Balance Termico de Planta a Vapor Para Buques LNG

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Balance Térmico de Planta a Vapor UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Tema: Balance Térmico de una Planta de Ingeniería con turbina a vapor UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA - FIM Máquinas Marinas II Alumno: Medrano Quispe Flavio 20101269J Profesor: Mg. Acosta Pastor Víctor Fecha de Presentación: 1

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DESCRIPCIÓN DE PLANTAS A VAPOR ASI COMO CALCULOS DE BALANCE TERMICO PARA SELECCIONAR O VERIFICAR CAPACIDADES DE ELEMENTOS COMPONENTES DE LA PLANTA

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Balance Trmico de Planta a Vapor

Balance Trmico de Planta a Vapor

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

Tema: Balance Trmico de una Planta de Ingeniera con turbina a vaporUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA - FIMMquinas Marinas II

Alumno:Medrano Quispe Flavio 20101269J

Profesor: Mg. Acosta Pastor Vctor

Fecha de Presentacin: 04 de Mayo del 2015

Contenido1.Breve Introduccin32.Esquema de Planta a Vapor43.Descripcin de Elementos Componentes del ciclo de la Planta a Vapor44.Consideraciones para realizar clculo de Balance Trmico55.Clculos en la Caldera65.1.Combustible del Caldero65.2.Consumo especfico de combustible65.3.Consumo de Combustible65.4.Tasa de Calor (HR)65.5.Calor de Entrada (Ho)65.6.Calor aadido por el calentador de aire (Ha)75.7.Calor perdido por gases de escape75.8.Calor por Radiacin85.9.Prdidas de Calor85.10.Eficiencia del Caldero86.Sobrecalentador87.Turbina Propulsora Principal87.1.Tasa de vapor (SR)97.2.Energa Disponible97.3.Prdidas en la Turbina108. Comparacin de Plantas a vapor con otros conjuntos motores11

1. Breve IntroduccinLas plantas a vapor han existido por ms de cien aos y han sido muy importantes para haber alcanzado el desarrollo naval que se tiene en nuestros tiempos. Las plantas a vapor trabajan calentando agua hasta pasado su punto de ebullicin, hasta que est sobrecalentado, luego se le traslada a travs de mltiples turbinas para producir electricidad y el empuje que tanto se necesita.El propsito de este trabajo es cuantificar, mediante un balance trmico, toda la informacin concerniente a la energa necesaria, producida y perdida para accionar nuestra planta a vapor. El balance trmico es una herramienta necesaria para disear una planta a vapor marina. El balance trmico tambin puede ser usado para determinar las condiciones ms ptimas del vapor y su ciclo de diseo, o incluso para analizar el performance de una planta que ya est en servicio. Para poder iniciar el clculo del balance trmico, se deben establecer los valores de: la potencia al eje, las condiciones de vapor y el ciclo bsico de vapor-agua. Una vez que hayamos establecido estos valores, podremos determinar los flujos de vapor, de alimentacin y condensado, y de escape.2. Esquema de Planta a VaporEl siguiente esquema muestra la distribucin bsica del ciclo de una planta a vapor marina tpica.

3. Descripcin de Elementos Componentes del ciclo de la Planta a Vapor1. Caldera (Boiler): Es el elemento de calentamiento del sistema: fuego generado por combustible el cual se utiliza para hervir el agua.2. Vlvula reguladora (Throttle box): Sirve para controlar la salida del vapor generado por la caldera.3. Turbina a alta presin (High Pressure Turbine): En esta turbina es a donde el vapor sobrecalentado se dirige desde la caldera, para as generar el movimiento rotatorio de la palas de la turbina. 4. Turbina a baja presin (Low Pressure Turbine): Es por donde el vapor, ahora menos sobrecalentado, viaja luego de haber pasado por la Turbina de Alta Presin.5. Condensador (Condenser): Es donde el vapor es vertido luego de las turbinas. ste interacta con un medio de enfriamiento (usualmente agua de mar) para as producir la transferencia de calor. En este trabajo se utilizar un condensador de baja presin (a presin de vaco).6. Bomba de condensado (Condensate pump): Conduce el vapor condensado al resto del sistema.7. Eyector de aire (Air Ejector): Remueve los gases no condensables del sistema y ayuda a crear y mantener vaco.8. Calentador de baja presin (Low pressure heater): Calienta el agua para diversas cargas auxiliares.9. Calentador de Contacto Directo (Direct Contact Heater): Acta como un tanque de almacenamiento para el agua proveniente de la bomba de condensado para luego dirigirse a la bomba de alimentacin. Tambin remueve los gases no condensables y calienta ms el agua.10. Bomba de alimentacin (Feed pump): Sirve como una fuerza directriz del agua dentro de la caldera. Su presin de descarga debe ser mayor que la de la caldera para tener un flujo positivo.11. Calentador de alta presin (High Pressure heater/Economizer): Acta como un recalentamiento al sistema para que no ocurra sobresalto alguno con la entrada de agua fra a la caldera.4. Consideraciones para realizar clculo de Balance TrmicoComo se mencion en la introduccin, debemos establecer ciertos valores de las principales caractersticas que deseamos que cumplan nuestra planta a vapor, por lo tanto tendremos las siguientes caractersticas de diseo:

Presin Inicial (Po)->a la entrada de la turbina principal850 psig

Temperatura Inicial (To)->a la entrada de la turbina principal950 F

Presin de condensador principal1.5 "Hg

Potencia al eje32500 SHP

Nmero de calderas2 en paralelo

5. Clculos en la Caldera5.1. Combustible del CalderoEl combustible que generalmente se usa es el Bunker C (Nmero 6). Es un combustible de bajo grado Su componente principal es el Carbono, pero tambin contiene hidrgeno, sulfuros y alguna cantidad de oxgeno y nitrgeno. Es el combustible idneo para este tipo de plantas por sus buenas caractersticas de encendido y es ms barato que los dems otros grados de fuel oil. Este combustible tiene un valor de calentamiento de 18500 BTU/lb (HHV).5.2. Consumo especfico de combustibleEs la relacin del flujo de masa de combustible que se va a consumir y la potencia que se generar, su valor para este trabajo es de: 5.3. Consumo de CombustibleEs la velocidad con la cual se consume el combustible en el caldero. Se determina de la siguiente manera:

Para calcular la cantidad de barriles de combustible que se consumen en un da, solo se har la siguiente conversin:

5.4. Tasa de Calor (HR)La tasa de calor es la relacin del calor aadido al sistema dividido por la potencia de salida.

5.5. Calor de Entrada (Ho)Es el valor de calentamiento ms alto del combustible quemado, corregido por el calor especfico a presin constante ms el calor del combustible sobre los 100F. Se calcula de la siguiente forma:

En nuestro caso:

5.6. Calor aadido por el calentador de aire (Ha)El calor aadido al aire de combustin por el calentador de aire Ha es igual al producto del calor especfico del combustible Cp(FO), la relacin aire combustible (A/F) y la diferencia entre la temperatura del aire que sale del calentador de aire (T2) y la temperatura dela temperatura del aire que entra al calentador de aire (T1).

5.7. Calor perdido por gases de escapeLas prdidas de chimenea (Hg) es la cantidad de energa que se pierde por medio de los gases de escape hacia la atmsfera. Para resolver Hg, nosotros necesitamos la Temperatura delos gases de chimenea (Uptake temperature) que se designa como Tg. Con la ayuda de la tabla que se encuentra debajo, se encontrar Hg. Se debe encontrar el punto de interseccin entre la curva que representa al 5% de exceso de aire y la temperatura Tg que la asumiremos como la temperatura de ebullicin (212F).

Encontramos entonces que las prdidas de chimenea Hg es alrededor de 7.4. Para obtener el valor en BTU/lb, el grfico nos indica un factor de correccin de18546 BTU/lb:

5.8. Calor por Radiacin El calor por radiacin (Hu) se debe descontar por prdidas y mrgenes de manufactura, en consecuencia es simplemente el 1.1415% del calor de entrada (Ho):

5.9. Prdidas de CalorLas prdidas de calor (HL) son igual a la suma del calor por radiacin (Hu) y las prdidas de chimenea (Hg)

