la etapa.

Eficiencia tobera

Eficiencia alabes

Eficiencia de la etapa

Se selecciona el ángulo menor de entrada el cual sería similar al ángulo de salida para
de esta manera aumentar el Cw. Con lo cual se aumenta la diferencia de entalpias lo
cual es equivalente a un mayor trabajo, disminuyendo flujo para un mayor trabajo en las
turbinas, y un menor trabajo en las bombas. Con los datos anteriores podemos obtener Cb
por cada etapa, dada la ecuación




Ecuacion 1: Velocidad de alabes.

Donde:


Diámetro medio de los alabes


Etapa Diam Med (mm) Diam med (m) Tipo No. alabes Cb (m/s)
1 980 0,98 Curtis 122 123,150432
2 935 0,935 Rateau 118 117,4955652
3 945 0,945 Rateau 118 118,7522023
4 954 0,954 Rateau 119 119,8831757
5 980 0,98 Laval 122 123,150432
6 935 0,935 Rateau 118 117,4955652
7 945 0,945 Rateau 118 118,7522023
8 954 0,954 Rateau 119 119,8831757
9 966 0,966 Rateau 119 121,3911401
10 978 0,978 Rateau 120 122,8991046
11 990 0,99 Rateau 121 124,4070691
12 1000 1 Rateau 122 125,6637061
13 1015 1,015 Rateau 122 127,5486617
14 1030 1,03 Rateau 121 129,4336173
15 1048 1,048 Reacción 120 131,695564
16 1063 1,063 Reacción 119 133,5805196
17 1078 1,078 Reacción 117 135,4654752
18 1098 1,098 Reacción 114 137,9787493
19 1134 1,134 Reacción 111 142,5026428
20 1168 1,168 Reacción 108 146,7752088
21 1200 1,2 Reacción 105 150,7964474
22 1250 1,25 Reacción 101 157,0796327
tabla 7. . Datos iniciales y velocidad de los alabes por etapa. (8)

19. [Escribir texto] Página 16


Para la primera etapa después de la tobera diremos que podemos obtener cae mediante la
siguiente ecuación:




Ecuacion 2: Relación optima de
velocidades



Al conocer la relación la cual la tenemos de la tabla 4 y
, podemos hallar






Ecuacion 3: Relación de velocidades
para Cae

Teniendo lo anterior podemos hallar
:







Ecuacion 4: Velocidad relativa de
entrada
Con lo anterior se haya






Ecuacion 5: Velocidad de cruce axial

Al tener el término anterior diremos que:








Ecuacion 6: Angulo móvil de entrada

Seguimos con
:





Ecuacion 7: Velocidad de volteo de
entrada
Y proseguimos con:





Ecuacion 8: Velocidad relativa de salida

Para obtener un mayor
lo ideal sería que
fuera 1, dado que eso es un caso ideal
podemos ver en la tabla 4 que están los valores entre 0,85 y 0,9 para todas las etapas menos la
de reacción, por lo anterior se trabajar con 0,9.

2.4.2.1 Para las turbinas Laval, Curtis, Rateau:

Después de esto diremos que





Ecuacion 9: Velocidad de volteo a la
salida

20. [Escribir texto] Página 17


Teniendo en cuenta la relación del ángulo
que es presentada en tabla 4. Con lo anterior:





Ecuacion 10: Velocidad de cruce axial
de salida

De esta manera ya podemos calcular





Ecuacion 11: Velocidad de volteo





Ecuacion 12: Velocidad de cruce axial

Con lo anterior ya podemos obtener
:












Ecuacion 13: Velocidad absoluta de
salida

Continuando con:








Ecuacion 14: . Angulo fijo de salida

Luego se halla la eficiencia de los alabes:









Ecuacion 15: . Eficiencia alabes (no
aplicable para reacción)

Teniendo en cuenta que la eficiencia de las toberas es de 0,94 diremos que la eficiencia de la
etapa es de





Ecuacion 16: Eficiencia de la etapa

Donde
es la eficiencia de la tobera. Luego de esto se halla la diferencia de entalpias:






Ecuacion 17: Diferencia de entalpia
real

Para hallar
tendremos en cuenta la eficiencia de la etapa (










Ecuacion 18: Diferencia de entalpia
Teórica

21. [Escribir texto] Página 18

2.4.2.2 Para las etapas de reacción:

Se tiene en cuenta que esta son simétricas por lo cual diremos que:














De igual manera diremos la diferencia de entalpia real para esta etapa es:












Ecuacion 19: Diferencia de entalpia
para etapa de reacción

Con esto en mente podemos decir que a un menor habrá una mayor diferencia, lo cual es lo
que se desea por lo cual se escogerá 0,9. Luego Para hallar
tendremos en cuenta la
eficiencia de la etapa (
como se muestra en la Ecuacion 16:

2.4.2.3 Para la etapa Curtis:

Esta se puede decir está compuesta de dos etapas similares se debe tener en cuenta que el

para la segunda etapa pasa primero por unos alabes fijos, por lo cual se necesita tener en
cuenta la imagen 17 para posteriormente repetir el proceso anterior.


imagen 17. Esquema y geometría de etapa Curtis. (9)

Los geometría y velocidades de los alabes fijos en una etapa de tipo Curtis se muestra en la
imagen 18.

