Termodinamica II

Asignatura: Termodinámica II

Introducción.

Debido a la demanda energética en la actualidad, cada día se buscan nuevas formas de producir energía, principalmente la eléctrica, una de las formas más conocidas y que abarca más del 70 % de la energía eléctrica generada en el mundo se produce mediante turbinas accionadas por vapor. Esto debido principalmente a que son métodos de generación ya desarrollados y relativamente sencillos.

Objetivo general: Evaluación N°2 Método Caso (2019) Resolver problemas técnicos asociados a las energías y eficiencia térmica, en sistemas de generación de vapor, de acuerdo a su aplicación industrial. 

Objetivos específicos: Evaluación N°2 Método Caso (2019) 

-Calcular propiedades de estado, en sistemas de generación de vapor, a través de balances térmicos y tablas de propiedades termodinámicas.

• Calcular las energías intercambiadas en sistemas de generación de vapor, a través de balances térmicos.
• Calcular la eficiencia de la transformación de energía, intercambiadas en sistemas de generación de vapor de uso industrial.

-Describir las comprobaciones que deben realizarse a una caldera de vapor.

Alcance: El alcance de este informe está centrado en los equipos de vapor, específicamente en calderas de vapor, para realizar los diferentes cálculos correspondientes y el análisis de esta.

Finalidad del informe: Determinar mediante cálculos termodinámicos las eficiencias de una planta de generación térmica convencional y otra con recalentamiento para determinar en conjunto cual sería la más adecuada para la sustitución de la planta hidroeléctrica Chivilingo por un ciclo Rankine.

Descripción del problema: Evaluación N°2 Método Caso (2019)  Para prevenir problemas ambientales ocasionados por la falta de agua en la cuenca del rio Chivilingo, y el deterioro de las turbinas Pelton se construirá una planta de generación térmica en este complejo histórico. En donde se trabajará como un equipo de apoyo en la sustitución de la capacidad de Generación de electricidad de la planta Hidroeléctrica por un ciclo Rankine. 

[pic 2] 

Ilustración 1 Ubicación planta Chivilingo 

Desarrollo.

Actividad N°1.

Se quiere instalar un ciclo Rankine con recalentamiento como el que se muestra en la figura 1, con vapor sobrecalentado, entra a 2,5 MPa y 300 ºC a la primera etapa de una turbina de vapor. El vapor abandona la primera etapa a una presión 500 kPa y regresa al generador de vapor, el cual abandona a una temperatura de 300 ºC y reingresa a la segunda etapa de la turbina, que finalmente abandona a 10 kPa. Evalúa la eficiencia del ciclo y la calidad del vapor a la salida de las dos etapas de la turbina. Utilice las tablas termodinámicas.

[pic 3] 

Ilustración 2 Ciclo Rankine con recalentamiento

a) Análisis de la turbina en la primera y la segunda etapa. Represéntelo en un diagrama TS con recalentamiento.  

Primera etapa:

Punto 3 se presenta una presión de 2,5MPa y una temperatura de 300°C. Según tablas (A-6):

Entalpía h3: 3009,6 𝑘𝐽 

𝑘𝑔

Entropía S3: 6,6459        𝑘𝐽  [pic 4]

𝑘𝑔∗𝐾

Como se presenta un proceso isotrópico, entonces s3 = s4. Y también se observa que s4g=s4. Por lo tanto:

Datos (obtenidos por tabla A-5):

𝑘𝐽

𝑠4 = 6,6459          

𝑘𝑔∗𝐾

𝑘𝐽

𝑠𝑓4 = 1,8604           Se obtiene por tabla a una presión de 500 kPa [pic 5]

𝑘𝑔∗𝐾

𝑘𝐽

 𝑠𝑓𝑔4 = 4,9603         Aquí se utiliza este valor obtenido de tabla, donde está evaporado.

