Una corriente de vapor ingresa a una turbina de alta presión a 5MPa y 500C. Después se recalienta a 0.30MPa hasta 300C y finalmente se expande hasta 10kPa. 1. Determine la eficiencia térmica del ciclo. ( 3 puntos) 2. Si se añade una unidad de calentamiento feedwater al sistema anterior (asuma calentamiento hasta saturación), cuya alimentación de vapor proviene de la salida de la turbina de alta presión. Determine la eficiencia térmica de este nuevo ciclo si las eficiencias de las turbinas son 90%. (4 puntos) 3. Comparando la cantidad de trabajo producido en los dos ejemplos, determine cual es la diferencia monetaria anual por kilogramo de vapor producido si las plantas operan 6000 horas al año y el kWh es comercializado en 0.15$ (3 puntos) 3
P [kPa] T [C] h [ kJ/kg] hf [ kJ/kg] hg [ kJ/kg] v [m3 /kg] vl [m3/kg] vg [m3 /kg] S [ kJ/kgK] Sf [kJ/kgK] Sg [ kJ/kgK] x Wp [kJ/kg] Wt 1 [kJ/kg] Wt 2 [kJ/kg] Q [kJ/kg ] n
1 10 45,81 2441,93 19 1,8 1 25 83,9 -
PUNTOS 3 50 00
2 10 45 ,81 191,81
196,8499 -
0,0010 1 0,0 0101 14,67 7,703 7 0,649 2 8,148 8 0,941 v2(P3-P2 ) h5-h4 h1-h6 (h4-h3) +(h6-h5) (WT1+WT2- Wp)/Q
-
4 5000 50 0 34 34,7
-
-
6,978 1
-
5 300 133,52 271 9,3 7 561,43 2724 ,9 6,9 781 1,6 717 6,9 917 0,997 -
6 300 300 306 9,6
4
7
5
6 7,7037
5,0 399 -7 15,33 -6 27,67 358 8,0 8 37,6%
2
1
6
P [kPa] T [C] m [kg /s] h [ kJ/kg] hf [ kJ/kg] hg [ kJ/kg] H [kW] v [m3 /kg] vl [m3/kg] vg [m3 /kg] S [ kJ/kgK] Sf [kJ/kgK] Sg [ kJ/kgK] x
1 10 45,81 0 ,853 8630 133 2441,93 19 1,8 1 25 83,9 208 5,0 7358 9 0,0 0101 14,67 7,70 0,649 2 8,148 8 0,941
2 3 10 300 45 ,81 45,8 1 0,8 5386 3013 3 0, 0,8538 6301 33 191,81 192,1029 1 63,7 7946 46 1 64,029 5611 0,0010 1 -
PUNTOS 5 500 0
4 30 0 13 3,5 2 1 56 1,4 3
1 566,47 -
56 1,4 3 0,0010 73 -
Wp1 [ kg/kg] v2(P3-P2 ) 0,2 929 Wp2 [ kg/kg] v4(P5-P4 ) 5,0 431 Feed Feed Water Water (1-m)h3 (1-m)h3+(m +(m)h7 )h7=h4 =h4 m (H4-H3)/(H7-H3) 0,1 4613 6986 7 nt 90% Wt 1 [kW] nt(H7-H6) -64 3,79 7607 7 Wt 2 [kW] nt(H1-H8) -48 2,34 9885 1 Q [ kW kW] (H6-H5)+( H8 -H -H7.1 ) 316 7, 7,2 75 7592 n (WT1+WT2- Wp1- Wp2 ) 35 ,72 % N horas [h] 600 0 Precio [$] / kWh 0,15 P ro ro du du cc cc io n [ $] $] W ne ne t x N h or or as as x P re re ci ci 1 21 21 32 32 36 36 ,6 43 43 P ro ro du du cc cc io n [ $] $] W ne ne t x N h or or as as x P re re ci ci 1 01 01 83 83 35 35 ,1 43 43 194901,4999
6 50 00 500 1 343 4,7
5 66,4 731 -
