Proyecto Ciclo Rankine Completo.....
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INTRODUCCIÓN
El Ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que
tiene lugar en una central térmica de vapor.
El actual proyecto de investigación tiene como propósito fundamental proponer el
diseño de un dispositivo con fines académicos que muestre cómo funciona el Ciclo Rankine
en la generación de energía para los estudiantes universitarios que cursan el Programa
Nacional de Formación de Ingeniería Mecánica en el Instituto Universitario de Tecnología
José Antonio Anzoátegui, sede El Tigre. Esto con miras a optimizar la formación
profesional de estos futuros profesionales.
Para lograr dicha meta, el trabajo se dividió en los siguientes capítulos: En el Capítulo
I, se muestra el diagnóstico de la comunidad objeto de la investigación. El Capítulo II,
describe el problema, a manera de visualizar, el planteamiento que se quiere hacer, de igual
manera se presenta la justificación y los objetivos para concretarlos. En el Capítulo III se
presenta el marco teórico, mostrando antecedentes encontrados referidos al tema
seleccionado, las bases teóricas, que explican los conceptos relacionados con el tema y las
bases legales. El Capítulo IV, explica el tipo y diseño de la investigación, también el
alcance poblacional y las técnicas utilizadas para la recolección de datos. En el Capítulo V
punto se determinan los cálculos para poder diseñar el dispositivo propuesto. Por último, en
el Capítulo VI se explican las conclusiones a las que se llegaron con la elaboración de este
proyecto y las referencias bibliográficas utilizadas y anexos para complementar el mismo.
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CAPITULO I
DIAGNÓSTICO DE LA COMUNIDAD OBJETIVO
Nombre de la Comunidad
Instituto Universitario de Tecnológico “José Antonio Anzoátegui” (IUTJAA).
Reseña Histórica de la Comunidad Objetivo
El Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio Anzoátegui” fue creado según
Decreto Presidencial N° 2.483 del 06 de Diciembre de 1977, publicado conforme Gaceta
Oficial N° 3.381 el 13 de Diciembre del mismo año, con el nombre de Instituto
Universitario de Tecnología El Tigre, con sede principal en la ciudad de El Tigre, Estado
Anzoátegui. Inició sus actividades el 09 de Junio de 1978 para formar Técnicos Superiores
en las especialidades de: Administración, Agropecuaria, Mecánica y Química, sin
menciones; con una duración de cuatro semestres hasta el año 1986. Basada desde sus
inicios, su filosofía de enseñanza en la premisa “Aprender Haciendo”. A partir del año
siguiente, ensaya un nuevo diseño curricular, con seis semestres de duración, ofertando:
Administración con las menciones Comercial y Contaduría; Mecánica con la mención
Fabricación Mecánica; Química con la mención Procesos Químicos y Agropecuaria con la
mención Animal y Vegetal.
La extensión de Pariaguán es creada en el mes de Mayo de 1989 y la extensión de
Barcelona en el año 2004; todas estas se conformaron en las Normas establecidas por el
Consejo Nacional de Universidades mediante la aprobación de los antiguos Ministerio de
Educación y el Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior.
El 14 de diciembre de 1989, en Gaceta Oficial N° 34.368 y mediante el Decreto N°
657, se dio el cambio de denominación a Instituto Universitario de Tecnología “José
Antonio Anzoátegui”, en honor al héroe epónimo del estado. En el año 2006, luego de un
análisis realizado por el Ministerio de Educación Superior, que constató que el IUTJAA
cumplía con las características necesarias, y por medio de la Misión Alma Mater, el
Presidente de la República, Hugo Chávez, anunció la elevación del Instituto a politécnico,
beneficiando de manera significativa a la población del Estado Anzoátegui.
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Misión de la Comunidad Objetivo
El Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio Anzoátegui” tiene como
misión:
Formar supervisores fundamentalmente en competencia para el mundo del trabajo,
capacitándolos para organizar la micro, pequeña o mediana empresa, incorporando
actividades de investigación aplicada y extensiones, ofreciendo una forma integral que
satisfaga sus motivaciones e intereses personales.
Garantizar la calidad de la Docencia, Investigación, Desarrollo Técnico y Extensión,
por lo cual la institución debe ofrecer a todos sus Docentes y Auxiliares, cursos de
permanente capacitación educativa, actualización y perfeccionamiento, tanto en áreas
sustantivas (Ciencia Tecnológica) como en los propósitos de la Pedagogía Tecnológica.
