Guia de Trabajo Practico Ciclos de Vapor

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TECNOLOGÍA DEL CALOR - Guía de Trabajos Prácticos – Estudio de los Ciclos de Vapor - 
 UTN – Facultad Reg BsAs 
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DEPARTAMENTO DE MECÁNICA 
ALUMNO ................................................. MATERIA: TECNOLOGÍA del CALOR 
AUTOR DEL INFORME:................................................. GRUPO: ......................... 
 REALIZACIÓN DEL TRABAJO PRACTICO: ............ NOTA CONCEPTO: ...... 
 PRESENTACIÓN DEL ORIGINAL: ................................................................ 
FECHA DE: 
FIRMA DEL ORIGINAL: ........................................ V°B° ORIGINAL: ............... 
FIRMA DE LA COPIA: ............................................ V°B° COPIA: .................... 
TRABAJO PRACTICO N° 1- Primera y segunda parte SON 10 HOJAS 
TITULO: “Estudio de los ciclos de vapor” 
PRIMERA PARTE: - Ciclos ideales 
 
1- Objetos: Determinar el rendimiento térmico y hallar la mejora de 
rendimiento con respecto a un ciclo Rankine, para las siguientes evoluciones: 
♦ Ciclos Rankine 
♦ Ciclo con sobrecalentamiento (Hirn) 
♦ Ciclo con recalentamiento intermedio, efectuando la primera expansión en 
la turbina hasta la temperatura media termodinámica a la que absorbe 
calor el ciclo parcial con sobrecalentamiento. 
♦ Ciclo con recalentamiento intermedio, de tal manera que el vapor que sale 
de la turbina en la zona de baja presión está sobre la curva límite superior. 
2- Datos del problema: 
♦ Presión en el cuerpo cilíndrico del generador de vapor. 
Pd = (ate) 
KN/m2 
♦ Presión del vapor sobrecalentado a la salida del generador de vapor. 
P3’= (ate) 
KN/m2 
♦ Temperatura del vapor sobrecalentado y recalentado, según corresponda, a 
la salida del generador de vapor 
t3’= °C 
°K 
♦ Presión del vapor sobrecalentado antes de la válvula de la turbina. 
P3= (ate) 
KN/m2 
♦ Temperatura del vapor sobrecalentado antes de la válvula principal de la 
turbina. 
t3 = °C 
°K 
♦ Temperatura del agua de circulación 
te = °C 
°K 
 
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♦ Rendimiento de la turbina 
ηt = % 
♦ Rendimiento de la bomba de alimentación 
ηb = % 
 
3- Enfoque gráfico del problema: En un diagrama T-S se trazan los cuatro 
ciclos enunciados: 
 
4- Desarrollo del cálculo: 
4.1- Trabajo de la bomba de alimentación (ALb) 
El trabajo de la bomba de alimentación se calculará mediante la fórmula que 
más abajo se detalla y será el mismo para los cuatro ciclos a estudiar. 
ALb = i2’ – i1 = A.v (Pd – Pc ) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
como no se conoce el valor de i2’ recurrimos para determinar el trabajo de la 
bomba a la segunda igualdad, siendo: 
 
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3
A = equivalente térmico del trabajo, 1/427 (kcal/kgm) 
v = volumen especifico del agua de alimentación, 0.001 (m3/kg) 
Pd = presión de trabajo del generador de vapor (kg/m2) 
Pd = ate= ata= (kg/m2) 
 
