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Dimensionamiento de turbinas.

Published by Anáhuac Online Grados, 2023-08-01 20:34:49

Description: ING4705_M5_Dimensionamiento de turbinas.

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Dimensionamiento de turbinas

Dimensionamiento de turbinas En las turbinas de vapor, por lo general, entra vapor sobrecalentado (es decir, agua a la que se le siguió agregando calor después de convertirse por completo en gas) y a la salida se obtiene una mezcla líquido-vapor. En ocasiones la salida de la turbina se dirige a un generador de vapor. Los generadores de vapor son intercambiadores de calor en los que el agua de refrigeración del circuito primario, que circula por el interior de los tubos con forma de U invertida, cede su energía al agua del circuito secundario, transformando ésta en vapor de agua. La turbina contiene 2 tipos de álabes fijos y móviles. Los fijos son usados para que el vapor incida en los alabes móviles en el ángulo adecuado para mover los móviles de tal manera que hagan girar el eje (que en la imagen se muestra en amarillo). El eje se suele acoplar a un generador eléctrico para aprovechar la potencia de la turbina para producir electricidad.

Para realizar los cálculos sobre las dimensiones de una turbina debe aplicarse la primera ley de la termodinámica que dice: Donde: Indicaciones: “La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se calor destruye, permanece constante” =trabajo =Entrada =masa =Salida Lo cual matemáticamente para sistemas estacionarios lo =entalpia podemos expresar: =energía ������̇ ������22 ������12 potencial 2 2 = ������˙ + ������˙2 (ℎ2 + + ������������2) − ������˙1 (ℎ1 + + ������������1) En la mayoría de los casos se suele despreciar la energía potencial, además de esto existen otras simplificaciones que se presentan en la siguiente tabla. ������������������ó������������������������������ ������������������������ ������������ ������������������������������������������ ������������������ (������é���������������F���ó������r���m��� ���u������l���a������1������������������������������������������L���e������y���������������������) Observaciones ������˙ ≈ 0, ������������������ ≈ 0, ������������������ ≈ 0 ������̇ = −������˙(ℎ2 − ℎ1) ������������������������������������ ������������������������������í������ ������������ ������������������������������������ (������������ ������������������������������������ ������í������������������������������) ������˙ ≈ 0, ������������������ ≈ 0, ������������������ ≈ 0 ������̇ = ������˙(ℎ2 − ℎ1) Aporta calor al fluido ������˙ ≈ 0, ������������������ ≈ 0, ������������������ ≈ 0 ������̇ = −������˙(ℎ2 − ℎ1) Produce potencia ������˙ ≈ 0, ������������������ ≈ 0, ������������������ ≈ 0 ������������������������˙ = ������˙(ℎ4 − ℎ3) ������������ ������������ ������������������������������������������ ������������������ ������������������������������������������ Donde: ������������������= energía cinética ������������������=energía potencial

Además de las fórmulas presentadas otras fórmulas que puedes necesitar son las siguientes: ������������������ = ������������2 − ������������1 Donde: =velocidad ������2 M=masa ������������ = 2 A= área =volumen especifico ������������ = volumen especifico de ������̇ = ������ líquido saturado ������ = ������������ + ������������������������ = ������������ + ������(������������ − ������������) = volumen especifico de vapor saturado = volumen especifico de la mezcla liquido-vapor Ejemplo: Por una turbina pasa un flujo másico estable de agua igual a 15 ������������/������, a la entrada se tiene: temperatura 350∘������, presión 5������������������ y 70 ������/������, a la salida se tiene: presión 75������������������, calidad 90% y 40 ������/������. Calcular a) El cambio de energía cinética ������������������ b) El área a la entrada y salida de la turbina c) Calcular la potencia de la turbina si La turbina pierde 10 ������������/������������ y se considera la ������������������ Esquema ������������������������������������������ ������1 = 5������������������ ������1 = 350∘������ ������1 = 70 ������/������ a) El cambio de energía cinética ������������������ ������������������ = ������22 − ������12 = (40 ������/������)2 − (70 ������/������)2 ������2 2 2 2 2 ������������������ = −1650 ������2 ������������ ������������������ = −1.650 ������������ b) El área a la entrada y salida de la turbina ������˙1 = ������1������1 despejando ������1 = ������˙1������1 ������1 ������1 ������1 = 0.05197 ������3 obtenido de tablas de propiedades termodinámicas de vapor ������������ sobrecalentado.