Desarrollar una Gestión de Servicio a la Comunidad, basada en la divulgación de
conocimientos a través de Docentes y Estudiantes con resultados positivos y satisfactorios
para la misma.
Cumplir con una Gestión Académica, Administrativa y Financiera transparente,
centrada en valores éticos y morales.
Visión de la Comunidad Objetivo
El Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio Anzoátegui” tiene como
visión:
Crecer cada día como una Institución de Educación Superior de reconocido prestigio,
orientada a la formación de Técnicos Superiores Universitarios, a nivel de Pre-Educación
continua y Post-Grado, avalados por la transparencia de su actuación y elevada
capacitación técnica e innovadora, siendo emprendedores, generadores de su propio empleo
y contribuyendo al progreso verosímil del estado Anzoátegui.
La Institución forma una gran Comunidad Universitaria con cooperación de todos sus
miembros, logrando una excelencia académica, mediante la integración de las funciones de
docencia, investigación, extensión y producción, con el propósito de ser incorporados al
campo ocupacional y de esta manera contribuir con el impulso económico y social en el
ámbito local, regional, nacional e internacional.
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Ubicación de la Institución
La sede principal del Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio
Anzoátegui”, se encuentra ubicado en la ciudad de El Tigre, Municipio Simón Rodríguez,
zona Sur del Estado Anzoátegui, en el Km 8 de la carretera El Tigre-Ciudad Bolívar. Zona
Universitaria. Teléfonos: (0283) 2353901 – 2353902; Fax: (0283) 2353903.
Objetivos de la Institución
El Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio Anzoátegui” tiene como
objetivos:
Formar Técnicos Superiores e Ingenieros y Licenciados en las áreas de
Administración, Agropecuaria, Mecánica y Química, brindando un alto nivel de
capacitación teórico-práctico requerido para el desarrollo integral y competitivo
del área laboral, atendiendo a las necesidades del desarrollo socio-económico del
país en general y la región en particular.
Contribuir, ampliar y evaluar programas de investigación institucional con fines
de ampliar nuevas tecnologías que permitan valorar el rendimiento académico y
optimizar el manejo de los recursos disponibles.
Ampliar Programas de Extensión Universitaria que promuevan en la unidad local,
regional y nacional el conocimiento y la aplicación de los resultados de las
investigaciones desarrolladas en la Institución.
Formalizar las actividades que permitan la vinculación con otras Instituciones
Tecnológicas, Científicas y Culturales, principalmente las de la región, con el fin
de lograr en forma racional y eficiente los objetivos del Sistema Educativo
Nacional.
Experimentar nuevas tácticas de aprendizaje, material educativo, sistemas y
procedimientos Académicos Administrativos que se manifiestan las exigencias de
la Educación Superior Universitaria.
Desarrollar e integrar la docencia y la investigación en función de las necesidades
y posibilidades regionales y locales.
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Establecer recursos humanos generadores de ciencia con la capacidad de
promover, comprobar y desarrollar tecnología apilable a las condiciones que lo
exijan.
Contribuir a organizar un actual Diseño Curricular que proporcione el desarrollo
de innovadores Sistemas de Aprendizajes y nuevas disposiciones curriculares.
Formular programas de perfeccionamiento y postgrado a los Técnicos Superiores
en su área respectiva.
Funciones y Estructura Organizativa
El Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio Anzoátegui”, tiene como
funciones:
Preparar individuos profesionales para el ejercicio y funciones socioeconómicas
altamente especializadas.
Brindar un Diseño Curricular que permita adoptar y extender las oportunidades de
forma profesional que existen en el país.
Ofrecer Programas de Perfeccionamiento y Postgrado a profesionales en Áreas de
Especialización.
Desarrolla programas que permitan la vinculación con otras Instituciones
Tecnológicas, Científicas y Socio-Culturales, principalmente en la región, con el
fin de lograr en forma racional y eficiente los objetivos del nuevo Sistema
Educativo Nacional.
Forma una Comunidad Universitaria con la participación y cooperación de todos
los miembros.
Desplegar investigaciones científicas y promover la creación tecnológica y
artística de la nación.
Estructura Organizativa de la Institución
La estructura organizativa del Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio
Anzoátegui”, ha sido planificada de acuerdo a lo establecido en el Reglamento de Institutos
y Colegios Universitario; por lo que su organización se presenta en forma jerárquica,
alcanzando así el desarrollo y cumplimiento de sus objetivos.