22. [Escribir texto] Página 19


imagen 18. Geometría de los alabes fijos. (10)

La velocidad absoluta de salida de la primera etapa entra al alabe fijo con el ángulo de entrada
igual al ángulo de salida de los alabes móviles. Al realizar el paso por el alabe fijo se convierte
en la velocidad absoluta de entrada de la etapa 2, ingresando a esta etapa con el ángulo fijo de
salida de los alabes fijos, que corresponde al ángulo de entrada de los alabes móviles de la
segunda etapa.

23. [Escribir texto] Página 20


Tipo Etapa

(Kj/kg)


(Kj/Kg)




Curtis 1 106,594255 0,81970859 0,77052608 130,039206 15 47,8645974 19,6600604 33,0709421
Rateau 2 18,8812705 0,85781634 0,80634736 22,0108544 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 3 19,2873077 0,85781634 0,80634736 22,4841925 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 4 19,6564345 0,85781634 0,80634736 22,9145022 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Laval 5 26,2190636 0,88599605 0,83283629 29,5927544 15 73,965991 28,6792847 28,6792847
Rateau 6 18,8812705 0,85781634 0,80634736 22,0108544 18 49,250235 38,3161636 33,3161636
Rateau 7 19,2873077 0,85781634 0,80634736 22,4841925 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 8 19,6564345 0,85781634 0,80634736 22,9145022 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 9 20,154046 0,85781634 0,80634736 23,4945933 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 10 20,6578777 0,85781634 0,80634736 24,0819354 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 11 21,1679296 0,85781634 0,80634736 24,6765288 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 12 21,5977243 0,85781634 0,80634736 25,1775622 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 13 22,2505155 0,85781634 0,80634736 25,9385541 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Rateau 14 22,9130257 0,85781634 0,80634736 26,7108758 18 53,0762283 38,3161636 33,3161636
Reacción 15 16,2344109 0,89335904 0,83975749 18,1723252 20 51,1757577 51,1757577 20
Reacción 16 16,7024622 0,89335904 0,83975749 18,6962481 20 51,1757577 51,1757577 20
Reacción 17 17,1771651 0,89335904 0,83975749 19,2276167 20 51,1757577 51,1757577 20
Reacción 18 17,8204493 0,89335904 0,83975749 19,9476902 20 51,1757577 51,1757577 20
Reacción 19 19,0081599 0,89335904 0,83975749 21,2771788 20 51,1757577 51,1757577 20
Reacción 20 20,1650663 0,89335904 0,83975749 22,572186 20 51,1757577 51,1757577 20
Reacción 21 21,3189678 0,88691212 0,83369739 24,0372945 21 52,6559005 52,6559005 21
Reacción 22 23,1717567 0,88013019 0,82732238 26,3276467 22 54,0602859 54,0602859 22
tabla 8. Tabla de resultados.

Procedimiento detallado en el Anexo 1: Procedimiento general (Matlab).

24. [Escribir texto] Página 21

2.4.3 Entalpia de cada etapa

Teniendo en cuenta los resultados de la tabla 8 y la salida de la etapa 22 la cual
denominaremos punto 23, el cual conocemos. Empezamos a trabajar con las entalpias.

Cuanto tenemos calidad diremos que




Ecuacion 20: Entalpia real

Para el punto 23 diremos que está a una presión de 34KPa y calidad 0,97. Después de tener
esta entalpia diremos que la entalpia del punto anterior se calcula mediante.


Ecuacion 21: Entalpia real del
punto anterior

Donde i es el punto actual luego calcularemos la entalpia real




Ecuacion 22: Entalpia teórica
Con esta entalpia teórica hallaremos la calidad real





Ecuacion 23: Calidad real
De esta manera hallar la entropía para decir




Ecuacion 24: Entropía real
Mediante la ecuación



Ecuacion 25: Entropía real


Teniendo los datos anteriores hallaremos los estados termodinámicos correspondientes
teniendo en cuenta que para definir un estado termodinámico necesitamos dos propiedades.
Para hallar los estados termodinámicos con una mayor exactitud haremos uso del software
Termograf v 5.7.


Al llegar a la parte donde se hace el recalentamiento (etapa 4) diremos que la presión de
entrada de la etapa 5 es igual a la presión de la salida de la etapa 4, de igual manera diremos
que la presión de entrada de la etapa 1 es 100KPa superior a la presión de entrada de la etapa
5, teniendo en cuenta que la temperatura de entrada de la etapa 5 es igual a la temperatura
de entrada de la etapa 1.