Entrada 15 ������������ ⋅ 0,05197 ������3 ������ ������������ ������1 = 70 ������ ������ ������1 = 0.0111������2 Salida ������2 = ������˙2������2 ������2 Recuerda que los valores de se obtienen de tablas de ������2 = ������������ + ������2������������������ = ������������ + ������2(������������ − ������������) propiedades termodinámicas. ������3 ������3 ������3 ������3 ������2 = 0.001037 ������������ + 0.9 (2.2173 ������������ − 0.001037 ������������) = 1.9955 ������������ 15 ������������ 1.9955 ������3 ������ ������������ ������1 = 40 ������ ������ ������1 = 0.7483 ������2 c.1) Calcular la potencia de la turbina si: La turbina pierde 10 ������������/������������ (q) y se considera la ������������������ ������˙2 = ������˙ + ������˙2 (ℎ2 + ������22 + ������������2) − ������˙1 (ℎ1 + ������12 + ������������1) 2 2 Dado que: ������̇ = ������˙2 = ������˙1, ������������2 = ������������1; entonces: ������̇ = ������˙ + ������̇ (ℎ2 − ℎ1 + ������22 − ������12) 2 ������������������ = ������22−������12 Entonces ������̇ = ������˙ + ������̇ (ℎ2 − ℎ1 + ������������������) 2 Para calcular Q: ������������ ������������ ������˙ = ������˙ ⋅ ������ = 15 ������ × 10 ������������ = −150 ������������/������ Para calcular ℎ2: ℎ2 = ℎ������ + ������2ℎ������������ = 384,44 ������������ + 0,9 (2278 ������������ ) = 2434.64 ������������ Recuerda que los valores de f, fg y 1 se ������������ ������������ ������������ obtienen de tablas de propiedades termodinámicas. ℎ1=3069,3 ������������ ������������ Despejando ������˙

������˙ = ������̇ − ������̇ (ℎ2 − ℎ1 + ������������������) ������������ 15 ������������ ������������ ������������ ������������ ������˙ = −150 ������ − ������ (2434,64 ������������ − 3069,3 ������������ − 1,65 ������������) ������˙ = 9394.65 ������������ Regla de la similitud La teoría general de la similitud conduce fl. la relación simple con{)cida en la técnica con el nombre de regla o ley de Fronde, la cual puede enunciarse simplemente como sigue: \"Si dos fenómenos hidráulicos se efectúan en medios materiales envolvente geométricamente semejantes, de manera que las velocidades; medias del líquido estén entre ellas como las raíces cuadradas de las longitudes homólogas, o que las velocidades relativas con respecto al líquido, de los obstáculos móviles si los hay, estén entre ellas en la misma relación, los dos fenómenos son hidráulicamente semejantes, es decir que: \"las velocidades del líquido en dos puntos homólogos cualesquiera, están entre ellas como la raíz cuadrada de la relación ele las dimensiones de los modelos'' \"las curvas ele igual velocidad son semejantes geométricamente en los dos fenómenos'' \"las curvas de igual presión son semejantes\" \"las presiones por unidad ele superficie en dos puntos homólogo están en la relación de las dimensiones lineales de los dos modelos''. Existen 4 niveles de diseño en donde se presentan diferentes consideraciones: Nivel 1 Nivel 2 Especificación de las condiciones de Diseño preliminar de línea media (etapa funcionamiento por etapa); Selección del tipo de maquinaria; Análisis de línea media a través de la máquina: mapas preliminares de Estimación del diseño preliminar de la rendimiento. maquinaria. Nivel 3 Nivel Diseño termodinámico y aerodinámico Prototipos y pruebas de equipo detallado. Diseño mecánico (tensado de componentes, gestión térmica, integración mecánica)

