UNIVERSIDAD DE SOTAVENTO

INGENIERIA INDUSTRIAL

MECNICA DE FLUIDOS: PROYECTO

UNIVERSIDAD DE SOTAVENTO A.C

REPORTE: REALIZACIN DE PROTOTIPO DE TURBINA DE VAPOR PARA LA GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA.

REALIZADO POR:

I.I DIANA CAROLINA PASCUAL MESSA

I.I RICARDO SOTO GUILLN

SEMESTRE: SEXTO

GRUPO: 4010

MATERIA: TERMOFLUDOS

CATEDRTICA: I.Q SUSANA ELVIRA GONZLEZ CARRASCO

FECHA DE ENTREGA: LUNES 04 DE MAYO DEL 2015

REPORTE: REALIZACIN DE PROTOTIPO DE TURBINA DE VAPOR PARA LA GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA.

MARCO TERICO: TURBINA DE VAPOR

Una turbina de vapor es una turbomquina motora, que transforma la energa de un flujo de vapor en energa mecnica a travs de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (el vapor) y el rodete, rgano principal de la turbina, que cuenta con palas o labes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energtico. Las turbinas de vapor estn presentes en diversos ciclos de potencia, entre stos el ms importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presin. En la turbina se transforma la energa interna del vapor en energa mecnica que, tpicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el esttor. El rotor est formado por ruedas de labes unidas al eje y que constituyen la parte mvil de la turbina. El esttor tambin est formado por labes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. El trmino turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una mquina motora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar la energa del vapor, tambin al conjunto del rodete y los labes directores. La turbina de vapor es un equipo esencial para la generacin de electricidad en plantas termoelctricas.

Primeras turbinas de vapor

Histricamente, las primera turbina de vapor de la que se tiene constancia fue construida por Hern de Alejandra alrededor del ao 175 A. C., la cual consista en un esfera metlica con dos toberas en sus polos y orientadas en el mismo sentido por donde escapaba el vapor. La esfera giraba diametralmente, apoyada sobre la caldera por los conductos de entrada del vapor Hasta 1629 no se tiene constancia de un nuevo diseo independiente de una turbina de vapor, Giovanni Brance utilizo un chorro de vapor para impulsar el giro de una rueda de molino de agua, aunque no logro aplicarlo a ningn uso industrial til. La primera aplicacin industrial para una turbina de vapor fue patentada en Suecia por De Laval en 1878 y consista en una maquina centrifuga desnatadora que revolucion la produccin de leche, impulsada por vapor. El ltimo impulso para la utilizacin de las turbinas de vapor con fines industriales y comerciales lo dio Charles Algernon Parsons en 1884, con el diseo y construccin de una turbina de vapor de alta velocidad que poda a alcanzar hasta 18.000 rpm. A principios del siglo veinte la mayora de barcos modernos eran ya equipados con este tipo de motor.

Clasificacin

Existen turbinas de vapor en una gran variedad de tamaos, desde unidades de 1 HP (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000 kW) utilizadas para generar electricidad.

Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por ser turbomquinas son susceptibles a los mismos criterios de clasificacin de stas. La clasificacin de las turbinas de vapor puede hacerse segn la forma de aprovechamiento de la energa contenida en el flujo de vapor (reaccin o accin), segn el nmero de etapas (multietapa o monoetapa), segn la direccin del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extraccin de vapor antes de llegar al escape y por ltimo por la presin de salida del vapor (contrapresin, escape libre o condensacin).

Turbina de vapor de reaccin: En la turbina de reaccin la energa mecnica se obtiene de la aceleracin del vapor en expansin. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas mviles y las otras fijas. Las palas fijas estn colocadas de forma que cada par acta como una boquilla a travs de la cual pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de reaccin, que se montan en un tambor que acta como eje de la turbina. En la turbina de reaccin se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran cada de presin en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de la primera etapa para que entre en un segundo rodete. Se denomina grado de reaccin a la fraccin de la expansin producida en la corona mvil respecto a la total, un grado de reaccin 1 indica que la turbina es de reaccin pura, mientras que para el valor cero ser una turbina de vapor de accin.

-Turbina de vapor de accin: Una turbina de vapor de accin con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de:

Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misin es transformar la energa trmica del vapor puesta a su disposicin, total (accin), o parcialmente (reaccin), en energa cintica.