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Su estructura se encuentra organizada de la siguiente manera:
Nivel Directivo: En la actualidad el nivel directivo es guiado de conformidad con
lo establecido en Gaceta Oficial N° 37.854, donde designa la nueva comisión de
Modernización y Transformación del Instituto Universitario de Tecnología “José
Antonio Anzoátegui”, integrada por un (1) Coordinador General; un (1)
Subdirector Académico y un (1) Subdirector Administrativo, así mismo forma
parte de esta Comisión, un Representante de los Profesores y un (1) Representante
de la Comunidad Estudiantil.
Consejo Directivo: De acuerdo a lo asignado por el Ministerio del Poder Popular
para la Educación Universitaria, el cual es la máxima autoridad de la Institución,
está conformado por un (1) Coordinador General, un (1) Subdirector Académico
y un (1) Subdirector Administrativo, un Jefe de División, Planificación y
Desarrollo, un (1) Jefe de Investigación de Postgrado, un (1) Jefe de División
Administrativa, Jefe de División de Docentes y un jefe de División Extensión
Universitaria y Comunitaria, Jefes de la Aplicación de Pariaguán y Extensión
Anaco y Puerto La Cruz respectivamente. El Consejo Directivo, de acuerdo a su
estrategia organizativa, tiene la gran responsabilidad de custodiar el cumplimiento
del lineamiento y políticas que guían el desarrollo institucional, establecido por el
Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria.
Dirección: Es un miembro administrativo que desarrolla como función la
Dirección, Coordinación, Supervisión y Evaluación de las actividades de la
Institución. Su representante se encarga de la Gestión de los Recursos Financieros
para el funcionamiento; de igual manera administrar y ejecutar el Presupuesto del
Gasto de la Comisión, la cual es sometida a consideración del Ministerio del
Poder Popular para la Educación Universitaria, a través del Departamento de
Recursos Humanos, la contratación del personal justificado en el Plan Rector; y
debe presentar informe al Viceministro de Políticas Académicas del Ministerio
del Poder Popular para la Educación Universitaria cada treinta (30) días o cuando
éste lo considere necesario. En conclusión el Coordinador General cumple y
proyecta el desempeño de todos los lineamientos y procedimientos esenciales al
funcionamiento y desarrollo de la Institución.
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Subdirección Académica: Tiene como responsabilidad el desarrollo y
cumplimiento de las Actividades Docentes; dentro de sus funciones ejerce labores
de Investigación, Evaluación y Coordinación de todas las labores de acuerdo al
desarrollo y ejecución de Currículo y Planes de Estudio de la Institución.
Subdirección Administrativa: Tiene la facultad de Planificar, Coordinar,
Dirigir, Supervisar y Evaluar de acuerdo con la Dirección, la Actividad
Administrativa del Instituto y se encuentra representada por el Subdirector
Administrativo.
División de Planificación y Desarrollo: Es un organismo asesor de la Dirección
y centro de sus actividades específicas; desarrolla a corto y mediano plazo la
programación y elaboración de los Presupuestos Operativos Anuales, contempla
la Programación Financiera y Física, vigilando que el presupuesto se formule y
ejecute siguiendo las instrucciones y controles establecidos por la Ley.
División de Investigación y Postgrado: Es un miembro organización, encargado
de coordinar todas aquellas funciones enfocadas a estimular el desarrollo de
Proyectos de Investigación, Proyectos de Recursos de Extensiones, al igual que
aquellos recursos que procuren la aplicación de conocimientos entre los
egresados.
División Académica: Se encarga de Coordinar, Supervisar y Evaluar las
actividades Docentes, las cuales son desarrolladas con cada uno de los
Departamentos que imparten la forma profesional. La División Académica está
representada por un Jefe designado por el Consejo Directivo.
División Administrativa: Se encarga de asistir al Sub-Director Administrativo,
Asesorar, supervisar, evaluar, controlar las actividades de los Departamentos y
Unidad Administrativas: La División Administrativa se encuentra representada
por un Jefe designado por el Consejo Directivo.
División de Extensión Universitaria y Comunitaria: Se encarga de coordinar
estrategias para entender el nuevo marco de refundación de la República
contenido en la Carta Magna; dentro de este marco se convierte en el responsable
de lograr una relación entre la Institución y la Comunidad.
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Para ellos se hace responsable de acuerdo a la normativa interna, de coordinar
todo lo concerniente al desarrollo de línea de extensión endógena traducida en el
fortalecimiento de recursos humanos de la Institución, y exógeno con la
proyección de las Instituciones hacia la comunidad y viceversa.