La regla de la similitud se aplica en el nivel 1, es decir, Se sabe que los parámetros de rendimiento como la potencia, la eficiencia y la relación de presión llevan cierta correlación con un cierto número de variables independientes. Sin embargo, la selección de la máquina y la estimación preliminar del rendimiento pueden verse fuertemente afectadas por algunos efectos secundarios. Instalación de turbinas La metodología tradicional para el cálculo de la potencia y el rendimiento de turbinas de vapor húmedo se basa en los procedimientos desarrollados por la American Society of Mechanical Engineers, el ASME PTC6. Estos procedimientos fueron introducidos por primera vez en el año 1915 y fueron evolucionando y adaptándose paralelamente a la construcción y puesta en funcionamiento de las centrales térmicas convencionales y nucleares hasta su última edición en el año 2004. Los procedimientos actuales para la simulación del comportamiento de turbinas de vapor en centrales nucleares concretas se basan en la estimación de la potencia y el rendimiento de las turbinas de vapor mediante el ASME PTC6. El procedimiento estima la presión en los diferentes puntos de extracción mediante la Ley de Stodola, y calcula los caudales másicos extraídos en los diferentes puntos de la turbina mediante el balance térmico de los calentadores de agua de alimentación. Para el balance térmico de los calentadores se aplica el supuesto de que las temperaturas extremas que los definen (“Terminal Temperature Difference” o TTD, y “Drain Cooling Approach” o DCA) son constantes e iguales a las temperaturas de diseño. De este modo, es posible realizar el cálculo completo de la instalación sin necesidad de emplear trazadores, que implican maniobras complicadas en la instalación y limitan su uso a pruebas específicas. El Teorema de Gouy-Stodola (denominada también como ley de pérdida de exergía) es un teorema empleado en termodinámica para describir la cantidad de energía no disponible que tiene lugar en un sistema termodinámico. Se denomina en honor del físico francés Louis Georges Gouy, y del ingeniero húngaro Aurel Stodola pionero en la termodinámica técnica que formularon la ley termodinámica a comienzos del siglo XX. La ley establece que la destrucción de exergía es proporcional al producto de la temperatura de referencia (������������) por la generación de entropía dentro del sistema (������˙) La expresión formal de la energía no disponible se suele expresarse como: ������˙. El valor de esta destrucción de energía se expresa mediante la ecuación: ������˙ = ������������������˙

Generador de vapor En reactores de agua a presión, intercambiador de calor de carcasa y tubos donde se produce la transmisión de calor entre los circuitos primario (lado de tubos) y secundario (lado de carcasa) y la ebullición del refrigerante secundario, suministrado en forma líquida por los sistemas de agua de alimentación, con el fin de producir el vapor a alta presión (40 ~ 60 kg/cm2) que impulsa la turbina. Constituye el foco frío o sumidero de calor del sistema primario durante la operación normal, la parada caliente y la fase inicial del enfriamiento a parada fría, con distintos aportes de agua de alimentación para cada caso. También permite extraer excesos de calor producidos en el sistema primario en condiciones anormales o de accidente mediante la actuación de las válvulas de alivio y seguridad asociadas.

Referencias: Foro Nuclear. (2020, 5 mayo). Glosario de términos-Turbina. https://www.foronuclear.org/descubre-la-energia-nuclear/glosario-de-terminos/turbina/ Álvarez-Fernández, M., del Portillo-Valdés, L., & Alonso-Tristán, C. (2016). Thermal balance of wet-steam turbines in nuclear power plants: A case study. Applied Thermal Engineering, 93, 598-605. Guoy, M. (1889). Sur l’energie utilizable. Journal de Physique, 501-518.


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