7 7,1 7,2 8 30 0 300 300 3 00 13 3,5 2 133,52 133 ,52 3 00 1 0 ,8 5386 3013 3 0, 0,1461 3698 67 0, 0,85 3863 0133 2719 ,37 271 9,3 7 2 719,37 3069 ,60 56 1,4 3 561,43 561 ,43 27 24,9 272 4,9 0 2 724,90 343 4,7 2 71 9,3 6932 5 2 321,9688 86 3 97,400 4389 2 62 1,0 1790 6 6,9781 6,978 1 6,98 6,98 7,7 0 1,671 7 1,67 1,67 6,991 7 6,99 6,99 0,997 0,997 0,9 97 -
5 7 7,1 (1 (1-m) 7,2 m 8
4
3
P RI RI ME ME RA RA PL PL AN AN TA TA S EG EG UN UN DA DA PL PL AN AN TA TA
2
1
En el ciclo regenerativo presentado en la figura siguiente se desprende vapor de la turbina para calentar el líquido que proviene del condensador den Determine: 4. La eficiencia térmica, considerando condiciones de operación ideales y un flujo total de 1 kg/s de vapor. (5 puntos) 5. Determine el flujo másico para producir los 20MW de poder (2 puntos) 6. Usted es contratado para asesorar técnicamente en la diseño de dicha planta y su trabajo consiste en dar criterios para aumentar la eficiencia térmica. a. Cuales serían las principales fuentes de generación de entropía y sus posibles soluciones (enuncie al menos 3). (1 punto) b. Cuál sería la eficiencia térmica teórica máxima a la que podría llegar su optimización? (1 punto) c. Cuales son los requisitos técnicos fundamentales para instalar una planta de este tipo (enuncie al menos 2). (1 punto)
P [kPa] T [C] m [kg/s] H [kW] h [kJ/kg] hf [kJ/kg] hg [kJ/kg] H [kW] v [m3/kg] vl [m3/kg] vg [m3/kg] S [kJ/kgK] Sf [kJ/kgK] Sg [kJ/kgK] x
1 2 2,1 10 10000 10000 45,81 45,81 311 0,6364404718 0 ,6364404718 0 ,6364404718 122,0756 469 128,4972 676 895,9808 962 191,81 201,8999 1407,8 191,81 1407,8 2583,9 2725,5 0,00101 0,00101 -
Wp1 [kJ/kg] Wp2 [kJ/kg]
v1(P2-P1) v6(P6.1-P6)
PUNTOS 3 4 5 6 6,1 7 10000 10 1000 1000 10000 10000 600 45,81 245,2360329 179,88 179,88 1 0,6364404718 0 ,3635595282 0 ,3635595282 0 ,3635595282 1 3625,8 1391,904 957 1044,70 1404 277,217 7759 280,905 3602 1176 ,88 6256 3625,8 2187,015155 2873,536033 762,51 772,653 191,81 762,51 2583,9 2777,1 0,001127 6,9045 6,9045 6,9045 0,6492 8,1488 0,8340844845 -
10,0899 10,143 INTERPOLACION
s1 6,6956 s 6,9045 s2 6,9265 t - t1 = a (S-S1) a (pendiente) 216,5439584
t1 t t2
Determinacion m (1-m)h5+(m)h2=(1-m)h6+(m)h2.1 h5-mh5+mh2=h6-mh6+mh2.1 m(-h5+h2+h6-h2.1)=h6-h5 m=(h6-h5)/(-h5+h2+h6-h2.1) m
0,6364404718
n
(Wt-Wp1-Wp2)/Q
Wt [kW] Wp 1[kW] Wp 2[kW] Q [kW]
H4+H5-H3 H2-H1 H6.1-H6 H3-H7
n
0,4897284957
f vapor
16,81811889
-1189,193639 6,421620716 3,687584295 2448,913744
200 245,2360329 250
h1 h h2
2828,3 2873,536033 2943,1
.
.
