0

Reconocimiento y balance trmico de un

Generador de Vapor ME5301-1 Laboratorio de Mquinas

Laboratorio 3

Nombre: Emilio Toledo G.

Profesor: Roberto D. Zanetta

Auxiliar: Daniela Correa H.

Fecha: 27 de abril de 2015

ndice

1. Introduccin .......................................................................................................................... 1

2. Objetivos............................................................................................................................... 2

3. Antecedentes ........................................................................................................................ 3

4. Metodologa.......................................................................................................................... 4

5. Memoria de Clculo ............................................................................................................... 5

5.1. Calor til ......................................................................................................................... 5

5.2. Calormetro de mezcla..................................................................................................... 5

5.3. Prdidas por combustin incompleta ............................................................................... 5

5.4. Prdidas de calor sensible en gases de escape .................................................................. 5

5.5. Otras prdidas ................................................................................................................ 6

6. Resultados ............................................................................................................................ 7

7. Anlisis de resultados y discusin ........................................................................................... 9

9. Conclusiones ........................................................................................................................10

1

1. Introduccin

Una central termoelctrica es una instalacin empleada en la generacin de energa elctrica a

partir de la energa liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustin de

combustibles fsiles como petrleo, gas natural o carbn. Este calor es empleado por un ciclo

termodinmico convencional para mover un alternador y producir energa elctrica. 1

Parte de una central considera la caldera o generador de vapor que tiene como objetivo lograr

que, dentro del ciclo, se transforme el agua en vapor.

En el presente informe se detalla la experiencia realizada en el Taller de Molina haciendo uso del

generador de vapor existente en este espacio. A continuacin se detalla el proceso utilizado para

determinar la potencia trmica y lograr un balance trmico de la caldera.

1 http://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctrica

2

2. Objetivos

Como objetivo principal de la experiencia se considera reconocer una central trmica de potencia.

Como objetivos especficos se identifican los siguientes2:

Realizar un balance trmico de un generador de vapor.

Identificar prdidas dentro de la central trmica.

Determinar los errores que influyen en una toma de datos no exactos.

2 Apuntes para el curso ME53B: Laboratorio de Mquinas. Sergio Courtin V, 2006.

3

3. Antecedentes

La instalacin de la central trmica asociada al experimento presenta la configuracin de la Figura

3.1

Ilustracin 3.1: Esquema configuracin central trmica

Los equipos utilizados durante la experiencia se enlistan a continuacin:

Caldera generadora de vapor, provista de un quemador de petrleo.

Calormetro de mezcla.

Termmetro ambiental.

Medidor de humedad relativa.

Termmetro.

Analizador Orsat.

Balanza electrnica.

Balde.

Cronmetro.

4

4. Metodologa

Se pone en funcionamiento la caldera hasta un nivel estacionario. Se miden la temperatura y

humedad ambiental. Se pesa el calormetro sin fluido en su interior y luego con del contenido

con agua fra midiendo su temperatura con el termmetro. Posteriormente se tapa el calormetro

y se empieza a llenar de vapor proveniente de la caldera por uno de sus orificios. Despus se pesa

para determinar la masa de vapor entrante; tambin se mide la temperatura a la mezcla de agua

fra y vapor. Por medio del balde y cronometro se mide el caudal de agua que circula por el

sistema. Para esto se considera que se tiene que llenar por sobre la mitad del balde de agua

proveniente del condensador, sin considerar que existen perdidas de flujo en el circuito completo,

mientras se toma el tiempo; luego se mide en la balanza el peso del agua (se resta el peso del

balde solo). Por medio de un recipiente de vidrio que se encuentra en la caldera se determina el

consumo de combustible por el quemador midiendo el tiempo necesario en consumir un litro.

A travs de un medidor incluido en la caldera se mide la temperatura con que entra el agua de

abastecimiento. A su vez se determina la temperatura de los gases de escape y se realiza el anlisis

de estos por medio del analizador Orsat.

5

5. Memoria de Clculo

5.1. Calor til 1 = ( ) 5.1

Con el flujo msico de vapor en calormetro, la entalpa de vapor y la entalpa del agua

de alimentacin.

5.2. Calormetro de mezcla

=

5.2

Con : Masa agua fra en calormetro.

: Entalpia del agua fra en calormetro.

: Masa vapor en calormetro.

: Entalpa del vapor.

: Masa total en calormetro.

: Entalpa total en calormetro.

5.3. Prdidas por combustin incompleta

2 = %

%2 + %

5.3

5.4. Prdidas de calor sensible en gases de escape

3 = ( + )( ) 5.4

= 44%2 + 32%2 + 28% + 28%2

12(%2 + %)

5.5

6

Con : Flujo de gases secos.

