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Ejercicios Centrales de energía
1- En una localidad apartada se requiere disponer de una potencia eléctrica instalada de 450 KW, para lo cual se estudia la factibilidad de usar una combinación motor diesel – generador eléctrico (1450rpm), con acoplamiento directo. 
Para motores diesel de 4T, se manejan los siguientes valores de referencia: la presión media efectiva al freno es de 8 bar, relación de compresión de 15, pérdida al agua de enfriamiento 1.2 KW por Kw al eje, pérdida al ambiente 0.2 KW por KW al eje. Relación aire combustible = 15
Rendimiento del generador eléctrico = 90%
Costos: equipos $ 500 /kw, instalación $120/kw, manutención $ 0.012/Kwh, 
Determinar:
· cilindrada del motor
· consumo de combustible
· costo de operación anual
· estimación de la temperatura de los gases saliendo del motor
· el costo del kW-hr , estimando una vida útil de la instalación de 15 años
· estimar el flujo necesario de agua de refrigeración
2- Seleccione y obtenga las dimensiones principales de una turbina para ser instalada en un salto de 100m, caudal disponible de 0.068 m3/s. La velocidad de giro se fija en 900 rpm.
· Dibuje los triángulos de velocidades a la entrada y a la salida del rodete.
· Calcule la altura teórica y la altura neta
3-- Seleccione una turbina para ser instalada en un salto de 125m, caudal disponible de 6 m3/s, potencia a generar de 5MW La velocidad de giro se fija en 720 rpm.
· Dibuje los triángulos de velocidades a la entrada y a la salida del rodete.
· Calcule la altura teórica y la altura neta
· Si el coeficiente de cavitación de Thoma es 0.08, calcule la altura de suspensión.
· Construya el diagrama altura – caudal , obtenga la posición de los alabes directrices cuando la carga baja al 80% y al 50 % de la carga nominal.
4- Se requiere dimensionar una turbina Kaplan para generar una potencia de 1MW, la altura del salto es de 18m, velocidad de giro 600 rpm. Obtenga las dimensiones del perfil en la periferia y en el cubo del rotor. Calcule la altura de suspensión máxima si el coeficiente de cavitación es de 0.6
5- Calcule las condiciones de operación y las dimensiones del modelo de la turbina del problema 3, a ensayar en el laboratorio, sabiendo que el caudal disponible está limitado a 110l/s.
6- Una turbina Kaplan genera 14MW girando a 150 rpm, y opera con una altura neta de 19m.
30% Calcule el coeficiente de sustentación necesario que debe tener el aspa (alabe) en su periferia
7- Una turbina Francis tiene las siguientes características n1=40, Nt1=3000 (unidades métricas) será instalada en un salto donde la altura neta se estima en 100 m. Ku1=0.73, coeficiente cavitación = 0.06, rendimiento del difusor = 0.92, rendimiento hidráulico = 0.94.
relación b1/D1=0.3, relación D2/D1= 0.6
calcule:
-15% las componentes del triangulo de velocidades a la entrada del rodete
-15% las componentes del triangulo de velocidades a la salida del rodete
- 10% la presión a la salida del rodete ( entrada difusor)
8- En el banco de la turbina Pelton del laboratorio, el manómetro ubicado antes de la válvula de aguja indica 50 m.c.agua, en la tubería (dint = 80mm) , estimándose en 5 m/s la velocidad media del agua en este punto. Calcule: la potencia teórica y el torque al eje
nota: considere U/C1=0.48, rendimiento mecánico = 0.85. 
9- Se dispone de la siguiente información sobre una turbina Pelton:
n1=21.2 Nt1=791 Q1=0.09 (sistema internacional)
a) determine las condiciones de operación para generar una potencia al eje de 3.000Hp
b) obtenga el valor de la energía cinética del agua saliendo de la tobera y saliendo del rodete
c) si la demanda varía según el gráfico siguiente, calcule la presión máxima en el circuito producto de la regulación con la válvula de aguja.(suponga longitud tubería de 300m)
10- Una turbina Kaplan girando a 150 rpm, será utilizada para generar una potencia al eje de 20 MW, en un salto donde la altura neta es de 19.5m
calcular la longitud de cuerda que debe tener el alabe en el borde exterior del rodete (radio mayor)
si el coeficiente de cavitación para esta turbina es = 0.6 (presión saturación 2500Pa , patmf =101.300Pa) calcule la altura de suspensión
11- Una turbina Francis tiene las siguientes características de funcionamiento: n = 400 rpm ,
 Hn = 100m, Nt = 4000 Hp, rendimiento hidráulico = 0.94, D1=1.6m, ángulo de salida del alabe = 18º
calcule el ángulo de entrada del alabe y el ancho B1 del rodete
cual debería ser el ángulo de salida del aparato directriz para 100 % de la potencia y 80% de la potencia
12- Un generador eléctrico es impulsado por un motor diesel con las siguientes características: 4 cilindros con carrera de 120 mm, diámetro cilindro 102mm, razón de compresión 16.5 a 1.
Según el fabricante, este motor operando a 1500 rpm, es capaz de producir una potencia al eje de 107 KW, con un consumo de combustible de 20 l/hr. 
Compruebe los datos anteriores, fundamentando cada una de sus cálculos.
13-Durante el ensayo de un motor diesel, se obtuvieron los siguientes datos: consumo de combustible 0.37 ml/s, gases: 7.5% O2, 8.8% CO2, carga al freno a 600 RPM, 2.6 kg y 40 lb. Calcule el costo específico de operación $/Kwhr y la relación aire /combustible
 