25. [Escribir texto] Página 22

Entrada etapa Salida etapa Punto x' P (Kipá) h (kj/kg) hi (KJ/Kg) x S’ ( KJ/KgK) S ( KJ/KgK) T(°C)
22 23 0,97 34 2553,81411 2556,97 0,96764673 7,54211 7,50129 71,9658
22 21 22 0,97564 40,75 2577,42343 2580,14176 0,97447 7,50129 7,49352 76,2715
21 20 21 0,98208 47,4817 2599,0536 2601,46072 0,98104 7,49352 7,48672 80,0037
20 19 20 0,98823 54,6877 2619,35677 2621,62579 0,98725 7,48672 7,48038 83,5351
19 18 19 0,99409 62,3573 2638,50671 2640,63395 0,99316 7,48038 7,47448 86,8887
18 17 18 0,99951 70,8496 2656,40395 2658,4544 0,99861 7,47448 7,46597 90,2214
17 16 17 - 79,4797 2673,63778 2675,63157 - 7,46597 7,4606 98,8271
16 15 16 - 88,6433 2690,39611 2692,33403 - 7,4606 7,45551 107,722
15 14 15 - 98,3215 2704,77059 2708,56844 - 7,45551 7,44574 116,348
14 13 14 - 114,062 2727,79343 2731,48146 - 7,44574 7,43654 128,526
13 12 13 - 131,198 2750,15214 2753,73198 - 7,43654 7,42786 140,323
12 11 12 - 149,726 2771,8211 2775,3297 - 7,42786 7,41959 151,747
11 10 11 - 169,842 2793,07358 2796,49763 - 7,41959 7,41172 162,922
10 9 10 - 191,491 2813,81496 2817,15551 - 7,41172 7,40423 173,806
9 8 9 - 214,673 2834,05149 2837,30956 - 7,40423 7,3971 184,406
8 7 8 - 239,379 2853,76911 2856,96599 - 7,3971 7,39026 194,726
7 6 7 - 265,771 2873,12372 2876,2533 - 7,39026 7,3837 204,835
6 5 6 - 293,809 2891,76088 2895,13457 - 7,3837 7,37677 214,716
- 4 5 - 335,161 2729,98623 2921,35363 - 7,37677 7,37026 228,381
5 - 4 - 162,24 2749,64266 2752,90073 7,34 7,33 141,19
4 3 3 - 182,3 2769,36028 2772,55717 7,33 7,31 151,59
3 2 2 - 212,39 2788,71489 2791,84447 7,31 7,3 162,054
2 1 1 - 235,45 2787,28079 2810,72574 7,3 7,25 171,99
1 - 0 - 435,161 2917,32 7,25 228,381
tabla 9. Tabla resultados entalpias por etapa

26. [Escribir texto] Página 23


2.4.4 Grado de parcialidad

El grado de parcialidad para las turbinas está dado por la ecuación:


Ecuacion 26: Grado de parcialidad

Donde es y diremos que su ecuación es


Ecuacion 27: Calculo de

Tendremos en cuenta que el grado de parcialidad para las etapas de turbina de admisión
parcial es de 0,9 y para las de admisión total de 1.
2.4.5 Alturas por etapas

Para hallar la altura de cada etapa usaremos la ecuación





Ecuacion 28: Altura de cada etapa

Así obtendremos:

Etapa
Diam med
(m)
Tipo No alabes flujo v altura (mm)
1 0,98 Curtis 122 118,967352 0,85 0,043609265
2 0,935 Rateau 118 118,967352 0,93 0,142388949
3 0,945 Rateau 118 118,967352 1,06 0,162285447
4 0,954 Rateau 119 118,967352 1,16 0,174616179
5 0,98 Laval 122 118,967352 0,76 0,087831575
6 0,935 Rateau 118 118,967352 0,81 0,124016181
7 0,945 Rateau 118 118,967352 0,89 0,136258536
8 0,954 Rateau 119 118,967352 0,97 0,146015253
9 0,966 Rateau 119 116,490001 1,06 0,156232231
10 0,978 Rateau 120 116,490001 1,17 0,169574303
11 0,99 Rateau 121 116,490001 1,29 0,183879855
12 1 Rateau 122 116,490001 1,44 0,201901945
13 1,015 Rateau 122 113,43805 1,6 0,218445186
14 1,03 Rateau 121 113,43805 1,81 0,251203172
15 1,048 Reacción 120 113,43805 1,96 0,411762526
16 1,063 Reacción 119 111,494831 2,13 0,447193204
17 1,078 Reacción 117 111,494831 2,34 0,508177049
18 1,098 Reacción 114 111,494831 2,62 0,599256398
19 1,134 Reacción 111 108,350661 2,94 0,689150469
20 1,168 Reacción 108 108,350661 3,34 0,8268676
21 1,2 Reacción 105 108,350661 3,83 1,030007453

27. [Escribir texto] Página 24

22 1,25 Reacción 101 108,350661 4,51 1,345379871
tabla 10. Alturas y flujo por etapas.