: Flujo de vapor de agua.

C: Peso de carbono contenido en los gases de escape.

: Temperatura gases de escape.

: Temperatura ambiente.

= 0.46Kcal/KgC

= 0.24Kcal/KgC

5.5. Otras prdidas

4 = (1 + 2 + 3)

5.6

7

6. Resultados

Habiendo realizado el experimento se tienen los siguientes datos,

Tabla 6.1: Datos obtenidos en laboratorio.

Temperatura Amiente (Tamb) 28[C]

Humedad relativa (hrel) 49%

Masa balde vaco (Mbal) 0,7 [Kg]

Masa balde despus de cierto tiempo (Mbalt+1) 10,15 [Kg]

Flujo de vapor (mvap) 100 [Kg/s]

Tiempo de combustin (tc) 387 [s]

Temperatura entrada bomba (te) 28 [C]

Masa calormetro vaco (Pc) 5,5 [Kg]

Masa Final (agua+vapor) (Mf) 9,53 [Kg]

Temperatura entrada agua (Ta) 18 [C]

Masa calormetro agua (Mca) 9,06 [Kg]

Temperatura final (agua+vapor) (Tf) 84,7 [C]

Anlisis Orsat CO2 11,6%

Anlisis Orsat CO 0,8%

Anlisis Orsat O2 5,2%

Temperatura gases de escape (Tg) 266 [C]

Luego, utilizamos la ecuacin 5.1 a 5.6 para determinar los distintos calores perdidos remplazando

los valores correspondientes y asumiendo el gasto de combustible de 1 litro en el tiempo

especificado.

8

Tabla 6.2: Valores de Q1-Q4

Prdida Valor [kJ/hr]

Porcentaje [%]

Q1 56.302 60,6

Q2 6.008,9 6,5

Q3 24.535 26,4

Q4 6.009 6,5

9

7. Anlisis de resultados y discusin

De la tabla 6.2 podemos ver claramente en qu forma o cantidad afecta al rendimiento o eficiencia

total para el generador trmico o caldera. En este caso se tiene que esta alcanza un valor cercano

a los 65% de porcentaje esperado, llegando cerca del 61% de rendimiento. Por otra parte, se

tienen el resto de las prdidas que disminuyen la eficiencia de la central en su conjunto, asociadas

tambin al generador. Se destaca Q3 como una prdida importante alcanzando incluso un 26% del

total. Este calor corresponde al desprendido por los gases de escape, lo cual es acorde a la gran

cantidad de material expulsado a una muy alta temperatura lo que refleja ntegramente la

dimensin del calor perdido, absorbiendo los gases mucha energa para el aumento de su

temperatura.

En cuanto a Q2 y Q4 existe un porcentaje menor del total, alcanzando un 13% en su conjunto. La

primera se asocia a la mala combustin del disel utilizado en el generador trmico para provocar

el aumento de la temperatura requerido dentro del mismo. Esto se puede deber a una mala

relacin de aire combustible en la cmara de combustin. Si vemos el caso de Q4, existen muchos

factores que pueden ligarse a esta prdida, entre ellos, la de calor tanto por radiacin como

conduccin, asociado a una mala aislacin de los distintos recorridos o flujos de vapor, agua y

fluidos en general dentro de la caldera.

Por ltimo se tiene que otra fuente de error posible es la mala calibraci n de los equipos utilizados

para medir, por ejemplo, los gases de combustin (anlisis Orsat), entre otros.

10

9. Conclusiones

Se puede concluir que la experiencia fue llevada a cabo con xito completndose a cabalidad los

objetivos esperados, obtenindose el balance de calor correspondiente a la caldera. Adems

existe un acercamiento al funcionamiento de la central trmica existente en Molina.

Se realiza el balance trmico de forma exitosa, obtenindose valores cercanos a los esperados

(61% versus 65%), aunque se acerca al lmite inferior de estos. Adems se logra identificar otro

tipo de prdidas, asociadas por ejemplo, a los gases de escape en su alta temperatura, alcanzando

un 26% de prdidas en este sentido y un 13% para otro tipo de prdidas (combustin incompleta y

prdidas de calor por conduccin y radiacin del aparato).

Por ltimo, se desprende de las prdidas no identificadas especficamente, una asociacin a los

errores que se pueden cometer al momento de obtener los datos de los experimentos, por

ejemplo, un anlisis Orsat defectuoso, equipo de medicin descalibrado (debido a la antigedad

de los mismos), entre otros.