guia ciclos con vapor

GUIA CICLOS CON VAPOR
1.- Un generador de vapor produce 90.000 kg/hr de vapor a una presión absoluta de 4.7 MPa y a una
temperatura de 370ºC. El agua de alimentación entra en el economizador a 145ºC y sale a 205ºC. El vapor
abandona el cuerpo cilíndrico de la caldera con un título de 98%. La caldera consume 10.200 kg/hr de
carbón con poder calorífico superior a 31.650 kJ/kg. Hallar, en forma de porcentajes del calor total
liberado por el combustible, el calor absorbido por:
a) El economizador. (7.4 %)
b) La caldera. (52.6 %)
c) El recalentador. (10.1 %)
d) Hallar el rendimiento de caldera. (70.1%)
2.- El vapor de agua que sale del recalentador, a razón de 5.000 Kg/hr de una planta de fuerza, está a la
presión absoluta de 2.5 MPa y 420ºC. Este vapor antes de entrar a la turbina es estrangulado mediante una
válvula hasta la presión absoluta de 1.4 MPa. En estas condiciones entra a la turbina y trabajando
isentrópicamente sale a la presión absoluta de 35 kPa. Determinar:
a) Rendimiento térmico ideal de la planta. (26.2%)
b) La potencia, en HP, que se pierde en la turbina debido al estrangulamiento. (125.8 HP)
c) Analizar las ventajas que aporta el estrangulamiento del vapor.(Mejora la calidad del vapor a la
salida)
3.- Supóngase que la turbina de una planta de fuerza, operando según el ciclo Rankine, está alimentada con
vapor de agua a 1.5 MPa abs y 260ºC ¿Cuál sería el aumento de trabajo idealmente obtenido por cada kg
de vapor, si la presión del condensador es bajada de 0.1 MPa abs a 5 kPa abs? Además, ¿en cuánto
aumenta el rendimiento térmico? (390.4 kJ/kg, 11.9%)
NOTA: Despreciar el trabajo de la bomba.
4.- Una turbina a vapor recibe 7.000 kg/hr de vapor a la presión absoluta de 25 kg/cm2 y 300ºC y en su eje se
obtiene una potencia de 1.244 HP. La presión del condensador es 0.6 kg/cm2 abs. El rendimiento
mecánico de la turbina es 90%.
Si la planta tiene un consumo de combustible de 658 kg/h con un poder calorífico inferior de 37.674
kJ/kg, se pide determinar:
a) La humedad del vapor de escape de la turbina. (3%)
b) El rendimiento de la turbina. (62.8%)
c) El rendimiento de la caldera. (74.7%)
d) El consumo específico de vapor. (7.75 kg/h kW)
e) El rendimiento total de la planta. (13.3%)
5.- Un ciclo de una planta térmica trabaja con vapor que sale de la caldera a una presión de 5 MPa y
temperatura 800 K el que se expande en una primera etapa de turbina hasta la presión de 0.5 MPa; para
luego ingresar a un recalentador intermedio desde donde sale a la temperatura de 680 K y expandirse en
una segunda etapa de turbina hasta la presión de 5 kPa. Para la turbina real el vapor sale de la primera
etapa a la temperatura de 530 K y de la segunda etapa con un 2% de humedad. Suponiendo; rendimiento
mecánico y de transmisión de la turbina de 92%, rendimiento de generador de 96%, rendimiento de
caldera de 88% y una masa de vapor de 20.000 kg/hr, determine:
a) Rendimiento térmico del ciclo real. (35.3%)
b) Potencia que entrega la turbina en el eje. (6626 kW)
c) Potencia que entrega el generador. (6361 kW)
d) Consumo de combustible de la caldera suponiendo PCI = 31.500 kJ/kg. (2648.6 kg/h)
e) Rendimiento térmico de la planta térmica. (27.4%)
Reinaldo Sánchez A.
2015
2.
6.- Una planta térmica genera 5.000 kW de potencia eléctrica con vapor a la presión de 2 MPa y temperatura
800 K el que se expande en una turbina hasta la presión de 5 k Pa saliendo de ésta en forma real con una
humedad de 4%. Para el precalentamiento del agua de alimentación se efectúa una extracción de vapor a
la presión de 0.2 MPa y se emplea un calentador de mezcla. Suponiendo; rendimiento mecánico y de
transmisión de la turbina de 90% y rendimiento de generador de 95%, determine:
a) Porcentaje de vapor extraído para el calentamiento. (12.6%)
b) Rendimiento térmico del ciclo. (28.3 %)
c) Consumo de vapor de la planta térmica. (24.618 kg/h)
d) Consumo específico del generador. (4.9 kg/h kW)
e) Repita los puntos a, b, c, d reemplazando el calentador de mezcla por uno de superficie.
