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mf
Centrales de Energía Pauta corrección Certamen no 1
Central de potencia de 10 MW, presión de operación 80 bar.abs operación según ciclo Rankine
sirnple.
Generador de vapor: agua enffa saturada a l00oC (b:419 kJlkg), sale del sobrecalentador a
480"C (b:3025.7 kJ&g) yde laturbina a25oC (r=2600 kJ&g).
Rendimiento de Ia calclera (PCI¡:9.35, rendimiento c1e 1a turbina: 0.85
Combustible CH4 con PCI:49900 kYkg
-Para generar una potencia eléctrica (bornes generador) de lOMW considerando un
rendimiento del generador de95Yo, el flujo de vapor necesario es:
Nd 104thu=-*=-=24.73k91s' ,1r",* Lh, 0.95 * 13025.7 -2600)
-Para obtener el flujo de vapor anterior en la caldera, se requiere quemar el siguiente fluio de
combustible:
ri1r, * A.l'1,,, - z4.T: ko_zs_J _4te) = 1.52k s t .y
0.85 * 49900
- El caudal de aire de combustión, para la relación airelcombustible dada es el siguiente:
til, = ro,, * hf : 16* |,52 = 24.32k9 / s
-Dada la ubicación del ventilador, el caudal de gases a impulsar es el siguiente:
fu r = fuo * rit., : 24.32 + 1.52 : 25.841cg / s
d1a-/
¡ffi
tr'H-.'1 I v
l) especifique el ventilador necesario (caudal, altura) y su potencia al eje (rendimiento
ventiiador:0.7) que será instalado entre la caldera y la chimenea. Los gases tienenuna
temperatura de lB0' C, la chimenea crea rura depresión en su base de 100 mm. c. agua y la
caída de presión total en la caldera es de 400 mm. c agua., la relación airelcornbustible es I6.
-Altura de elevación del ventilador
Segun ia fi§"ra se tiene, considerando que las velocidades del gas en 1 y 2 son iguales; y con
propiedades del gas similares a las del aire:
H,, =!ú cbn: p, = Panl - LP"r, Y
t7"ou * PCI cH,
gp,
400
M"oH = 
10009P,"
Pz=Pot,n¡-M"r,
101.300v Mct¡ =iffiro,, = 0.78kg/ mrY Ps=
287 * (273.15 +180)
8,, _ 
(0.4-o.l)g*looo 
=385nt' g*0'78
:
-Caudal que impulsa el ventilador
Conocido el flujo másico de gases, calculado anteriormente:
ths 25.84 .. .t._-_3 t -L) =-=-=-pE o-78 
33'13m3 /s
-Potencia al eie del ventilador
M _gpr*Hn*8r _ 9.g1*0.79*3g5*33.13 =,,930ow =139.3KW''cY - ev 03
La potencia eléctrica que se gasta en la imFulsión de los gases es, considerando un rendimiento
del motor eléctrico de90oA:
N. .. - N"Y - l393oo =$4778W =154.8kWt'cl*v - 
\-onr 0.9
2) especifique la bomba de alimentación de agua para la caldera si el desnivel entre el domo de
la calde¡a y la superficie libre del desaireador (a la presión atmosférica) es de 25m, la longitud
de la tubería de alirnentación es de 50m, todas las pérdidas equivalen a20rn, y la velocidad del
agua recoillendada es de 2 m/s.( considere f=0.018).
domo caldera
i
h=25m
-\ 
bnnrba alimentación
caldera
-Altura de elevación de la bomba
Aplicando bernoulli entre la superficie libre del agua en el desaireador y en el dorno de la
caldera, se obtiene:
Ht = Br*Br* a,, = Prap---Pantr + h+ Lr- 
(go -!)-lo' +25+ LrgP,o ' g10'
Lu,t' * ' n1cotl: tr=.f::41- .f=0.018 L,,o=S\m Ln,,i,.=20n1 C=2m/sd29
Falta determinar el diámetro de la fubería, pero se tiene como dato que el caudal que impulsa la
bomba de alimentación de agua tiene que ser igual al fluio de vapor que se genera en la caldera.
