Optimización de Potencia y Rendimiento en Turbinas Hidráulicas y Ciclos Termodinámicos

PELTON a) Radio de los inyectores

= m; Pasar C de l/s a m3/s = l/s * 1m3/1000l b) Veloc. Giro para que la pot. Mecánica suministrada sea máx.
V=Va/2= m/s; W=V/r =rad/s; W = rad/s * 1rev/2pi * 60s/1min = rpm c) Fuerza ejer. Sobre las cazoletas del rodete, para la veloc. De giro del apt. B

F=p*C*V*(1-mcos(theta)) = N = KN d) Par sobre el rodete, para la veloc. De giro del apt. B

T = F * r = KNm = Nme) Pot. Suministrada, para la veloc. De giro del apt. B

P = T * W(rad/s) = KW f) Si la energía se vierte a una red de 50 Hz, pares de polos para la veloc. De giro del apt. B

50 Hz -> 3000 rpm (1 par de polos); 1500 rpm (2 pares de polos)
= W = 1572,2 rpm

FRANCIS a) Caudal de la turbina (se bloquea un 10%)

C = V1n*A = V1n * 2pi*r1(m)*hd(m) = m3/s; V1n = V1sen(alpha1)= m/s; V1t = V1cos(alpha1)= m/s; C = 0,9*C = m3/s b) Veloc. Giro turbina en rpm
W=3000rpm/6pares polos = rpm = rad/s;

1 rpm = 2pi/60 rad/s c) Veloc. Lineal del rodete a la entrada

U1 = W(rad/s) * r1 =m/s d) Pot. Suministrada por la turbina
P = p(1000kg/m3)*C*(u1Vt1 – u2Vt2) = W = KW;
Vt2=0 (sale axial)

CENTRAL TÉRMICA a) Calor absorbido durante el ciclo

Q23=m(h3-h2) = kcal/s
;
M es lo que produce el generador b) Calor cedido durante el ciclo
Q41 = m(h1-h4) = kcal/s (negativo)


c) Trabajo realizado por el vapor w = Q23+Q41 = kcal/s d) Rendimiento del ciclo n = w/Q23 =

*100 = % e) Rendimiento de un ciclo de Carnot que operase entre un foco caliente a la temp. Del vapor recalentado y un foco frío a la temp. Del agua líquida n = 1 – (Tf/Ta) = 1 – (T1/T3) = 273-29(tabla)/273-550 =

*100 = %

TURBINA DE GAS

P2/P1=15 atm; P1 = 1 atm; P2 = 15 atm; T1 = 20ºC = 293 ºK; para pasar de ºC a ºK sumar 273; 0ºC = 273ºK; 19ºC = 292ºK; para pasar de ºK a ºC restar 273; Ritmo = m; m = 0,5 kg/s; mgas = 10^-2 kg/s; k=1,4 (valor medio en el ciclo); Cp = 1,005 KJ/KgK a) Temp. Entrada a la cámara de combustión
T2/T1 = (P2/P1)^(K-1/K); T2 = ºK = ºC b) Temp. Salida de la cámara de combustión
T3 = T2 + (Q23/m*Cp); Q23 = PCI (38 MJ/Kg)* mgas = 0,38 MW/J * 10^-2 kg/s = KW/J; T3 = ºK = ºC c) Calor absorbido por el sistema/Rendimiento del ciclo
Qabs = Q23 + Q41; Q41 = m*Cp(T1-T4); T4 = T3(P1/P2)^(K-1/K) = ºK = ºC; Qabs = Q23 – m * 1,005 * (T1-T4 en ºK)

= KW/s

EFICIENCIA 1 a) Flujo másico del circuito de calefacción qhab = V*s*(Tint-Text) = 1,5 W/m2K * 35 m2* 14ºC=735W; ma = qa(igual a 735W)/(Cp*(Ts-Ten)) = 735W/(1Kcal/kgºC*(80-70)ºC*1,16 Wh/Kcal = kg/h b) Consumo de combustible en condiciones normalizadas (0ºC, 1 atm)
Consumo general -> mf=81,9 l/h (19ºC, 1.25 atm); P1V1/T1 = P2V2/T2; V2 = (1.25 atm*81,9 l/h*273ºK)/(1atm*292ºK)= l/h c) Rendimiento de la caldera n = Pcedida/Pconsumida = 735W/(V2*PCI) = (735W*(1KW/1000W))/(V2(l/h)*10,83KWh/m3 *1m3/1000l) = 0,70 d) Potencia eléctrica de la bomba
Pel = (ma*(1m3/1000l)*(1h/3600s)*(2atm = Ps-Pen)*(101325Pa/1atm))/(nB=0,85) = W

EFICIENCIA 2

Requiere un total de 3·10^6*572kcal/m3*1KWh/860kcal = 1,99·10^6 (1)

;

Qconsumido = qaportado/ncald = 1,99·10^6/0,82 = 2,43·10^6 KWh (2)

;

Pasamos PCI del fuel-oíl a KWh

;

39,8 MJ/Kg*(1kcal(4,18·10^-3MJ)*(1KWh/860Kcal) = 11KWh/Kg

;

Mf = qconsumido/PCI = 0,22·10^6 kg

;

Su densidad es 0,8 kg/l

;

0,22·10^6/0,8 = 0,27·10^6 l

;

Por su coste (1$/l) = 276136 ($) (3)

;

(3)-(1) = 0,138 $/KWht <- a este precio estamos pagando la energía térmica; Propuesta cogeneración:
9000 Kcal*(1KWh/860kcal) = 10,46 KWh; 10,46*0,6n = 6,27 KWhe * 0,07$/KWHe = 0,43$ y 10,46*0,28n = 2,93 KWHt * 0,138$/KWht = 0,40$ = 0,83$ es lo que antes nos costaba, ahora nos cuesta 0,6$, así que también hay que tener en cuenta la inversión