2.5 Del ciclo

Para realizar el ciclo haremos las siguientes aproximaciones

 h16=h11=h17
 h18=h8=h20
 h19=h7=h21

En el estado termodinámico 5 diremos que su calidad es de 0. De esta manera diremos que:







Ecuacion 29: . Eficiencia ciclo
Siendo:


: Trabajo de la turbina

: Trabajo de las bombas



Ecuacion 30: Trabajo total de
las bombas

Wb trabajo de una bomba



Ecuacion 31: Trabajo de una bomba


Calor de admisión






Ecuacion 32: Calor de admisión

Donde m es el flujo másico total (ya que en este punto entra todo el flujo).

Para hallar estos valores es necesario el identificar las relaciones de flujos que pasan por cada
etapa.

Es decir y1, y2, y3, y4 y y5 como se muestra en la imagen 19

28. [Escribir texto] Página 25


imagen 19. Diagrama T-S aproximado
.
De tal manera que diremos para el primer calentador (entre punto 6 y 7)














Ecuacion 33: Balance de energía calentador
cerrado 1

Para el segundo calentador cerrado (entre punto 7 y 8)














Ecuacion 34: alance de energía calentador
cerrado 2

Para el tercer calentador cerrado (entre punto 10 y 11)








Ecuacion 35: Balance de energía calentar
cerrado 3

Para el calentador abierto diremos:











Ecuacion 36: Balance de energía calentador
abierto

Además se debe tener en cuenta que:







Ecuacion 37: Conservación de masa (flujo)

Sin embargo diremos que las bombas son ideales.

Con lo anterior obtendremos los siguientes resultados:

Extracción 1 2 3 4 5
y 0,02740561 0,018563 0,01634948 0,02474134 0,91294057
tabla 11. Resultado extracciones de flujo (porcentual)

29. [Escribir texto] Página 26

Como sabemos que el trabajo realizado de la turbina es de 66625KW (teniendo en cuenta el
consumo de las partes de la turbina, el cual es de 2,5%. Con esto diremos:























Ecuacion 38: . Trabajo de las
turbinas

Despejaremos el flujo y de esta manera:























Ecuacion 39: Flujo de masa

Así obtendremos un flujo de 118,89 Kg/s

De tal manera que:

1 2 3 4 5 Total
y 0,02082379 0,02565369 0,01633405 0,02642885 0,91075963 1
m (Kg/s) 2,47735066 3,05195136 1,94321835 3,14417025 108,350661 118,967352
tabla 12. Resultado extracciones de flujo
Los resultados para los puntos son los siguientes:

Punto h (KJ/Kg) S (KJ/KgK) P (KPa) T (C) x v
1 2917,32 7,25 435,161 228,381

0,52
2 2752,90073 7,34 162,24 141,19

1,16
3 2921,35363 7,37677 335,161 228,381

0,68
4 2556,97 7,54211 34 71,9658 0,97 4,51
5 302,2 0,98 34 71,97 0 1,02E-03
6 301,7 0,98 149,726 71,83

1,02E-03
7 364,78 1,16 149,726 86,88

1,03E-03
8 403,98 1,27 149,726 96,23

1,04E-03
9 467,11 1,43 149,726 111,272 0 1,05E-03
10 465,87 1,43 435,161 110,93

1,05E-03
11 514,245 1,55 435,161 122,41

1,06E-03
12 2837,30956 7,40423 214,673 184,406

0,97
13 2775,3297 7,42786 149,726 151,747

1,44
14 2692,33403 2692,33403 88,6433 107,722

1,96
15 2640,63395 7,48038 62,3573 86,8887 0,99409 2,62
16 514,245 1,55 214,673 122,44 0 1,06E-03
17 514,245 1,56 149,726 111,27 0,02 0,026
18 403,98 1,27 88,6433 96,24 0 1,04E-03
19 364,78 1,16 62,3573 86,89 0 1,03E-03
20 403,98 1,28 34 71,97 0,044 0,2
21 364,78 1,16 34 71,97 0,027 0,13
tabla 13. Resultados puntos del proceso

30. [Escribir texto] Página 27

2.6 Cámara de combustión:
2.6.1 Estequiometria:

Teniendo en cuenta la tabla 2 anterior diremos:


Ecuacion 40: Estequiometria de los
gases
Para 1 Kg.