Una corona mvil, fija sobre un eje, cuyos labes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energa mecnica de rotacin, la energa cintica puesta a su disposicin. Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a travs de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energa cintica del vapor en expansin, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que est unida. Las turbinas de accin habituales tienen varias etapas, en las que la presin va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.

Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de ms simple construccin son las ms robustas y seguras, adems de acarrear menores costes de instalacin y mantenimiento que las multietapa.

Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes prxima al valor optimo con relacin a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presin de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sera necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sera viable mecnicamente por las dimensiones que debera tener el reductor (caja de engranajes que ajustara la velocidad final del eje a la deseada). Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, adems pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presin, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de accin y las finales de reaccin.

Turbina de flujo axial: Es el mtodo ms utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina.

Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.

Turbina con extraccin de vapor: Se realiza en etapas de alta presin, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor tambin puede ser extrado de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales.

Turbina de contrapresin: La presin del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosfrica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obtenindose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento trmico posterior.

Turbinas de condensacin: El vapor sale ana presin inferior a la atmosfrica, en este diseo existe un mayor aprovechamiento energtico que a contrapresin, se obtiene agua de refrigeracin de su condensacin. Este diseo se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.

La turbina se compone de tres partes principales:

El cuerpo del rotor, que contiene las coronas giratorias de alabes.

La carcasa, conteniendo las coronas fijas de toberas.

Alabes. Adems, tiene una serie de elementos estructurales, mecnicos y auxiliares, como son cojinetes, vlvulas de regulacin, sistema de lubricacin, sistema de refrigeracin, virador, sistema de control, sistema de extraccin de vahos, de aceite de control y sistema de sellado del vapor.

El rotor

El rotor de una turbina de accin es de acero fundido con ciertas cantidades de Nquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de dimetro aproximadamente uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los alabes se acoplan en caliente al rotor. Tambin se pueden fabricar haciendo de una sola pieza forjada al rotor, maquinando las ranuras necesarias para colocar los alabes. Los alabes se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de cromo-hierro, con las curvaturas de diseo segn los ngulos de salida de vapor y las velocidades necesarias. Son criticas las ltimas etapas por la posibilidad de existencia de partculas de agua que erosionaran a los alabes. Por ello se fija una cinta de metal satlite soldado con soldadura de plata en el borde de ataque de cada alabe para retardar la erosin.

La carcasa

La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan de hierro, acero o de aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de trabajo, obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presin son de materiales ms resistentes que en la parte del escape. La humedad mxima debe ser de un 10% para las ltimas etapas. Normalmente se encuentra recubierta por una manta aislante que disminuye la radiacin de calor al exterior, evitando que el vapor se enfre y pierda energa disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta manta aislante suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradacin y permite desmontarla con mayor facilidad.

labes

Los alabes fijos y mviles se colocan en ranuras alrededor del rotor y carcasa. Los alabes se pueden asegurar solos o en grupos, fijndolos a su posicin por medio de un pequeo seguro, en forma perno, o mediante remaches. Los extremos de los alabes se fijan en un anillo donde se remachan, y los ms largos a menudo se amarran entre s con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.

Vlvula de regulacin

Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los elementos ms importantes de la turbina de vapor. Es accionada hidrulicamente con la ayuda de un grupo de presin de aceite (aceite de control) o neumticamente. Forma parte de dos lazos de control: el lazo que controla la velocidad de la turbina y el lazo que controla la carga o potencia de la turbina.

Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales

Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de una capa lubricante que disminuya la friccin. Son elementos de desgaste, que deben ser sustituidos peridicamente, bien con una frecuencia establecida si su coste es bajo respecto de su produccin, o bien por observacin de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado deficiente.

Cojinete de empuje o axial

El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la direccin del eje, evitando que el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor repercuta en el reductor, dandolo seriamente. No se encuentra en contacto con el eje si no que hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje. El cojinete est construido en un material blando y recubierto por una capa de material que disminuya la friccin entre el disco y el cojinete. Adems, debe encontrarse convenientemente lubricado.

Para comprobar el estado de ese cojinete, adems de la medida de la temperatura y de las vibraciones del eje, se mide de forma constante el desplazamiento axial. Si se excede el lmite permitido, el sistema de control provoca la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta en marcha.