Por lo que:
fu,u=fuv =24.7kg/s -+ Q,,=H=0.0247m3 /s
1000
e* = A,u**c =G*arl+)*z=0.0247 1d:0.12s4m
i'r
Con lo que:
I
I
H^=12:lo'+zs+o.ot8* 70 4 =B33,m-- b 9800, 0.1254 2*9.8
-Especificación de Ia bomba:
Altura de elevación requerida 833.2m para un caudal de 24.7litros/seg
3) verifique si la bornba cavit4 la superficie libre del desaireador esta 12 m pot encima del eje
de la bomba, la tubería tiene una longitud de I 5m y todas las pérdidas equivalen a 10m con F
0.018, se sabe que el NPSIIR es 6m.
Como NPSIID (l l.3m) > NPSI{R (6m) Ia bor:rba funciona sin cavitación
4) obtenga la relación aire/ combustible cr¡ando se quema gas natural diluido (50% en peso
metano y 50% en peso aire), suponiendo combustión completa y midiéndose 10% de CO2 en
los gases de combustión.
-Composición en masa fueso) del combustible
I kmol de metano CH¿ tiene una masa de m"=12a4*1=16 Kg.
Escribiendo el aire del combustible en función de su composición volumétrica o molar, se
tiene:
Bomba elimentacíón
Se debe comparar el valor del NPSIID (característica del circuito) con el valor requerido por la
bomba
-Se debe evaluar la expresión del NPSH referida al circüto
fn2'l
NpsHD =l L*!l-& I
lgp 29 BP )"¡.,n¡to
Aplicando bernoulli entre los puntos 0 y 1 indicados en la figura, con el eje de la bomba en el
rrivel Z=0 se obtiene:
.Bo =8, +Ao, -+ 
po *zn=L*$*to, v'¿5¡a¡¡¿6!:*gp gP ¿g gP
NP1HD-Po-P'a +zo-Lol
gP
Corno el agua está a I00oC la presión de safu¡ación a esta temperatura es de I atmf igual a p6
NPSHD= 12-Aor y or,=.f !r+**
NPSHD=12-0.018(ts+to) ¿ =tt.3m
0.1254 2*9.8
I *cu" a 100oC
ü
alo, +l rcNrl=Iillcg' -+ allZ+3.76*24] = 16 4 d =0.1166
Lá formula del combustible es por lo tanto:
fcno +o.lt66* (o, +z.ls-¡l.)]
- Balance de materia a partir de la ecuación de combustión (completa CO=O)
xlctt o + 0.1 r 66(0, + 3.7 6* N, )] * rfo, + I .l e.M, ] = z tco z + z rH ro + Z ro, + z o N r.
lcombusttbtef +faire samin istardof lpro&rctos de combustión]
i
X se emplea porque no se conoce la proporción de combustible que reaccionó para dar un l0olo
de COz en volumen o rnoles en los productos secos.
l0% de CO2 lmplica que:
7l"r i= 0.1
Zr+Zr+Zo¡
Haciendo el balance de especies se obüene:
C:X=Zt
H:4X -2Zz
O:2*0.7166* X +2*Y =2Zt + Z, +22,
N : 0. I 166* 3.7 6* 2* X + 3.7 6* 2* Y = 2* Z q
Resolviendo el sisterna de ecuaciones para X:l se obtiene Y:2.194
La relación aire /cornbustible es por lo tanto:
Ra/c:masa aire suministrado/masa combustible diluido=
n aireszmin ictrado 2.194*132+3.76*281 3}l.zH 
- 
__-41 i-''4iÍ 
combustible dihtido - ,*ftt2+4)+0.1166 *(32+3.76*2q) 16¡16- ''-
Si se toma corno combustible exclusivamente al metano, entonces se obtiene:
R,,. = 
aire total _307.2+16 = l9.gmetano 16
5) dimensione un circuito de venteo de vapor a la atmósfera con una capacidad de I0 ton/HR.