Unidad de Apoyo a la Dirección:
o Contraloría Interna: Su objetivo es velar por el acatamiento de las
normas y procedimientos administrativos vigentes, que codifican el
control de la ejecución presupuestaria. Estos controles son realizados en
forma procedente y posterior a la ejecución física y financiera.
o Fundación del Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio
Anzoátegui” (FUNDEIUTJAA): Esta fundación fue creada con la
finalidad de colaborar con la Institución como una alternativa para auto
funcionamiento a través de recursos, trabajo de investigación, realiza
convenios con otros organismos del Estado, entre otras labores, para el
desarrollo integral de la organización.
o Nivel Operativo constituido por el Departamento Docente: En la
actualidad, la Institución cuenta con diecinueve (19) Departamentos
encargados de ejecutar el Centro de Línea de Mando y Autoridad, todas
las acciones que permiten el buen funcionamiento, desarrollo y logro de
los objetivos propuestos. Este departamento de acuerdo al nivel de
autoridad se distribuye de la siguiente manera:
Planificación y Desarrollo:
Departamento de Programación y Presupuesto
Departamento de Currículum
Departamento Planta Física
Departamento de Evaluaciones
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Departamento Administrativo
Departamento de Servicios Generales
Departamento de Bienestar Estudiantil.
Dirección Estudiantil:
Departamento Formación Básica
Departamento Formación Complementaria
Departamento Tecnología Mecánica
Departamento Tecnología Química
Departamento Tecnología Agropecuaria
Departamento Tecnología Administrativa
Departamento Pasantía y Seguimiento de Egresados
Departamento Admisión y Control de Estudios
Departamento Bibliotecario.
Dimensiones:
Dimensiones culturales: Eventos deportivos, Semana aniversaria los 17/ 06 de cada año.
Dimensiones ambientales: sus espacios ambientales son extensos amplios y mantienen
numerosas áreas verdes permitiendo de esta manera mayor libertad a la comunidad
estudiantil de respirar aire limpio.
Dimensiones potenciales: la comunidad estudiantil del IUTJAA posee suficiente potencial
tanto en territorio como de personal para la explotación de la rama agrícola. En
relación a la comercialización dentro de la institución, existen algunos cafetines y
loncherías que permiten el suministro de alimentos a la comunidad estudiantil.
Dimensiones Políticas:
Centro de estudiantes
Federación.
Sindicato de profesores, estudiantes y obreros.
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Línea de Investigación
Código Descripción de la línea de investigación
M01 El diseño y construcción de elementos y sistemas mecánicos
M02 La agroindustria y seguridad alimentaria.
M03 Mantenimiento de procesos industriales y de servicios.
M04 La trasformación de polímeros.
M05 La manufactura metalmecánica.
M06 Desarrollo de equipos didácticos (dotación PNF y otras instituciones)
M07 Salud, higiene y ambiente.
M08 Transformación de energía.
M09 Diseño y Desarrollo de Sistemas de Transporte.
Ubicación del Problema de la Comunidad en la línea de Investigación.
El proyecto está enmarcado en la Línea de Investigación M01 referido al diseño y
construcción de elementos y sistemas mecánicos, ya que se diseñará un dispositivo con
fines académico generador de trabajo según el Ciclo Rankine en el Instituto Universitario
de Tecnología José Antonio Anzoátegui.
Igualmente sigue las orientaciones de las políticas del Modelo Productivo Socialista
que se refiere al Incremento de la producción nacional de ciencia, tecnología e innovación
hacia necesidades y potencialidades del país, por cuanto este trabajo propone un diseño
innovador de tal dispositivo para solucionar un problema detectado en la referida
institución.
En el Instituto Universitario de Tecnología “José Antonio Anzoátegui”, en vista de
la transición de tecnológico a politécnico necesita de laboratorios dotados con suficientes
insumos por lo tanto nos vimos en la necesidad de equipar con un prototipo didáctico
basado en el Ciclo Rankine, el mismo utilizado en las centrales termoeléctricas.
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CAPITULO II
DESCRIPCION DE LA SITUACION DEL PROBLEMA.
Planteamiento del Problema
La energía eléctrica es quizás uno de los servicios más importantes con que cuenta la
humanidad para vivir cómodamente. La manera de producir la energía eléctrica depende
del tipo de aparatos llamados generadores o alternadores, estos se componen en su forma
más simple de una espira que gira impulsada por algún medio externo y un campo
magnético uniforme, creado por un imán, en el seno del cual gira la espira anterior. Para su
funcionamiento, hace falta una fuente externa de energía (hidráulica, térmica, nuclear, entre
otras), que haga que la bobina gire con una frecuencia deseada.