Sistema de lubricacin

Proporciona el fluido lubricante, generalmente aceite. Para asegurar la circulacin del aceite en todo momento el sistema suele estar equipado con tres bombas:

Bomba mecnica principal: Esta acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre que este girando la turbina est girando la bomba, asegurndose as la presin de bombeo mejor que con una bomba elctrica. No obstante, en los arranques esta bomba no da presin suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al menos una bomba adicional

Bomba auxiliar: Se utiliza exclusivamente en los arranques, y sirve para asegurar la correcta presin de aceite hasta que la bomba mecnica puede realizar este servicio. Se conecta antes del arranque de la turbina y se desconecta a unas revoluciones determinadas durante el arranque, cambindose automticamente de la bomba auxiliar a la bomba principal. Tambin se conecta durante las paradas de la turbina.

Bomba de emergencia: Si se produce un problema de suministro elctrico en la planta, esta queda sin tensin, durante la parada habra un momento en que las turbina se quedara sin lubricacin, ya que la bomba auxiliar no tendra tensin. Para evitar este problema, las turbinas suelen ir equipadas con una bomba de emergencia que funciona con corriente continua proveniente de un sistema de bateras.

Sistema de extraccin de vahos

El depsito de aceite suele estar a presin inferior a la atmosfrica para facilitar la extraccin de vapores de aceite y dificultar una posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vaco, el sistema de lubricacin suele ir equipado con un extractor.

Sistema de sellado de vapor

Las turbinas de vapor estn equipadas con sellos de carbn, que se ajustan al eje, y/o con laberintos de vapor. Con esto se consigue evitar que el vapor salga a la atmsfera y disminuyan la eficiencia trmica de la turbina.

La turbina de vapor es un equipo esencial para la generacin de electricidad en plantas termoelctricas. En un esfuerzo por mejorar la eficiencia, se han realizado progresos orientados al uso del vapor a presiones y temperaturas an mayores. Existen algunas plantas termoelctricas que utilizan vapor sobrecalentado a 25 MPa abs (3625 psia), 610C (1130F), presin supercrtica en sus turbinas.

Generalmente el vapor sobrecalentado se usa en las turbinas de vapor para prevenir daos al equipo causados por la entrada de condensado. Sin embargo, en ciertos tipos de plantas nucleares, el uso de vapor a lata temperatura se debe de evitar, ya que podra ocasionar daos al material usado en las turbinas. Se utiliza en su lugar vapor saturado a alta presin. En donde se usa vapor saturado, generalmente se instalan separadores en la lnea de suministro de vapor para remover el condensado del flujo de vapor.

Adems de la generacin de energa, otras aplicaciones tpicas de impulso/movimiento son los compresores movidos por turbinas o las bombas, ej. Compresor de gas, bombas para las torres de enfriamiento, etc.

La fuerza motriz del vapor ocasiona que los alabes giren, lo que ocasiona rote el rotor que se encuentra acoplado al generador de energa, y esta rotacin genera la electricidad.

Las turbinas de vapor industriales posibilitan una generacin eficiente de electricidad y mejoran la rentabilidad de procesos industriales.

La turbuna de vapor es empleada en distintos sectores, tales como:

Empresas energticas

Productores independientes de electricidad (IPP)

Industria qumica

Petroqumica / refineras

Madereras, papeleras

Minera, metalrgica y siderurgia, aceras

Industria procesadora, cementera

Industria azucarera, de etanol y de aceite de palma

Industria de alimentos y bebidas

Campos de aplicacin

Plantas de ciclo combinado

Plantas de cogeneracin (electricidad y calor)

Plantas de recuperacin de calor

Centrales energticas de biomasa

Plantas incineradoras de basura

Centrales termo-solares

Plantas geotrmicas

Accionamientos mecnicos

Barcos / plataformas martimas

Ventajas ms importantes

Alto rendimiento, eficiencia

Gran fiabilidad y disponibilidad

Soluciones comprobadas a medida del cliente

Diseo compacto

Nombre del proyecto: PROTOTIPO DE TURBINA DE VAPOR PARA LA GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA

Objetivo: Conocer el funcionamiento bsico de una turbina y la manera en la que sta utiliza el vapor emanado de la caldera para producir energa.