Y un exceso de aire del 20%, se hace una reacción con aire seco el cual está conformado por:



Para 1 Kg. La reacción anterior se puede expresar de la siguiente forma:



Donde el peso molecular es:

Molécula Peso molecular
C 12
H 1
O 16
N 14
tabla 14. Peso molecular

Donde el resultado de esta reacción es:


Ecuacion 41: Peso molecular

De tal manera que la ecuación seria:



Ecuacion 42: Estequiometria de gases
de vapor y secos

Al hacer el balance diremos:

31. [Escribir texto] Página 28






De tal manera que obtendremos:



Ecuacion 43: Resultado estequiometria

Procedimiento de cálculo Anexo 1 (código matlab)


“Sabemos que la fórmula de la relación aire- combustible es la relación de masa que se
extiende entre el aire utilizado en el proceso de combustión respecto al combustible” (14).
En donde la fórmula es:






Ecuacion 44: Relación aire combustible

La relación aire/combustible se puede también relacionar con el volumen del aire
considerando todas las moléculas presentes en la combustión.

Considerando lo anterior se calcula Va como una relación aire/combustión donde 8.4666 es el
valor de x y la ecuación que queda es:










Ecuacion 45: Volumen del aire












Se realiza un análisis volumétrico de los gases secos

Producto Cantidad de moles por producto Volumen del producto

2.53 16.4

0.4012 4.5

7.9767 79.1
tabla 15. Cantidad de moles y volumen del producto de la combustión



Masa de productos/ Kg de Combustible.

Productos Kg/100 Kmol comb. Masa molar (Kg/Kmol) Masa (Kg/100 Kmol comb.)

0.468 18 8.424

2.53 44 111.32

0.4012 32 12.8384

32. [Escribir texto] Página 29


7.9767 28 223.3476
Total 11.3759 122 355.93
tabla 16. Tabla de producto de la combustión

Donde
es la cantidad de moles que posee un compuesto o elementos que están presentes
en la combustión donde se calcula por medio de la siguiente fórmula:






Ecuacion 46: Cantidad de moles de un
compuesto

Y
es la masa molar del componente y su ecuación es:





Ecuacion 47: Masa de la combustión










De acuerdo a la ley de Boltzmann donde utilizan n como el número real de moléculas, donde
se puede observar la constante de masa atómica sobre la masa anatómica del compuesto que
es:




Ecuacion 48: Relación de Boltzmann

Donde simplificándola para el problema donde se relacionan los moles del producto seco por
los moles del producto antes de la combustión sin adicción de aire. Con lo que da resultado a
la siguiente ecuación:













Ecuacion 49: Relación de masas de producto
por combustión













2.6.2 Punto de roció

“Los gases de combustión no deben enfriarse por debajo de su punto de rocío ácido a fin de
evitar condensaciones que faciliten la corrosión (en combustibles con contenido de azufre
significativo, como carbón o fuel esta temperatura está en el entorno de 140 °C, mientras que
en las calderas de gas natural esta temperatura es de 50-60 °C)”. (15)

33. [Escribir texto] Página 30

El punto de roció está determinado por la presión de vacío.











Ecuacion 50: Presión de roció para la caldera.

Para tal propósito tenemos que:



















Ecuacion 51: Moles sobre kg de combustión
del oxigeno

La cantidad de moles de gases secos por kilogramo de combustible, se suman la cantidad de
moles de vapor por kilogramo de combustible para encontrar la cantidad de moles totales de
la combustión.




















Ecuacion 52: Suma de los moles de los gases

Conociendo la presión de Bogotá que es aproximadamente 0,74 bares (550 mm de Hg o
74Kpa) (16), se puede calcular la presión de roció de la siguiente manera:













Ecuacion 53: Presión de vacio

Ahora para conocer la temperatura de roció, se puede hallar conociendo la temperatura de
saturación (Tablas Agua saturada), a la presión de roció obtenida en el anterior paso.





2.6.3 Calor de admisión:

Para el calor de admisión utilizaremos la Ecuacion 32:

Así obtendremos un calor de admisión de 305927,864 KW



2.6.4 Calculo de la eficiencia de la Combustión

La eficiencia de la combustión de la caldera está dada por la relación de los valores de exceso
de aire en la combustión y la cantidad de monóxido de carbono como se muestra en la imagen
20. En donde se muestra que teniendo un 20% de aire de exceso da una pérdida de
combustión de un 7% aproximadamente con lo que da una eficiencia de combustión de un
83%, también otra forma de comprobarlo es por la temperatura de salida de la caldera donde
nos arroja

34. [Escribir texto] Página 31


imagen 20. Eficiencia de combustión estequiometria de una caldera (17)

Para el cálculo del calor suministrado por el combustible se basa de la siguiente ecuación





Donde es el flujo de combustible y
es el poder calorífico superior. En donde es un 5%
menos que el poder calorífico neto.