Es en este sentido, que la presente investigación buscando ofrecer la mejor
alternativa para generar energía barata y efectiva propone utilizar el Ciclo Rankine, ciclo
termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo
que se denomina un ciclo de potencia en los laboratorios de mecánica en el PNF de
ingeniería Mecánica de forma que contribuya a la formación integral del futuro ingeniero.
En el área de talleres y laboratorios, se detectó la problemática de que los futuros
ingenieros no cuentan con dispositivos generadores de trabajo utilizando el Ciclo Rankine,
con fines didácticos.
La institución está pasando por un momento de transición de técnica a politécnica y
no cuenta con los equipos necesarios para el estudio y práctica de las carreras del nuevo
sistema educativo a nivel universitario de los ¨PNF¨. De allí se plantea la necesidad de
contribuir en mejorar el proceso de aprendizaje al diseñar un dispositivo basado en el ciclo
Rankine.
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Objetivo General
- Diseñar un sistema de generación de trabajo, que aplique el principio del Ciclo
Rankine.
Objetivos Específicos
- Diagnosticar las condiciones de los equipos en los laboratorios y talleres del
Instituto Universitario de Tecnología José Antonio Anzoátegui.
- Establecer los componentes necesarios para el diseño del dispositivo de trabajo
basado en el ciclo Rankine.
- Determinar los cálculos para el diseño del dispositivo generador basado en el
Ciclo Rankine.
- Diseñar el generador de trabajo basado en el Ciclo Rankine.
Justificación de la Investigacion
El desarrollo tecnológico de las máquinas térmicas de producción de energía en el
contexto mundial, plantea la necesidad de mejorar los rendimientos térmicos de estas
máquinas, así como la necesidad de hacer un uso racional de los recursos energéticos
disponibles en nuestro país, haciendo necesario que el futuro ingeniero mecánico del PNF
de Ingeniería Mecánica en el IUTJAA, tenga conocimiento sobre los sistemas alternativas
de cogeneración de energía y puedan contribuir con el uso de esta tecnología para una
explotación racional y compatible con el medio ambiente y los recursos energéticos.
Sin embargo, esta no es la realidad que se vive en los talleres y laboratorios del área de
mecánica en el Instituto Universitario de Tecnología José Antonio Anzoátegui, sede El
Tigre, donde se pudo detectar que no poseen equipos generadores de trabajo basado en el
Ciclo Rankine, conocimiento necesario para los estudiantes, futuros ingenieros del PNF de
mecánica. De allí la importancia de que los estudiantes del PNF de mecánica tengan acceso
al conocimiento de generadores de energía basados en el Ciclo Rankine.
Además, el proyecto también funcionará como un prototipo didáctico para un futuro
laboratorio de termodinámica de fluidos que sirva para enseñar a los futuros ingenieros, el
funcionamiento de las centrales termoeléctricas.
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CAPITULO III
REFERENCIAS TEORICAS
Antecedentes
Sánchez-Junco (2012) diseñó un proyecto tiene por objeto el aprovechamiento de
calor residual de corrientes de refinería, con bajo nivel térmico y su transformación en
energía eléctrica, mediante el ciclo orgánico de Rankine (ORC).
Este proceso es similar al ciclo básico de Rankine pero en vez de agua utiliza un
fluido orgánico de elevado peso molecular. Este tipo de ciclos se puede utilizar para
recuperar calor de fuentes de baja temperatura. Este calor se convierte en trabajo útil que se
transforma en electricidad.
El principio de trabajo del ciclo orgánico de Rankine es un fluido de trabajo en fase
líquida que se bombea a una caldera, donde se evapora y tras pasar a través de una turbina,
se condensa de nuevo para iniciar el ciclo.
Para la elección de las tecnologías ORC se realizó un estudio de las disponibles en el
mercado y se llevó a cabo un análisis de las corrientes con calor residual disponibles en la
refinería. Seleccionadas las tecnologías, se realizó un análisis de viabilidad del uso de
ciclos ORC para el aprovechamiento de la energía residual en la refinería.
Los resultados confirmaron que la aplicación de estos ciclos ORC es rentable, desde
el punto de vista económico, técnico y medioambiental.
Reseña Histórica del Ciclo Rankine
William John Macquorn Rankine en 1859 publica el ¨Manual of Steam Engine", en
el que realiza importantes contribuciones a la termodinámica estableciendo el ciclo que
lleva su nombre para el funcionamiento de las maquinas de vapor, e ideando la escala de
temperaturas Rankine.