:
PCScarbón [kJ/kg]=25000 Calcule: 1. El valor del Cp de las cenizas para que los gases de combustión abandonen el quemador a 1200C. Considere que el peso molecular de las cenizas se ha evaluado experimentalmente y es igual a 160kg/kmol (5 puntos) 2. Se desea diseñar un caldero por lo que se necesita conocer la cantidad máxima de vapor que se puede generar por kg de combustible a 20 MPa y 400C desde la temperatura de referencia (25C) con una eficiencia del caldero de 75% (3 puntos) 3. Realice un balance de energía de un sistema solar de calentamiento térmico parabolic trough para generación. Asegúrese de incluir todos los componentes y factores importantes (2 puntos) composicion % n C 85 85 H 8 8 O 3 3
Cenizas H2O
2 2 100
C H PM 12 n 85 m 1020 TOTAL MASA MASA DEL COMB c h o n2 h20
85 8 3 785,088 2
2 2
O 1 8 8 1432
FORMULA H20 Cenizas + (O2 + 3.76N2) = CO2 + H2O + (O2 + 3.76N2) + N2 + O2 + Cenizas + H2O 16 1 8 160 137,28 44 18 137,28 28 32 160 18 3 2 2 208,8 85 4 121,8 327,12 1,5 2 2 48 36 320 28664,064 3740 72 16720,704 9159,36 48 320 36 30096,064 30096,064 MASA DE AGUA 108
Cp (kJ/kg K) CO2 AIRE N2 O2 H20
m 0,846 1,005 1,039 0,918
TOTAL MASA hg 25C 2546,5 hg 1200C 5150 hf 25c 104,83 DT 1175
85 8 3 785,088 2
BALANCE DE ENERGIA H1 =
-35624197,6
2
-17812098,8
H2
=
34977737,21
2
17488868,6
H
=
-646460,392
=
-1,719309553
1
h1
=
24999,94972
1
hf
=
18749,96229
1
m
=
6,913524463
1
CP
exceso de aire 140% PCS kJ/kg 25000 Hfg (kJ/kg) 2441,7
hg 400c
2816,9
h 3740 3717747 16720,704 19745061,34 9159,36 11181975,67 48 51775,2 108 281178 29776,064 34977737,21
Un carbón con una composición molar de 85%C, 8%H2, 2%H2O, 2%cenizas y 3%O2 es quemado con 140% de exceso de aire. No considere precalentamiento de los reactivos. Considere los siguientes datos: PCScarbón [kJ/kg]=25000 Calcule: 1. El valor del Cp de las cenizas para que los gases de combustión abandonen el quemador a 1200C. Considere que el peso molecular de las cenizas se ha evaluado experimentalmente y es igual a 160kg/kmol (5 puntos) 2. Se desea diseñar un caldero por lo que se necesita conocer la cantidad máxima de vapor que se puede generar por kg de combustible a 20 MPa y 400C desde la temperatura de referencia (25C) con una eficiencia del caldero de 75% (3 puntos) 3. Realice un balance de energía de un sistema solar de calentamiento térmico parabolic trough para generación. Asegúrese de incluir todos los componentes y factores importantes (2 puntos)
C
H
1 12 12
O + O2+3.76N2 = CO2 + H2O + (O2 + 3.76N2) + N2 + O2 4 1 5 1 2 3 7,52 0,5 1 16 137,28 44 18 137,28 28 32 4 16 686,4 44 36 411,84 210,56 16 718,4 718,4
H1
-208329,264
H2
-676608,8
EXCESO DE AIRE 150%
DT1 Cp CO2 AIRE N2 O2 H20
H1 -302 DT2 mi 0,846 1,005 1,039 0,918 1,8723
TOTAL
h3
884938,064
TOTAL
00000000151339918
resolviendo el sistema para dT se obtiene la siguiente respuesta dT =
mv h2 pci pcs
= = = =
176,801499
T salida =
HF CH3OH (l) CO2 (g) H20 (l)
1474,801499
H2 hformacion kmol -200670 -393520 -285830 TOTAL
4 10543,08 18743,25333 20803,43771
Hfg (kJ/kg) 2441,7 h400C h l 25
2740,6 104,83
0 686,4 0 0 0 686,4
1176,801499 hi mi 0 -208329,264 0 0 0 -208329,264
h 1 1 2 4
200670 -393520 -483758,8 -676608,8
H3 298 1474,801499 hi 44 43805,25901 411,84 487077,1991 210,56 257451,0293 16 17284,86042 36 79319,7161 718,4 884938,064