2.6.5 Análisis
Para analizar el flujo de los gases sabemos que



Ecuacion 54: Calor cedido




Ecuacion 55: Calor del aire

Sabiendo que:




Donde
Es el flujo másico


Es el calor específico

Reemplazando la anterior expresión queda:

35. [Escribir texto] Página 32








Ecuacion 56: Relación gases-aire

Despejamos para hallar
en donde sale la Ecuacion 57:









Ecuacion 57: Flujo másico de los gases

Sabiendo que
es



La resolución de la ecuación queda así:

Donde la ecuación final queda así:













Donde queda la resolución es:


























Para los gases del combustible la pérdida por purgas es de un 9.68% de acuerdo a la siguiente
imagen:


imagen 21. Análisis de purgas en una caldera piro tubular (18)

Lo siguiente será el análisis del flujo de combustible

El poder calorífico se muestra en la tabla 17.

36. [Escribir texto] Página 33


tabla 17. Poder calorífico de distintos tipos de carbón (18)

Se desarrolla la Ecuacion 58: del calor suministrado y se despeja
:








Ecuacion 58: Calor de admisión de la caldera
Ecuacion 59:
















2.7 Del condensador:

Para el condensador diremos que la variación máxima de temperatura es de 10ºC
Y con la ecuación


Ecuacion 60: Calor de extracción del condensador






Ecuacion 61: . Flujo de agua en el condensador
para extracción de calor

Donde
es el flujo de agua en el condensador para enfriar este, además sabiendo que C es
la capacidad calorífica del agua la cual es (19) y Q es el calor de extracción.

Y como sabemos que el calor de extracción del calor es




Ecuacion 62: . Calor extracción del condensador

Teniendo en cuenta que el flujo que pasa por esta es





Ecuacion 63: Flujo del condensador

Con lo cual obtendremos un calor de extracción de . De esta manera diremos
que el flujo de agua requerido para enfriar el condensador es de .

37. [Escribir texto] Página 34

2.8 De las bombas

Diremos que la bomba 1 es aquella que va del punto 5 al 6, y la bomba 2 la que va del punto 9
al punto 10, además teniendo en cuenta la Ecuacion 31: de tal forma que obtendremos:

Flujo (kg/s) Potencia (KW)
Bomba1 113,426496 11,8406659
Bomba2 118,891786 39,3550486
tabla 18. . Trabajo y flujo de las bombas

2.9 De los calentadores
2.9.1.1 Calentadores cerrados

Como los calentadores cerrados tienen dos flujos les asignaremos los siguientes nombres m1 y
m2, además las temperaturas de entrada y salida como se muestra en la imagen 22, además
trabajaremos el calentador cerrado 1 como el que va del punto 6 al 7, calentador cerrado 2
como el que va del punto 7 al 8, y calentador cerrado 3 como el que va del punto 10 al 11.


imagen 22. Flujo en los calentadores cerrados (2)

Calentador m1 (Kg/s) T1 entrada (C) T1 salida (C) m2 (Kg/s) T2 entrada (C) T2 salida(C)
1 113,43805 71,83 86,88 3,14417025 86,8887 86,89
2 113,43805 86,88 96,23 1,94321835 107,722 96,24
3 118,967352 110,93 122,41 2,47735066 184,406 122,44
tabla 19. . Resultado flujo y temperatura calentadores cerrados

2.9.1.2 Del calentador abierto

Para el calentador abierto diremos

imagen 23. . Calentador abierto (13)

38. [Escribir texto] Página 35

T (C) m (Kg/s)
1 entrada 110,93 113,43805
2 entrada 151,747 3,05195136
3 entrada 111,27 2,47735066
salida 111,272 118,967352
tabla 20. . Resultado flujo y temperatura calentador abierto

2.10 De las tuberías

El tamaño apropiado de la tubería para llevar la cantidad necesaria de vapor de agua a la
presión necesaria debe ser elegido, ya que una tubería de tamaño insuficiente significa caídas
de presión, aumento de velocidades, ruido y erosión, mientras que un tubo sobredimensión-
nado es sumamente costoso de instalar y las pérdidas de calor serán mayores de lo necesario.

Es importante tener en cuenta el debido diseño de las tuberías, ya que son las encargadas de
suministrar el fluido de trabajo necesario para cada dispositivo que compone la central
eléctrica.

2.10.1 Parámetros Necesarios para Dimensionar Tuberías de Vapor

Los parámetros necesarios para dimensionar tuberías de vapor que utilizan vapor recalentado
serán los siguientes:

 Caudal másico: El caudal másico representa la cantidad de vapor que fluye a través de la
tubería de vapor, que se requiere dimensionar.

 Presión de vapor: Es aquella presión que se registra al comienzo de la tubería que se va a
dimensionar.

 Temperatura de vapor: Es otro parámetro importante y junto con la presión definen las
diferentes propiedades termodinámicas que posee el vapor sobrecalentado.

 Caída de presión máxima admisible: Es la máxima caída de presión que se puede admitir
en el tramo de la tubería que se está dimensionando. Esta caída de presión no debe
exceder 20% de la presión máxima en la caldera. Este valor debe incluir todas las caídas de
presión originadas en los tubos, en los codos, y en las válvulas. Recuérdese que una caída
de presión es una pérdida de energía.