Pc = presión en el condensador, obtenida del gráfico que se adjunta 
“CURVAS DE PRESIONES ABSOLUTAS EN LOS CONDENSADORES DE 
TURBINAS”. Para obtener la presión absoluta en el condensador entramos 
con la temperatura del agua de circulación, dato del problema, hasta 
interceptar a la curva punteada obtenida de construcciones ya realizadas. 
Pc = ate= ata= (kg/m2) 
Por lo tanto el trabajo de la bomba será 
ALb = 1/427 . 0,001 . (Pd – Pc) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Una vez calculado el trabajo de la bomba podremos obtener el valor i1, de las 
tablas de vapor, ya que conocemos la presión en el condensador, pudiéndose 
calcular el valor de i2’. En consecuencia: 
i2’ = ALb + i1 = kcal/kg 
 = kJ/Kg 
4.2- Calor aportado al ciclo (Q1) 
- Ciclo Rankine: El calor aportado se puede obtener determinando el valor de 
i3” de las tablas de vapor conociendo los datos del problema, por lo tanto: 
Q1R = i3” – i2’ = kcal/kg 
 = kJ/kg 
- Ciclo con sobrecalentamiento: De la misma forma que en el apartado 
anterior se calculará el calor aportado al ciclo: 
Q1S = i3” – i2’ = kcal/kg 
 = kJ/kg 
- Ciclo con recalentamiento intermedio –1 
El calor aportado será: 
Q1I = (i3” – i2’) + (i6 – i5) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Para definir el punto 5 nos valdremos de la definición de la temperatura 
media termodinámica a la que absorbe el calor el ciclo parcial con 
sobrecalentamiento, siendo la misma: 
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4
=
−
−=
'
2
"
3
'
2
"
3
SS
ii
Tmts °K 
Los valores de S3” y S2’ se obtendrán utilizando las tablas de vapor, 
conociendo Pd, t3” e i2’ 
con Pd y t3” S3”= kcal/kg°K 
 = kJ/kg/°k 
con i2’ S2’ = 
 kcal/kg°K 
 = kJ/kg/°k 
Conocida la temperatura media termodinámica del ciclo parcial con 
sobrecalentamiento en la isoentrópica que pasa por el punto 3”, 
determinamos en un diagrama T-S ó I-S, el punto 5 y en consecuencia la 
entalpía del mismo, siendo: 
i5 = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Fijado el punto 5 y siguiendo por la isobara P5 hasta la intersección con la 
isotérmica T3”, hallamos el punto 6, siendo para el mismo: 
i6 = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Conocidos estos puntos podemos determinar el calor aportado para este ciclo. 
- Ciclo con recalentamiento intermedio -2 
Lo mismo que en el ciclo anterior el calor aportado será: 
QIII (i3” – i2’) + (i6’ – i5’) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
A partir del punto 4, ubicado sobre la curva límite superior de la campana, 
elevamos una isoentrópica hasta interceptar a la isotérmica que pase por el 
punto 3”, hallando el punto 6. 
i6 = kcal/kg 
 = kJ/kg 
En la intercepción de la isobara que pasa por el punto 6 y la isoentrópica que 
pasa por el punto 3”, definen la posición 5, siendo: 
i5 = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Lo mismo que en el caso anterior conociendo estos dos puntos podemos 
obtener el calor aportado al ciclo. 
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4.3- Trabajo obtenido en la turbina (ALt ) 
El trabajo obtenido en la turbina, se expresa: 
ALtR= i3” – i4’ = kcal/kg. 
 = kJ/kg 
El valor de la entalpía en el punto 4” puede ser hallado de la siguiente manera: 
i4” = i1 + TC (S3” – S1) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Con el uso de las tablas de vapor y los datos del problema, obtendremos los 
valores de S1 y S3”, siendo: 
TC = 273 + tc= °K 
- Ciclo con sobrecalentamiento 
El trabajo realizado por la turbina, será 
ALtS = i3” – i4” = kcal/kg 
 = kJ/kg 
El valor de i4” se puede calcular de la siguiente manera: 
i4” = i1 +TC (S3” – S1) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Con los datos del problema y las tablas de vapor, obtendremos: 
S3 = kcal/kg °K 
 = kJ/kg °K 
El resto de los valores fueron calculados anteriormente. 
- Ciclo con recalentamiento intermedio –1 
ALtI = (i3” – i5) + (i6 – i4”) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Los valores de i1, i3”, i5 e i6 fueron calculados anteriormente mientras que el 
punto 4” se calculará utilizando el mismo criterio que en los casos anteriores. 
i4” = i1 +TC (S6” – S1) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
- Ciclo con recalentamiento intermedio –2 
ALtII = (i3” – i5) + (i6 – i4”) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
Los valores de i3”, i5 e i6 fueron calculados anteriormente, mientras que el valor 
de i4” puede obtenerse con PC. 
 