El ciclo propuesto contaba con 4 etapas o evoluciones, las cuales son descritas a
continuación:
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Proceso 1-2: Expansión isoentropica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de
la caldera hasta la presión del condensador.
Proceso 2-3: Transmisión de calor desde el fluido de trabajo al refrigerante a presión
constante en el condensador hasta el estado de líquido saturado.
Proceso 3-4: Compresión isoentropica en la bomba. En el se aumenta la presión del fluido
mediante un compresor o bomba, al que se le aporta un determinado trabajo.
Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la
caldera. Existe la posibilidad de \sobrecalentar" el fluido mas allá de la línea de saturación
(1'), cuya Importancia será discutida posteriormente.
Esto dio como resultado una maquina generadora de energía erétrica la cual es
operada por vapor.
Materiales
1. Termómetro de 150°C
2. termómetro de 100°C
3. Tacómetro
4. Cronómetro
5. 2 Cubetas
6. Balanza
7. Turbina Westinghouse
Uno de los objetivos generales fue la creación de una maquina generadora de energía
eléctrica a base de vapor por el movimiento de una turbina.
Dio como resultado el prototipo que por medio de vapor genera energía eléctrica, los
cálculos realizados dieron distintas formas de consumo y de generación de la energía con
pocos materiales.
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Bases Teóricas
Energía:
(Según Nicolas L.S.Carnot -1809.Pag245-Ocenao Uno)
La planta de generación de energía viene a ser un complejo destinado a obtener
energía de alguna fuente de la naturaleza.
Ejemplos de plantas de generación de energía son: Las centrales termoeléctricas, las
instalaciones fotovoltaicas, las centrales hidroeléctricas, los automotores etc. todas
dedicadas a transformar energía de una fuente en alguna forma de energía útil ya sea
trabajo, energía cinética, electricidad, entre otras.
Energía Térmica
La generación de vapor para el accionamiento de las turbinas se realiza en
instalaciones generadoras comúnmente denominadas calderas.
La energía térmica produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón,
fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto, el combustible se almacena en parques o
depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que
se provoca la combustión. Esta genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa
red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la
turbina, cuyo eje rotor gira con el de un generador que produce la energía eléctrica.
En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y
posiblemente el recalentamiento y sobrecalentamiento del vapor.
Las calderas primitivas consistían en un gran recipiente lleno de agua que era
calentado por un fuego en su parte inferior. El gran volumen de agua en estado de
ebullición generaba fácilmente situaciones de gran riesgo al excederse la presión máxima
admisible.
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Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamado de
paredes de agua. El recinto posee aberturas para los quemadores y la salida de gases de
combustión. La circulación del agua puede ser natural, debida a la diferencia de densidad
entre agua fría y caliente. El agua en ebullición se acumula en un recipiente llamado domo
donde se separa el vapor del agua.
Ciclo de Vapor
Circulación del Vapor
El agua que alcanza la temperatura de ebullición, empleara el calor a partir de ese
momento, para la formación de vapor de la mezcla agua-vapor y para su circulación.
De la mezcla que asciende, la parte correspondiente a la fase liquida descenderá y la
parte correspondiente a la fase vapor ascenderá separándose en lo que se llamará superficie
de evaporación.
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La recuperación de energía de una caldera que produce vapor se conoce
convencionalmente como “Proceso de Ranking”. Este permite la producción de energía en
forma de: energía eléctrica, vapor y combinaciones de energía eléctrica, vapor y agua
caliente (ver figura).
Proceso de Ranking
(Según William Jhon Macquorn Rankine -1858-Peg.129)
La energía del vapor puede convertirse a energía eléctrica mediante un arreglo de
turbina y generador. El vapor sobrecalentado y altamente presurizado de la caldera se
expande en la turbina de vapor, que transforma la energía calorífica del vapor a energía
cinética, para posteriormente transformarse en eléctrica por el generador.
El exceso de calor del vapor a baja presión se convierte en agua caliente dentro de un
condensador y se pasa ya sea a una red para calentamiento o simplemente se recircula a la
caldera.
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Cuando se produce tan sólo energía eléctrica (es decir, no hay demanda de agua caliente),
se usa una turbina con condensación completa. El exceso de calor produce tan baja
temperatura en este condensador que no es atractiva su recuperación.
Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo
de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre
el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que
cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el
intercambio energético. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia
que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo
Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de
elevada temperatura y presión.