-Se debe verificar si existe flujo sónico en la línea de venteo
a) diferencial de presión cuando opera el venteo es de:
M = Pdo,,o- Panf = 80-I =79bar =79x14j = 1145-8psi
Segun la tabla y considerando K=10
para-K :1O -- 
g: A.773 y Y : O-7O5
Luego &.,¡tico : O.773* pro-o: 0-773 * 8O : 878-lpsi
Como én este caso el venteo es hasta la presión atmosférica, resulta que antes se aleanzala
condición sónica de escurrimiento
^p,r,t*(878.lps/) 
< &n*,o,(Il4í.&psi)
Debido a lo anterior, la expresión que permite calcular el flujo másico es:
-f/
m = l89I *Y* d2 "l+ con;ñt =l\ton lhr =22000tb /hr Ap = Lpctitico:878.lpsiVK*v
K = l0 v = vr(p =1l60psia) = 0.380
d2= | 22000
r8er*o.7o5,Ff 
87s'l 
)os
\ t0 * 0.380/
=l.0856pulg2 -+ d =1.0419 pulg. = 26.5mm
Luego el diánletro de 1a línea de venteo deberá ser de 318mm, y la longitud total equivalente
podria calcular a partir de:
f
K=r2* ¡*L'o'o'*uu' - K 
-'=11:,':o=1? 
=48.24pie=L4.7m, d +L,utotus,,i,,= * 12*0.0Ig
Línea de venteo de 14.7 m (incluye longitud adicional por pérdidas) y diámetro de 26.5mm.
6) calcule el flu"io de calorpor convección que ocurre en una torre de enfriamiento,
Datos agua: entra a23oC y sale a l8oC, flujo 6kg/s
el agua evaporada es de 120 kg/hr
Si el aire erúraaTBS:13.5"C TBH=12.3'C, cuales serían la TBS y la TBH a la salida
(1+w,
T5¡1
m, (1+w1)
T¿ Tur
Apartir del balance de energias en el condensador, se obtiene, considerano que el agua de
reposición , tiene la misrna temperatura que el agrra saliendo de la torre.
In*
T¿
Qr =fu.t*crr*Tri,r-furrz*c**T*z-furrrncru*Truo=ffirrt*cr,,*T*t-(rir",r*tixrrr)*crr*Trr,,
con h,a=lh*r+1il,u,'
Qr = 6*4180 * (Z: _tS) = 125400W
Una fracción del enfriamiento se produce por ev4poración-difusión
Qrn¿r = Lth,,,* hÍs cot1, Ltfl,u = 020136o0)kg/ s y hfs(t. = 20.5o C)=2454K1 I kg
Lñ,u = th,,,, - 1h,,,2 = th,u,
Qy.EP :0'0333 * 2454 : 81 80012
El flujo de calor porconvección será la diferencia
Qro*' = Q, -Qw* =125400 - 81800 = 43600W
Como se calculó el enfriamiento por convección, se tiene:
Qro*, = tho,* coo* (T*z -T*t) +Wr* (h,,,- hr)
De la ecuación anterior conocidos el fluio de aire y el contenido de agua entrando a la torre, y
suponiendo que sale saturado,CfBSz=TBHz) , se puede obtener la oondición con que sale el
aire desde la torre.
li ,t ---O----------) . lr 
"r --:-
A,parlir del balance de energias en la torce se obtiene:
h,"Uxo", + wrhnrl+ fu,uth,nt = ho"lhorz + wrhrrf+ it,,zh,,z
De las expresiones anteriores se fiene:
tito" * cro\,"z -To"t)+Wrr* (hr, -hrr)* (W, -tr)* ltn, = ú,,tc,uT*t -ritorc,,T-,
Y remplazando elflujo de calor Qr, se obÍiene:
rho, * c o,@o"2t,- T*r)+w, 
* (hr, - hor)+ (w, -wr)* hr, = Q, - th.,,,.c,oT,oo
Q, = it n"* c o;@,"z -To"t)+Wrx (hn, - hrr)+ fu,,, * (h,, - h,u,)