Explicacin del proyecto

Se elabor el prototipo de una turbina de vapor con todos sus componentes, como son los labes, la flecha, el rotor y la carcasa, con referencia a las turbinas trmicas de vapor, que se utilizan en la industria, en las que su fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a travs de su paso por la mquina, dentro de las cuales, segn su clasificacin, pertenece a las turbinas de reaccin, ya que la expansin de calor que se produce en la caldera viaja por la tobera para llegar a la turbina y as hacer el trabajo mecnico de empujar los labes para hacer girar el rotor y a su vez generar la energa. ste se compone adems de un simulador de caldera para su funcionamiento. Una caldera debe contener las siguientes caractersticas: la carcasa, el quemador, chimenea e intercambiador de calor. Al calentarse el agua que est dentro del simulador de caldera, la cual por su funcionamiento se denominar caldera, se produce vapor sobrecalentado que pasa a la turbina a travs del cao de cobre, lo cual genera un trabajo mecnico que a su vez produce energa, haciendo que los leds enciendan.

Para realizar el prototipo de la turbina se utilizarn los siguientes materiales:

1 ventilador de PC con todo y gabinete

1 bote de aluminio de aerosol limpio

1 trozo de cao de cobre de

1 tuerca de cao de

1 unin de cao

2 CD

6 leds de 5 mm.

50 cm. de cable UTP

Masilla epoxi

Una fuente de calor (mechero, quemador de gas, etc.)

1 trozo de hojalata

1 jeringa sin aguja

Agua

Procedimiento:

Figura 1.1: Autoadhesivo del ventilador que deber retirarse.

Se empezar con el ventilador. Se deben quitar los tornillos para remover el ventilador. Deben retirarse el resto de los complementos y reservar solo el gabinete.

El ventilador trae un autoadhesivo (se muestra en la figura 1.1) el cual deber despegarse. Retirar el seguro plstico del eje y empujar para retirar la turbina girando hacia la izquierda, de tal manera que pueda despegar el bobinado del soporte. Dicho embobinado trae dos pequeos cables que se desoldarn (Figura 1.2). Es necesario soldar un nuevo cable a la salida de cada bobina. Por lo cual cada cable ser conectado a una serie de leds

Figura 1.3: Muestra de ambos Cds ya cortados, en donde puede observarse el primer CD y el corte que debe hacerse.

Figura 1.2: Se desoldan los pequeos cables.

La turbina se debe reforzar con ayuda de los dos CDs que se cortarn de la siguiente manera: El primero deber cortarse por el centro, a manera de que se agrande el agujero que ya trae (Figura 1.3). Ambos CDs se deben cortar ajustando su tamao al dimetro de la turbina. Es decir, que cubra todos los labes. Posteriormente, deben pegarse a la turbina, uno en cada cara.

Se comienza a ensamblar la turbina en su base y se sujeta firmemente al gabinete, Armar una serie de leds sobre una base para fijarlos y as conectarlos a los cables sujetos a cada bobina para obtener la energa que produce la turbina para encender los leds.

Figura 1.4: Forma correcta de retirar el tubo de vlvula del bote.

Para la caldera, se debe quitar la vlvula del bote de aluminio. Con un clavo empujar el tubo de la vlvula para romperlo (Figura 1.4). Se debe preparar un cao con su tuerca y se coloca dicha conexin en el recipiente. A continuacin se le coloca un poco de masilla epoxi para fijarlo y evitar filtraciones. En el otro extremo de la tuerca se conecta un cople para unir al tubo de cobre. A continuacin, se deber perforar un agujero en el marco del ventilador para poder conectar la caldera con el mismo para que el vapor generado en esta llegue e impulse los labes y as generar la energa que se necesita. Se debe agregar

Figura 1.5: Instalacin de la caldera en la turbina.

agua a la caldera mediante una jeringa a travs del cao de cobre. El cao deber fijarse en un ngulo aproximado de 25 sin sobresalir del marco El lado de la tubera que se pone en la turbina se debe poner epoxi para que se quede fija y no sea expulsado por la fuerza del vapor que viene de la caldera. Se pegar un cuadrito de hojalata en el interior del marco y se perforar con una aguja capotera por donde saldr el vapor (Figura 1.5). Despus, se monta la turbina ya modificada con los CDs. Por ltimo se debe montar la caldera hecha con el bote de aluminio sobre una fuente de calor, que pueden ser mecheros de gas butano, o pequeos botes con alcohol con una mecha y esperar a que alcance la temperatura adecuada para comenzar a producir vapor que activar nuestra turbina.