En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que,
típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina se
pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes
unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado
por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.
Centrales Térmicas
Una central térmica para producción de energía eléctrica, es una instalación en donde la
energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y por tanto para obtener
la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera.
El vapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las turbinas para que su
expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas. Las denominadas termoeléctricas
clásicas son de: carbón, de fuel o gas natural.
En dichas centrales la energía de la combustión del carbón, fuel o gas natural se emplea
para hacer la transformación del agua en vapor. Una central térmica clásica se compone de
una caldera y de una turbina que mueve al generador eléctrico. La caldera es el elemento
fundamental y en ella se produce la combustión del carbón, fuel o gas.
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Ciclo de Rankine
El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión
de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia.
Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia
termodinámica de un Ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite
máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su
desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine
El proceso del Ciclo
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que
tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que
alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de
sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos).
Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta
presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo
mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que
generará la electricidad en la central térmica).
El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo
donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado
mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago).
Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida
para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.
Calderas
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el
calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la
industria.
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Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales:
Cámara de agua.
Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera. El nivel de
agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms. por lo menos a
los tubos o conductos de humo superiores. Con esto, a toda caldera le corresponde una
cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua. Según la razón que existe entre
la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de
gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.
Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua. Se
componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad superior a 150 H de
agua por cada m2 de superficie de calefacción.
Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y
también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin
aumentar el volumen total del agua. Las calderas de pequeño volumen de agua están
formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta
considerablemente la superficie de calefacción.
Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de
agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del
agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida
superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco
económicas.
Cámara de vapor.
Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el
vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor,
tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la
distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.
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Tipos de Calderas.
Calderas de Gran Volumen de Agua.
Calderas Sencillas. Calderas con Hervidores. Calderas de Hogar Interior.
Caldera de Mediano Volumen de Agua (Ignitubulares).
Caldera Semitubular. Caldera Locomotora. Calderas de Galloway. Locomóviles. Semifijas. Calderas Combinadas.
Calderas de Pequeño Volumen de Agua
Acuotubulares Caldera Borsig. Caldera Yarrow y Thornycroft. Con tubos de Humo y de Agua.
Turbinas Hidráulicas
La función de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada
en un lago, a una elevación más alta y convertirla, primero en energía mecánica y luego en
eléctrica. Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales uno de los
más importantes es la caída de agua (head).
Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se instala
en la planta. La turbina hidráulica es la encargada de transformar la energía mecánica en
energía eléctrica, por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada
sistema hidroeléctrico.
21
Las turbinas se pueden clasificar de varias maneras estas son:
1. Según la dirección en que entra el agua:
Turbinas axiales: el agua entra en el rodete en la dirección del eje.
Turbinas radiales: el agua entra en sentido radial, no obstante el agua puede
salir en cualquier dirección.
2. De acuerdo al modo de obrar del agua:
Turbinas de chorro o de acción simple o directa.
Turbinas de sobrepresión o de reacción.
3. Según la dirección del eje:
Horizontales.
Verticales.
Hay otras clasificaciones, según las condiciones de construcción, no obstante la
clasificación más importante es la que las separa de acuerdo al modo de obrar el agua, estas
son de reacción o de chorro. Aunque hay muchas turbinas que entran en estas
clasificaciones las más importantes son las turbinas Pelton, Francis y Kaplan. Una caída
alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de impulso o tipo Pelton.
Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reacción
tipo Francis. Para caídas bajas (menores de 200 pies) se utiliza un tipo de turbina de
reacción tipo Kaplan.
Bomba hidráulica
Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente
energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible
que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos
como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel.
22
Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas
ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para
incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el
fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.
Tipos de bombas
Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria
perpendicular al eje del rodete impulsor.
Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una
trayectoria contenida en un cilindro.
Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra
dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.
Calentador
Un calentador de agua, o calentador de lava, calefón,[1] caldera o boiler[2] es un
dispositivo termodinámico que utiliza energía para elevar la temperatura del agua. Entre
los usos domésticos y comerciales del agua caliente están la limpieza, las duchas, para
cocinar o la calefacción. A nivel industrial los usos son muy variados tanto para el agua
caliente como para el vapor de agua. Entre los combustibles utilizados se encuentran el
gas natural, gas propano (GLP), querosén y el carbón, aunque también se usan la
electricidad, la energía solar, bombas de calor (compresor) de refrigeradores o de
acondicionadores de aire, calor reciclado de aguas residuales (no aguas negras) y hasta
energía geotérmica. En el caso de las aguas calentadas con energías alternativas o
recicladas, éstas usualmente se combinan con energías tradicionales.