5.10. Eficiencia del CalderoUn caldero de una planta a vapor tiene de 80 a 95% de eficiencia en promedio. Este rango se debe a los diferentes tipos y estilos de diseo de la caldera.La eficiencia del caldero se calcula de la siguiente manera:

6. SobrecalentadorEl sobrecalentador es una serie de tubos dentro de la caldera. Su propsito es incrementar la temperatura del vapor pasado hasta alcanzar su estado sobresaturado. Este vapor sobresaturado es considerado como vapor seco ya que no posee humedad alguna. La humedad es un factor perjudicial para cualquier turbina a vapor, ya que puede causar erosin en sus paletas.7. Turbina Propulsora PrincipalLa turbina propulsora principal o Turbina de Alta Presin es hacia donde se dirige el vapor sobrecalentado del caldero y as generar la accin rotatoria de las palas de la turbina. Este giro rotacional genera el giro de los engranajes reductores y piones, los cuales a su vez generan el movimiento rotatorio del eje propulsor. Mientras ms abiertas sean las toberas, el flujo ser mayor, y a su vez mayor ser la potencia generada.7.1. Tasa de vapor (SR) Es la razn de vapor que pasa a travs de la turbina y se calcula de la siguiente manera:

Donde 2544.4 es igual a 1 hp.La tasa de vapor debe tener un valor entre cinco y seis. Para obtener el SR, debo encontrar el ho y hw, el primero es la entalpa a la presin y temperatura inicial.

7.2. Energa DisponibleLa energa disponible (AE) es la cantidad terica de energa (en BTU/lb) que la turbina utiliza. Por eso, analticamente la AE es la diferencia de entalpas a la salida y entrada de la turbina:

De tablas termodinmicas, puedo obtener la entalpa y entropa relacionada a que es a la entrada de la turbina:

Debemos notar que la entropa a la entrada de la turbina es igual a la entropa de la salida de la misma, y a su vez es el mismo punto de partida del condensador principal (Ciclo Rankine sobrecalentado)Entonces, habiendo establecido como condicin de diseo la presin del condensador principal y conociendo ya la entropa , se puede conocer la entalpa a la entrada del condensador, denominada por :

Finalmente, conseguimos la Energa Disponible por la turbina:

7.3. Prdidas en la TurbinaEs la cantidad de vapor perdida en la turbina, es decir, que no es utilizada para realizar trabajo. Esto sucede ya que no todo el vapor generado tiene contacto con las paletas de la turbina. Los valores de la Prdida en la Turbina (EL: iniciales de Exhaust Loss)El valor de EL necesita de otra caracterstica propia de la turbina para ser determinado. Esta caracterstica es el rea seccional promedio del flujo que atraviesa la turbina o conocida como rea del anillo (Aa). El valor de EL vara con el intervalo de flujo de 4000 a 6000 lb/hr. Podemos adems relacionar mediante un ajuste polnmico de cuarto grado el flujo que pasa a travs de la turbina con sus respectivas prdidas EL, de la siguiente manera:

Con lo cual para un flujo total de 4000 lb/hr: X=4000 Tendremos: EL (y)=9.811 lb/hrY para un flujo de 6000 lb/hr: x=6000lb/hr Tendremos: EL (y)= 17.191 lb/hrSin embargo, estos solo son lmites de valores que puede tomar las prdidas en la turbina. Con el clculo del rea del anillo podremos encontrar el valor certero de EL.

Siendo X: El flujo dentro de la turbina o dentro del condensadorReemplazando datos y asumiendo una tasa de vapor de 5.5, tenemos:

Escogemos un valor intermedio probable del rea de anillo que ser 25 ft2, que es el valor que se repite en varios clculos de balances trmicos; y volvemos a reemplazar en la ecuacin del rea de anillo para obtener el flujo total que deseamos pase a travs de la turbina:

Habiendo obtenido el valor de flujo total, solo queda reemplazar en la regresin de cuarto grado propuesta para obtener las prdidas en la turbina:

+8. Comparacin de Plantas a vapor con otros conjuntos motoresTipos de mquinas en funcin de la potencia y rendimiento trmico

Consumo especfico de combustible en funcin de la potencia.

Rendimiento trmico en funcin de la carga

Peso especfico de plantas propulsoras

Costes relativos de plantas propulsoras

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