Datos:

Clculos:

RELACIN DE COSTOS DE MATERIALES OCUPADOS EN PROTOTIPO

Nmero de Piezas

Tipo de Material

Precio

1

trozo de cao de cobre de

$26.50

1

tuerca de cao de cobre de

$26.50

1

unin de cao de cobre de

$26.50

1

Tobera de cobre de

$15.00

1

Masilla Epoxi

$10.00

1

Cinta tefln

$10.00

16

Tornillos

$11.20

1

Bote de Pintura en aerosol

Reciclado

1

jeringa sin aguja

Reciclado

1

ventilador de PC c/ gabinete

Reciclado

1

bote de aluminio de aerosol

Reciclado

2

CD

Reciclado

6

leds de 5 mm

Reciclado

50 cm.

de cable UTP

Reciclado

1

Fuente de Calor (mechero, quemador de gas, etc.)

Reciclado

Madera para realizar base

Reciclado

Total:

$125.70

Observaciones:

Se debe tratar de mantener el simulador de caldera a la altura que se requiere para no fracturar el tubo que transportar el vapor hacia la turbina. Al conectar el cao de cobre que sale del simulador de caldera hacia la carcasa del pequeo ventilador, ste debe quedar con una inclinacin aproximada de tal manera que evite que se salga el agua.

Conclusin:

El Prototipo de turbina elaborado est basado en el ciclo Rankine, pues cumple con la alimentacin de la bomba que sera la jeringa, el bote de aerosol siendo la caldera, el ventilador de CPU como la turbina, pero no lo es en su totalidad, ya que no alcanza a completarse la parte de condensacin. Como ingenieros, es importante conocer el funcionamiento correcto de una turbina de vapor, pues en el lado de los procesos nos proporcionar la energa requerida para poder llevar a cabo cualquier fase dentro de la industria.

CALDERA

Una caldera es un recipiente metlico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la accin del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presin mayor que la atmosfrica. A la combinacin de una caldera y un sobrecalentador se le conoce comogenerador de vapor.

El principio bsico de funcionamiento de las calderas consiste en una cmara donde se produce la combustin, con la ayuda del aire comburente y a travs de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor.

La estructura real de una caldera depender del tipo, no obstante, de forma generar podemos describir las siguientes partes:

Fig.1.- Caldera

Quemador:sirve para quemar el combustible.

Hogar: Albergael quemador en su interior y en su interior se realiza la combustin del combustible utilizado y la generacin de los gases calientes.

Tubos de intercambio de calor:el flujo de calor desde los gases hasta el agua se efecta a travs de su superficie. Tambin en ella se generar las burbujas de vapor.

Separador lquido-vapor:es necesario para separar las gotas de agua lquida con los gases an calientes, antes de alimentarla a la caldera.

Chimenea:es la va de escape de los humos y gases de combustin despus de haber cedido calor al fluido.

Carcasa:contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

DATOS

T1= 28C = 301 K

P1= 50 KPa

TEMPERATURA

U

Vr

300

214.07

621.2

301

305

217.67

596.0

BIBLIOGRAFA

Bsica:

Wark Kenneth. Termodinmica Sexta Edicin. Editorial Mc Graw Hill.

engel Yunes A. Termodinmica Septima Edicin. Editorial Mc Graw Hill.

De Consulta:

Turbina de Vapor. EcuRed. Fecha de consulta: 19 de Abril del 2015. Puede consultarse en: http://www.ecured.cu/index.php/Turbina_de_vapor

Turbina de Vapor. Renovetec 2013. Fecha de consulta: 19 de Abril del 2015. Puede consultarse en: http://www.turbinasdevapor.com/index.php/tipos-de-turbinas-de-vapor

I.I Diana Carolina Pascual Messa I.I Ricardo Soto Guilln

Proyecto: Prototipo de Turbina de Vapor