𝑘𝑔∗𝐾

Fórmula:

        𝑘𝐽        𝑘𝐽

        𝑠4−𝑠𝑓4        6,6459𝑘𝑔∗𝐾−1,8604𝑘𝑔∗𝐾[pic 6]

𝑥 =        =        = 0,9647 

𝑠𝑓𝑔[pic 7]

𝑘𝑔∗𝐾

Una vez con todos los datos calculados, se reemplaza en la fórmula para encontrar la entalpía punto 4:

Datos:

𝑘𝐽

ℎ𝑓4 = 640,09 

𝑘𝑔

𝑘𝐽 ℎ𝑓𝑔4 = 2108,0          [pic 8]

𝑘𝑔

𝑥 = 0,9647 Fórmula: ℎ4 = ℎ𝑓4 + 𝑥 ∗ ℎ𝑓𝑔4 = 640,09 [pic 9]𝑘𝐽 + (0,9647) ∗ (2108,0 [pic 10]𝑘𝐽) = 2673,6776 [pic 11]𝑘𝐽 

        𝑘𝑔        𝑘𝑔        𝑘𝑔

Ahora que tenemos entropía en ambos puntos en la turbina, calculamos el Trabajo en la primera etapa: Datos:

𝑘𝐽 ℎ3 = 3009,6         

𝑘𝑔

𝑘𝐽 ℎ4 = 2673,6776          [pic 12]

𝑘𝑔

        𝑘𝐽        𝑘𝐽        𝑘𝐽

𝑊𝑡1 = ℎ3 − ℎ4 = 3009,6[pic 13] − 2673,6776[pic 14] = 335,9224 [pic 15] 

        𝑘𝑔        𝑘𝑔        𝑘𝑔

Segunda etapa:

Luego se analiza el punto 5 donde P5= 500kPa y T5= 300°C, y como nos indica las tablas a esa presión la Tsat= 151,86°C. y T5 es mayor que dicha temperatura, pasa a ser vapor sobrecalentado. Por lo tanto:

𝑘𝐽 ℎ5 = 3064,6         Datos obtenidos de tabla A-6

𝑘𝑔

𝑘𝐽

𝑠5 = 7,4614  Datos obtenidos de tabla A-6 [pic 16]

𝑘𝑔∗𝐾

Como es un proceso de expansión isoentrópica entonces s5=s6. Sabemos que P6=10kPa, entonces sg6>s6, el punto 6 es una mezcla y se calcula:

Datos:

𝑘𝐽

𝑠6 = 7,4614         

𝑘𝑔∗𝐾

𝑘𝐽

𝑠𝑓6 = 0,6492         Datos obtenidos de tablas A-5 [pic 17]

𝑘𝑔∗𝑘

𝑘𝐽

𝑠𝑓𝑔6 = 7,4996         Datos obtenidos de tablas A-5

𝑘𝑔∗𝐾

Fórmula:

        𝑘𝐽        𝑘𝐽

        𝑠6−𝑠𝑓6         7,4614𝑘𝑔∗𝐾−0,6492𝑘𝑔∗𝐾[pic 18]

𝑥 =        =        = 0,9083 

𝑠𝑓𝑔[pic 19]

𝑘𝑔∗𝐾

Reemplazamos:

Datos obtenidos de tabla a-5 a 10kPa:

𝑘𝐽 ℎ𝑓6 = 191,81 

𝑘𝑔

𝑘𝐽 ℎ𝑓𝑔6 = 2392,1  [pic 20]

𝑘𝑔

𝑥 = 0,9083 

𝑘𝐽        𝑘𝐽        𝑘𝐽 ℎ6 = ℎ𝑓6 + 𝑥 ∗ ℎ𝑓𝑔6 = 191,81[pic 21] + (0,9083) ∗ (2392,1[pic 22]) = 2364,5544[pic 23] 

        𝑘𝑔        𝑘𝑔        𝑘𝑔

Teniendo ambos datos calculamos el trabajo en la segunda etapa Datos:

𝑘𝐽

 ℎ5 = 3064,6         

𝑘𝑔

𝑘𝐽 ℎ6 = 2364,5544          [pic 24]

𝑘𝑔

Fórmula

        𝑘𝐽        𝑘𝐽        𝑘𝐽

𝑊𝑡2 = ℎ5 − ℎ6 = 3064,6[pic 25] − 2364,5544[pic 26] = 700,0456 [pic 27] 

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