7.- Una planta térmica opera con 100.000 kg/h de vapor que entrega una caldera a la presión de 7 MPa
y 450ºC operando con un rendimiento de 85%. El vapor ingresa a una turbina expandiéndose en una
primera etapa hasta la presión de 0.7 MPa con un rendimiento de 82%, pasando luego a un recalentador
intermedio desde donde sale a la temperatura de 300ºC e ingresar a una segunda etapa de turbina, donde se
expande hasta la presión de 7 kPa con un rendimiento de 80%.
En la segunda etapa de turbina se extraen 60.000 kg/h de vapor para procesos térmicos a la presión de 0.3
MPa el que luego de utilizado retorna como líquido saturado mezclándose con el agua que sale del
condensador e ingresar posteriormente a la caldera.
Para el cálculo real determine:
a) Potencia que desarrolla la turbina. (22.390 kW)
b) Rendimiento térmico del ciclo. (27.2%)
c) Calor que entrega el vapor utilizado en proceso. (38.961 kW)
d) Rendimiento de la planta térmica. (23.1%)
e) Consumo de combustible si trabaja con carbón cuyo PCI = 27.200 kJ/kg. (12.801 kg/h)
8.- En el ciclo de la figura, la caldera produce 150.000 kg/h de vapor a la presión de 5 MPa y
temperatura 840 K, el que se expande en una primera etapa de turbina hasta la presión de 0,5 MPa, desde
donde sale en forma real a la temperatura de 560 K. El vapor entra a un recalentador intermedio y sale a la
temperatura de 720 K para expandirse en una segunda etapa de turbina hasta la presión de 0,01 MPa,
desde donde sale en forma real con una temperatura de 360 K.
En la primera etapa de turbina se extrae un 20% de la masa de vapor, que ingresa a la turbina, a la presión
de 1 Mpa para realizar un precalentamiento del agua de alimentación por medio de un calentador de
superficie.
La descarga del calentador de superficie y del condensado que retorna de los procesos, se lleva al estanque
de mezcla, el que trabaja a la presión de 0,15 MPa.
En la segunda etapa de turbina se extrae vapor a la presión de 0,2 MPa, para ser utilizada en procesos
térmicos, donde se requieren 15.000 kW en forma de calor. Del flujo de vapor extraído para procesos
térmicos, sólo es posible retornar un 60 % al estanque de mezcla, la diferencia debe completarse con agua
de reposición la que ingresa a una temperatura de 10 (ºC) al estanque.
La caldera utiliza carbón mineral como combustible el que posee un poder calorífico de 28.500 kJ/kg, en
tanto que la caldera tiene un rendimiento de 88 %.
Considerando un rendimiento mecánico de turbina de 90 %, un rendimiento de transmisión de 94% y un
rendimiento del generador de 92 %. Determine:
a.- Diagrama h-s del ciclo de la figura.
b.- Flujo y porcentaje de vapor que se extrae para los procesos térmicos.
c.- Temperatura del agua a la salida del calentador de superficie y del estanque de mezcla.
d.- Rendimiento de las turbinas de alta y de baja presión.
e.- Potencia en el eje de la turbina y potencia eléctrica generada.
f.- Rendimiento térmico del ciclo.
g.- Consumo de combustible de la caldera.
h.- Rendimiento de la planta térmica
Reinaldo Sánchez A.
2015
3.
4
3'
1
4
Caldera
3'
Generador
Turbina
B.P.
Turbina
A.P.
2'
5'
6'
Calentador
Superficie
16
Equipos térmicos
9
Trampa
Vapor
11
Condensador
Trampa
Vapor
10
15
Estanque
7
Mezcla
14
8
P=0.15 MPa
12
13 Agua de reposición
Respuestas:
b)
m = 5.58 kg / s procesos térmicos entrada
m5'
= 13.4%
M1
m9 = 3.35 kg / s procesos térmicos salida
m9
= 8.04%
M1
m13 = 2.23 kg / s agua reposición
m13
= 5.36%
M1
m2' = 8.33 kg / s calentador superficie
m2'
= 20.0%
M1
'
5
c)
d)
t14 = 77°C
ηturbina
ap
t16 = 191°C
= 82.44%
ηturbina
bp
= 91.3%
e)
N eje turbina = 44.689 kW
f)
g)
h)
N eléctrica = 38.647 kW
ηciclo = 37.3 %
mcombustible = 19.101 kg / h
η planta térmica = 25.5 %
9.- En el ciclo de la figura, el generador entrega una potencia eléctrica de 30.000 kW. La turbina se alimenta
con vapor proveniente de una caldera a la presión de 5 MPa y temperatura 880 K, el que se expande en
Reinaldo Sánchez A.