14-Turbina gas: a partir de la información entregada por fabricante ( tabla o gráfico) obtener parámetros de operación como los siguientes:(ver documento turbogas2 infoalumno)
Compresores: potencia (rendimiento isentrópico y politrópico), temperatura del aire saliendo de una etapa del compresor, compresión en etapas con enfriamiento intermedio
Cámara de combustión: balance de la cámara, predicción del consumo de combustible y flujo de aire
Expansor: predicción de la potencia al eje de la turbina y de la temperatura de salida de los gases, (rendimiento politrópico e isentrópico)
Predicción de la potencia eléctrica generada y cálculo del costo de operación
15. ciclo combinado: dadas las características nominales de operación de una turbina a gas, dimensionar una planta generadora con turbina a vapor acoplada a la turbina a gas y estimar la potencia total generada.
Problemas Centrales de energías abril 10 del 2006
1- Seleccione y obtenga las dimensiones principales de una turbina para ser instalada en un salto de 100m, caudal disponible de 0.068 m3/s. La velocidad de giro se fija en 900 rpm.
· Dibuje los triángulos de velocidades a la entrada y a la salida del rodete.
· Calcule la altura teórica y la altura neta
2-- Seleccione una turbina para ser instalada en un salto de 125m, caudal disponible de 6 m3/s, potencia a generar de 5MW La velocidad de giro se fija en 720 rpm.
· Dibuje los triángulos de velocidades a la entrada y a la salida del rodete.
· Calcule la altura teórica y la altura neta
· Si el coeficiente de cavitación de Thoma es 0.08, calcule la altura de suspensión.
· Construya el diagrama altura – caudal , obtenga la posición de los alabes directrices cuando la carga baja al 80% y al 50 % de la carga nominal.
3- Se requiere dimensionar una turbina Kaplan para generar una potencia de 1MW, la altura del salto es de 18m, velocidad de giro 600 rpm. Obtenga las dimensiones del perfil en la periferia y en el cubo del rotor. Calcule la altura de suspensión máxima si el coeficiente de cavitación es de 0.6
4- Calcule las condiciones de operación y las dimensiones del modelo de la turbina del problema 3, a ensayar en el laboratorio, sabiendo que el caudal disponible está limitado a 110l/s.
5- Calcule el valor de la presión máxima que se genera en la instalación del problema nº1,por cierre de la válvula. La pendiente de la tubería de carga es de 45º
a) instantáneo
b) 3 cierres parciales bruscos con relación lineal entre área de paso de la válvula y caudal, pero en un tiempo inferior a 2L/ a
c) calcule la elevación de presión en la válvula en función del tiempo para cierres parciales en tiempo total de 2
6- Obtenga las dimensiones de una turbina eólica para generar 100 kW en un lugar donde la velocidad promedio del viento es de 10 m/s.Centrales de energía junio 2006
Ejercicios propuestos
1- En una localidad apartada se requiere disponer de una potencia eléctrica instalada de 450 KW, para lo cual se estudia la factibilidad de usar una combinación motor diesel – generador eléctrico (1450rpm), con acoplamiento directo. 
Para motores diesel de 4T, se manejan los siguientes valores de referencia: la presión media efectiva al freno es de 8 bar, relación de compresión de 15, pérdida al agua de enfriamiento 1.2 KW por Kw al eje, pérdida al ambiente 0.2 KW por KW al eje. Relación aire combustible = 15
Rendimiento del generador eléctrico = 90%
Costos: equipos $ 500 /kw, instalación $120/kw, manutención $ 0.012/Kwh, 
Determinar:
· cilindrada del motor
· consumo de combustible
· costo de operación anual
· estimación de la temperatura de los gases saliendo del motor
· el costo del kW-hr , estimando una vida útil de la instalación de 15 años
· estimar el flujo necesario de agua de refrigeración
2- Se empleará una central térmica operando con agua, según un ciclo Rankine convencional, la potencia eléctrica a generar es de 10MW., el combustible a usar es carbón pulverizado, con un 15 % de exceso de aire precalentado a 80ªC. Se fijan las condiciones del vapor entrando a la turbina en 140bar/ 540ºC.
Si el 50% del calor transferido en el generador de vapor ocurre por radiación en el hogar y el resto por convección
· Obtenga:
· el ciclo de referencia 
· el costo del MW por combustible
· las características de la bomba del agua de alimentación y de la bomba de extracción de condensado
· las características de un ventilador forzado y otro inducido, sí la chimenea tiene una altura de 50m