2.10.2 Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías

FLUIDO VELOCIDAD SUGERIDA MATERIAL DE LA TUBERIA
VAPOR
0-30psi Saturado 4000-6000 fpm Acero
30-150psi (Saturado o
Sobrecalentado)
60000-10000 fpm Acero
Más de 150psi
(Sobrecalentado)
6500-15000 fpm Acero
AGUA
Servicio promedio 3-8 fpm Acero

39. [Escribir texto] Página 36

Alimentación de la caldera 4-12 fpm Acero
Líneas de succión de bombas 1-5 fpm Acero
tabla 21. . Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías. (13)

Los valores mostrados en la tabla 21 utilizados como guías, la caída de presión, montaje y el
ambiente donde está el sistema, son los factores que influyen en la selección final del tamaño
de la tubería. Para fluidos viscosos y pesados, las velocidades deben ser reducidas a
aproximadamente la mitad de los valores mostrados. Por otra parte, los fluidos no deben
contener partículas sólidas suspendidas.

Para las tuberías de vapor conectadas a turbinas de vapor se presentan los vapores sugeridos
para la entrada y la salida de la turbina en la tabla 22


tabla 22. Velocidades sugeridas en tuberías de vapor conectadas a turbinas de vapor. (13)


2.10.2 Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías

FLUIDO VELOCIDAD SUGERIDA MATERIAL DE LA TUBERIA
VAPOR
0-30psi Saturado 4000-6000 fpm Acero
30-150psi (Saturado o
Sobrecalentado)
60000-10000 fpm Acero
Más de 150psi
(Sobrecalentado)
6500-15000 fpm Acero
AGUA
Servicio promedio 3-8 fpm Acero
Alimentación de la caldera 4-12 fpm Acero
Líneas de succión de bombas 1-5 fpm Acero
tabla 23. Velocidades sugeridas para fluidos en tuberías. (13)

Los valores mostrados en la tabla 23 utilizados como guías, la caída de presión, montaje y el
ambiente donde está el sistema, son los factores que influyen en la selección final del tamaño
de la tubería. Para fluidos viscosos y pesados, las velocidades deben ser reducidas a
aproximadamente la mitad de los valores mostrados. Por otra parte, los fluidos no deben
contener partículas sólidas suspendidas.

Para las tuberías de vapor conectadas a turbinas de vapor se presentan los vapores sugeridos
para la entrada y la salida de la turbina en la tabla 24


tabla 24. Velocidades sugeridas en tuberías de vapor conectadas a turbinas de vapor. (13)

40. [Escribir texto] Página 37

2.10.3 Dimensionamiento de redes de vapor sobrecalentado.

Al dimensionar la red de vapor sobrecalentado se tendrá que dividir el caudal requerido por el
factor de este, el resultado será un flujo de vapor sobrecalentado equivalente, el cual será
usado en el cálculo del diámetro interno de la tubería.


imagen 24. Deducción formula de continuidad en tuberías. (13)



tabla 25. Factor de corrección para redes de vapor sobrecalentado. (6)




Ecuacion 64: Ecuación de continuidad en
tuberías.

Despejando la Ecuacion 64: para el área interior de la tubería es igual a:







Ecuacion 65: Área interna de una tubería.

Ai
Øi
i
va p o r AVm


.

41. [Escribir texto] Página 38

Para hallar el área interna de una tubería en pulgadas la anterior ecuación, dará como
resultado:




v



Ecuacion 66: Área interna de una tubería en
pulgadas.

Donde:

2,4: Es un factor de corrección de unidades.

= Flujo másico de vapor



v

= Volumen específico del vapor




= Velocidad promedio del vapor ( )

Área interna de la tubería (

)

Para obtener el diámetro diremos:







Ecuacion 67: Diámetro interno de una
tubería.

Donde:


= Diámetro interno de la tubería ( )

= Área transversal interna de la tubería (

)
2.10.4 Resultados cálculos de tuberías

En la siguiente tabla se muestran los valores de los diámetros calculados por punto de la
central termoeléctrica.

Punto Velocidad
m/s
Velocidad
ft/min
Factor
Corr
Flujo
másico
(Lb/hr)
Flujo
másico
Corregido
Área
interna
(in)
Diámetro
Interno
(in)
1 40,64 8000,00 0,96 944201,22 983542,93 2458,75 55,95
2 39,24 7725,00 944201,22 944201,22 5450,75 83,31
3 40,64 8000,00 0,96 944201,22 983542,93 5450,75 83,31
4 25,40 5000,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31
5 0,91 180,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31
6 1,68 330,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31
7 1,68 330,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31
8 1,68 330,00 900317,13 900317,13 5450,75 83,31
9 0,91 180,00 944201,22 944201,22 5450,75 83,31