2015
4.
una primera etapa de turbina, con un rendimiento de 85%, hasta la presión de 0,5 Mpa. El vapor entra a
un recalentador intermedio y sale a la temperatura de 760 K para expandirse en una segunda etapa de
turbina, con un rendimiento de 87%, hasta la presión de 0,01 Mpa.
En la primera etapa de turbina se extrae un 17%, del vapor que sale de la caldera, a la presión de 2 Mpa
para realizar un precalentamiento del agua de alimentación por medio de un calentador de mezcla.
En la segunda etapa de turbina se extraen 10.000 kg/h de vapor a la presión de 0,2 MPa, para ser utilizada
en procesos térmicos, en forma de calor. Del flujo de vapor extraído para procesos térmicos, sólo es
posible retornar un 80 % al estanque de mezcla, la diferencia debe completarse con agua de reposición la
que ingresa a una temperatura de 12 (ºC) al estanque.
La descarga del condensador y el retorno de los procesos térmicos, se lleva al estanque de mezcla, el que
trabaja a la presión atmosférica.
La caldera utiliza carbón mineral como combustible el que posee un poder calorífico de 28.500 kJ/kg, en
tanto que la caldera tiene un rendimiento de 88 %.
Considerando un rendimiento mecánico de turbina de 90 %, un rendimiento de transmisión de 94% y un
rendimiento del generador de 92 %. Determine:
a.- Diagrama h-s del ciclo de la figura.
b.- Flujo de vapor que entrega la caldera a la turbina y porcentajes de vapor extraído para los procesos
térmicos.
c.- Temperatura del agua a la salida del estanque de mezcla.
d.- Temperatura de entrada del agua a la caldera.
e.- Rendimiento térmico del ciclo.
f.- Consumo de combustible de la caldera.
g.- Rendimiento de la planta térmica
4
3'
1
4
Caldera
3'
Generador
Turbina
B.P.
Turbina
A.P.
2'
5'
15
6'
2'
Equipos térmicos
Calentador
Mezcla
9
14
Trampa
Vapor
Condensador
10
13
Estanque
7
Mezcla
12
8
P=atmosférica
11
Respuestas:
b)
Reinaldo Sánchez A.
2015
Agua de reposición
5.
M 1 = 122.040 kg / h
m1'
= 17%
M1
m2'
= 8.2%
M1
c)
t12 = 51°C
d)
e)
f)
g)
t14 = 181 °C
ηciclo = 35.6 %
mcombustible = 15.556 kg / h
η planta térmica = 24.4 %
10.- En el ciclo de la figura, la turbina a vapor entrega una potencia eléctrica de 20.000 kW y trabaja a la
presión de 5 MPa y temperatura 840 K, el que se expande hasta la presión de 0,01 MPa con un
rendimiento de turbina de 75%.
En la turbina se efectúa una primera extracción de vapor a la presión de 1 Mpa para realizar un
precalentamiento del agua de alimentación por medio de un calentador de superficie. La descarga del
calentador de superficie se lleva al estanque de mezcla, el que trabaja a la presión atmosférica.
La segunda extracción de vapor se realiza a la presión de 0,2 MPa, para ser utilizada en procesos
térmicos y se extrae un 40% de la masa de vapor que ingresa a la turbina. Del flujo de vapor extraído
para procesos térmicos, sólo es posible retornar un 70 % al estanque de mezcla, la diferencia debe
completarse con agua de reposición la que ingresa a una temperatura de 10 (ºC) al estanque.
La condición de salida del agua del estanque de mezcla es como líquido saturado.
Considerando un rendimiento mecánico de turbina de 90 %, un rendimiento de transmisión de 94% y un
rendimiento del generador de 92 %. Determine:
a.- Diagrama h-s del ciclo de la figura.
b.- Porcentaje de vapor extraído en calentador de superficie.
c.- Flujo de vapor que entrega la caldera.
d.- Temperatura del agua a la entrada de la caldera.
e.- Flujos de vapor que se extrae para los procesos térmicos y el calentador de superficie.
f.- Calor entregado en procesos térmicos.
g.- Rendimiento térmico del ciclo.
Reinaldo Sánchez A.
2015
6.
1
Caldera
Generador
Turbina
2'
3'
4'
14
Calentador
Superficie
2'
Equipos térmicos
7
Trampa
Vapor
10
Condensador
Trampa
Vapor
8
13
Estanque
5
Mezcla
12
6
P=Atmosférica
11
9
Agua de reposición
b)
m1'
= 27.6%
M1
c)
M 1 = 149.202 kg / h
d)
t14 = 265 °C
e)
m1' = 11.43 kg / s
f)
Qprocesos térmicos = 41.714 kW
g)
Reinaldo Sánchez A.
ηciclo = 25.16 %
2015
m2' = 16.58
kg / s