 
 
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4.4- Rendimiento de los ciclos (resultadoscon tres decimales) 
- Ciclo Rankine 
El rendimiento de un ciclo se expresa como el cociente entre el trabajo útil y 
el calor aportado, por lo tanto será: 
=−=
R
btR
Q
ALAL
1
1η 
- Ciclo con sobrecalentamiento 
=−=
S
btS
Q
ALAL
1
2η 
- Ciclo con recalentamiento intermedio –1 
=−=
I
btI
Q
ALAL
1
3η 
- Ciclo con recalentamiento intermedio –2 
=−=
II
btII
Q
ALAL
1
4η 
4.5- Mejora de los rendimientos de los ciclos con respecto al ciclo Rankine 
 
% 100.
% 100.
% 100.
1
14
3
1
13
2
1
12
1
=−=
=−=
=−=
η
ηη
η
ηη
η
ηη
M
M
M
 
5- Conclusiones: 
El alumno deberá dar su conclusión sobre el desarrollo seguido y los 
resultados obtenidos del problema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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SEGUNDA PARTE – Ciclo real con sobrecalentamiento 
1- Objeto: Determinar el rendimiento térmico y el factor de calidad para un 
ciclo con sobrecalentamiento en condiciones reales y compararlo con el ciclo 
ideal correspondiente. 
2- Datos del problema: Se utilizarán los datos dados en la primera parte de 
este trabajo práctico. 
3- Enfoque gráfico del problema: 
 
4- Desarrollo del cálculo: 
4.1- Ciclo ideal: 
Se utilizarán los valores obtenidos en la primera parte de este trabajo práctico 
para los ciclos con sobrecalentamiento. 
4.2- Factor de calidad del ciclo ideal: 
El factor de calidad se expresa como el cociente entre el trabajo útil del ciclo y 
la exergía entregada en forma de calor por el combustible, expresándose: 
=
−
=
e
bt
Q
AlALϕ 
siendo: 
Qe= e3”-e2’=i3”-i2’-T0(S3”-S2’) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
4.3- Trabajo de la bomba en un ciclo real 
Se expresa: 
ALbr = 0,001/427 . (Pd – PC) /ηb = kcal/kg 
 = kJ/kg 
 
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Valiéndonos de la definición de rendimiento en la bomba de alimentación, 
podemos obtener la entalpía del punto 2, así: 
=
−
−
=
12
1
'
2
ii
ii
bη 
donde: 
i2 =i1 + (i2’-i1) / ηb = kcal/kg 
 = kJ/kg 
4.4- Trabajo realizado por la turbina en un ciclo real 
Se expresa como: 
ALtr= i3 – i4 = kcal/kg 
 = kJ/kg 
donde el valor de i3 lo obtendremos de las tablas de vapor a partir de los datos 
del problema e i4 a partir de la ecuación de rendimiento de la turbina, así: 
i4 = i3 - ηt . (i3 – i4’) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
i4’= i1 + TC (S3 – S1 ) = kcal/kg 
 = kJ/kg 
4.5- Calor entregado al ciclo real: 
Se expresa: 
Q1r = i3’ – i2 = kcal/kg 
 = kJ/kg 
4.6- Rendimiento térmico del ciclo real 
Se expresa: 
=
−
==
r
brtr
r
u
r
Q
ALAL
Q
AL
11
η 
4.7- Exergía entregada al ciclo real 
Se expresará, considerando las pérdidas por conducción: 
Qer = e3’-e2 + T0 (S3’ – S3”) 
 =i3’-i2 – T0 (S3’ –S2) + T0 (S3’-S3”) 
 = kcal/kg 
 = kJ/kg 
donde el valor de S2 se obtendrá de las tablas de vapor con valor de i2. 
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4.8- Factor de calidad para el ciclo real: 
ϕr=ALu / Qer= 
5. Conclusiones: 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CURVA DE PRESIONES ABSOLUTAS EN LOS CONDENSADORES DE TURBINA 
(Curva punteada obtenida de construcciones ya realizadas) 
Gráfico obtenido “Standard of the Heat Exchange Institute” 
Condiciones básicas: 
- Coeficiente de ensuciamiento 0,85 
- Número de pasos 2 
- Velocidad del agua en los tubos ∼ 1,9 m/s