· las especificaciones para los diferentes intercambiadores : sobrecalentador, recalentador, economizador, precalentador de agua, muralla de tubos de agua, desaireador, condensador
· dimensione el circuito para obtener vapor flash a 20 bar a partir de la extracción (purga) del generador de vapor 
· dimensione un circuito de venteo de vapor saturado desde el domo del generador a la atmósfera , correspondiente a un 2 % de la producción de vapor.
· Nota: otros datos son necesarios para resolver el problema, como: condiciones ambiente, geometría de circuitos, los que debe propner.
 Ejercicios 3 CE 2013
1.-Se selecciona un equipo generador eléctrico con una potencia eléctrica de 120 kW, 1000 rpm ,que será impulsado mediante acoplamiento directo por un MCI diesel. Haga una estimación del consumo de combustible (PCI=40.000KJ/kg), del flujo de agua de enfriamiento (considere calentamiento del agua de 8ºC) y de la cilindrada del motor
2- Un generador eléctrico es impulsado por un motor diesel con las siguientes características: 4 cilindros con carrera de 120 mm, diámetro cilindro 102mm, razón de compresión 16.5 a 1.
Según el fabricante, este motor operando a 1500 rpm, es capaz de producir una potencia al eje de 107 KW, con un consumo de combustible de 20 l/hr. 
Compruebe los datos anteriores, fundamentando cada una de sus cálculos.
3- Se está proyectando una central térmica formada por un motor diesel y un generador, siendo la potencia eléctrica a generar de 800 kW. Haga una estimación del caudal de: aire de combustión, de combustible y de agua de enfriamiento del motor.
Datos. PCI= 41000 kJ/kg, Ra/c= 15, calentamiento del agua 10ºC
4-Haga una estimación de la potencia eléctrica que se puede generar con un ciclo combinado, si la turbina a gas opera con un flujo de aire de 10 kg/s, relación aire/combustible = 36, temperatura gases entrando expansor 1000ºC, relación de expansión=12, rendimiento isentrópico=0.85, 
Los gases se enfrian en la caldera recuperadora hasta 150ºC, y el rendimiento del ciclo Rankine de referencia se estima en 22%.
5. Haga un esquema del condensador del laboratorio, indicando la instrumentación existente, y las variables correspondientes a los fluidos de trabajo. Indique en forma secuencial el procedimiento para calcular los coeficientes de transferencia de calor del condensador experimental y teórico.
6. Utilizando el diagrama de operación de la turbina a gas , calcule la potencia que se podría obtener empleando un ciclo combinado.
7. Utilizando el grafico rendimiento vs trabajo especifico neto para turbina a gas sin inyección de agua, funcionando con gas natural como combustible haga una estimación de la potencia de compresión y de la temperatura con que salen los gases de la unidad generadora de gases. Considere potencia bornes generador 20 MW, temperatura máxima 1200°C. . Si el grafico está referido a aire ambiente a 15°C, calcule el flujo de aire que impulsa el compresor para operación semejante , cuando la temperatura ambiente aumenta a 28°C
8. A partir de un análisis termodinámico identifique la razón del mejoramiento de la turbina a gas cuando se inyecta agua pulveriza, referencia grafico rendimiento vs trabajo especifico neto con inyección de agua. 
9. Empleando el mapa de funcionamiento de la turbina a gas y gráficos de rendimiento vs trabajo especifico neto, para aire ambiente a 15°C, estime la potencia del compresor, su razón de compresión, la temperatura de salida de los gases de la unidad generadora.
10.- Una central térmica ubicada 40 km al este de Antofagasta, está formada por 10 motores-generadores de 1Mw c/u, calcule el parámetro de selección de la torre de enfriamiento, la potencia la eje del ventilador, la potencia al eje de la bomba de circulación. Si la TBH tiene un rango de variación estacional de 10°C, que procedimiento propone para no alterar la operación de los motores. 
11. Mediante un análisis termodinámico compare el funcionamiento a carga parcial de una turbina a vapor cuando se ajusta mediante estrangulación con una sola válvula vs regulación variando el número de toberas en operación más estrangulación en una de ellas.
 
100%
 
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 8 16 24 hrs
 
demanda
 
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 8 16 24 hrs
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