42. [Escribir texto] Página 39

10 1,68 330,00 944201,22 944201,22 5450,75 83,31
11 2,44 480,00 944201,22 944201,22 5450,75 83,31
12 39,24 7725,00 0,99 19661,84 19860,45 95,87 11,05
13 39,24 7725,00 24222,24 24222,24 173,58 14,87
14 39,24 7725,00 15422,63 15422,63 150,43 13,84
15 39,24 7725,00 24954,15 24954,15 325,37 20,35
16 1,67 329,21 19661,84 19661,84 2,44 1,76
17 1,67 329,21 19661,84 19661,84 59,70 8,72
18 1,67 329,21 15422,63 15422,63 1,87 1,55
19 1,67 329,21 24954,15 24954,15 3,01 1,96
20 1,67 329,21 15422,63 15422,63 360,20 21,42
21 1,67 329,21 24954,15 24954,15 378,83 21,96
tabla 26. Resultados de tuberías de la central termoeléctrica.

2.11 De la chimenea

Para el cálculo delo diámetro se utiliza la Ecuacion 68:






Ecuacion 68: Diámetro de la chimenea (20)

Donde Q es el caudal másico medido en




Es la temperatura


Es la densidad de los humos en condiciones normales medidos en



que son
aproximadamente





La velocidad de salida de los gases se halla por medio de la altura de la chimenea a que se
muestran en la siguiente tabla 27

Altura, h(m) Velocidad(m/s)
Hasta 20 6
20-45 9
Mayor de 45 12
tabla 27. Tabla de alturas y velocidades de la chimenea (20)

Se escoge una altura intermedia entre 20 a 45 metros de altura con una velocidad de salida de
9 m/s
El valor de Q es 118,9673516 Kg/s y el
es 228,381 °C y la Ecuacion 68: se desarrolla así:

43. [Escribir texto] Página 40


2.12 De la central

Teniendo en cuenta Ecuacion 29: hallamos la eficiencia de la central la cual es del 21,76%

3. Conclusiones

 La eficiencia del ciclo es baja debido principalmente a la etapa de recalentamiento, ya que
esta genera más consumos de calor.

 En los calentadores cerrados se ve como el flujo que pasa por estos (de la turbina a las
válvulas) tienden a enfriarse, excepto en el calentador 1, esto se debe a que el fluido de
trabajo está en la zona de saturación, y como tal no pierde presión si no que pierde
entalpia.

 Para aumentar el trabajo, y con lo cual la eficiencia se recomendaría trabajar con una
presiona máxima mayor, para de esta manera aumentar el área bajo la curva del diagrama
Ts (ya que esta sería el trabajo). Para esto lo ideal sería utilizar más etapas en la turbina.

 El diámetro de la chimenea se ve afectada por el caudal de flujo de los gases y la
temperatura de la salida de la caldera, que por la velocidad de salida de la chimenea y su
altura.
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[Citado el: 16 de 11 de 2014.] http://www.marylandmetrics.com/tech/pressurecvt2.htm.


5. Correcciones
Se debe tener en cuenta que la altura máxima de de los alabes no debe ser mayor que el radio
de esta misma etapa, dado que en estos casos el alabe puede flectarse o no funcionar
correctamente. Para solucionar este problema se debe poner más turbinas (iguales) y dividir el
flujo, haciendo que el flujo que pasa por cada turbina disminuya.

6. Anexos:

6.1 Anexo 1: Procedimiento general (Matlab)

ae=18;% se asume este valor para que la diferencia de entalpia sea lo más grande posible
cb=(w*pi*dm)/60; %m/s
popt=poptrateau;%se escoge el menor para aumentar la velocidad en cae
cae=cb/popt;
cre=fcos(cb,cae,ae);
cfe=cae*(sind(ae));
be=asind(cfe/cre);
bs=be-5;% tabla

45. [Escribir texto] Página 42

cwe=cre*(cosd(be));
km=km;%se asume por ser el cercano más elevado
crs=km*cre;
cws=crs2*cosd(bs);
cfs=crs2*sind(bs);
cas=fcos(cb,crs,bs);
as=asind(cfs/cas);


% datos extra etapa 2
cw2=cws2+cwe2;
nb2=(2*cb2*cw2)/(cae2^2);
nb2porcentaje=nb2*100;
% falta ngs revisar ecuación arriba para trabajar eficiencia de turbina

dhigs2=cw2*cb2;


6.2 Anexo 2: Estequiometria Carbón lignito (Matlab)

% Estequiometria carbón lignito v1.0

%% Para H
a=(18/2)*0.052;
%% Para C
b=(44/12)*0.69;
%% Para o sin exceso de aire
z=(a*(16/18))+(b*(32/44));
x=(z-0.25)/0.232;
%% Para o con exceso de aire
c=(0.25+(1.2*x*0.232))-z;
%% Para N
d=0.008+(1.2*x*0.768);

%% Respuestas
a
b
c
d
x