Tipos de calentadores de agua
Los tipos de calentadores de agua más conocidos son:
calentador de punto
calentador de paso (sin tanque)
calentador de acumulación
23
caldera (para recirculación).
El tipo de calentador y el tipo de combustible a seleccionar depende de muchos factores
como la temperatura del agua que se desea alcanzar, disponibilidad local del combustible,
costo de mantenimiento, costo del combustible, espacio físico utilizable, caudal instantáneo
requerido, clima local, y costo del calentador.
Válvula
Una válvula es un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la
circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u
obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. Las válvulas son unos de los
instrumentos de control más esenciales en la industria.
Termodinámica
La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en
los que se transfiere energía como calor y como trabajo. Sabemos que se efectúa trabajo
cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una
transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O
sea, el calor es muy semejante al trabajo. El calor se define como una transferencia de
energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia
de energía que no se debe a una diferencia de temperatura.
Primera Ley de la Termodinámica
Esta ley se expresa como:
Eint = Q - W
Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el
sistema (W)
24
Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se
define como el trabajo efectuado por el sistema. Para entender esta ley, es útil imaginar un
gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un
mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por
la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo
contra la presión atmosférica.
Segunda Ley de la Termodinámica
La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar
muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la
naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y
nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se
cumpliría la primera ley.
En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar
esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos
enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una
máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de
energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.
Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la
transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de
energía por trabajo.
Fracción molar
La fracción molar es una unidad química usada para expresar la concentración de soluto en
una solución. Nos expresa la proporción en que se encuentran los moles de soluto con
respecto a los moles totales de solución, que se calculan sumando los moles de soluto(s) y
de disolvente. Para calcular la fracción molar de una mezcla homogénea, se emplea la
siguiente expresión:
25
También puede expresarse así:
Donde nsol serían los moles de soluto y ndisol los moles de la solución completa y, todo esto,
multiplicado por 100.
La suma de todas las fracciones molares de una mezcla es:
Como el volumen de una disolución depende de la temperatura y de la presión; cuando
éstas cambian, el volumen cambia con ellas. Gracias a que la fracción molar no está en
función del volumen, es independiente de la temperatura y la presión. Además cabe notar
que en los gases ideales la variación del volumen será proporcional para cada uno de los
solutos, y por lo tanto también para la solución. De esta manera hay una relación directa
entre las fracciones molares y los volúmenes parciales. Por ejemplo, en una mezcla binaria
de 6 moles de etanol y 4 moles de agua, lo que da un total de 10 moles, la fracción molar
del etanol es de 6/10 = 0,6; mientras que la fracción molar del agua es 4/10 = 0,4. Todas las
fracciones molares de una disolución serán siempre menores que 1, y la suma de éstas dará
como resultado.
Ecuación General del Balance de Energía
Esta ecuación puede ser aplicada a un equipo individual o a toda una planta
En la ecuación (6) se pueden introducir algunas simplificaciones:
1. No hay acumulación de energía dentro del sistema
2. No hay generación de energía dentro del sistema
26
3. No se consume energía dentro del sistema
Si introducimos esas simplificaciones la ecuación (6) se reduce a:
Transferencia de energía a través = Transferencia de energía fuera
De la frontera del sistema de la frontera del sistema
Balances de Energía para Sistemas Cerrados
Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo que exista o no transferencia de
masa a través de la frontera del sistema durante el período de tiempo en que ocurre el
balance de energía. Por definición un proceso intermitente es un proceso cerrado y los
procesos semi-intermitente y continuo son sistemas abiertos.
Una ecuación integral de balance de energía puede desarrollarse para un sistema cerrado
entre dos instantes de tiempo.
Energía final del sistema – energía inicial del sistema = energía neta
transferida
Energía inicial del sistema = Ui + Eci + Epi
Energía final del sistema = Uf + Ecf + Epf
U = energía interna
Ec = energía cinética
Ep = energía potencial
Energía transferida(E) = Q + W
E = Et2 –Et1
Los subíndices se refieren a los estrados inicial y final
(Uf - Ui) + (Ecf - Eci) + (Epf - Epi) = Q +W
Si utilizamos el símbolo para indicar diferencia se tiene:
U + Ec + Ep = Q + W luego,
E = Q + W (7)
27
Donde E representa la acumulación de energía en el sistema asociada a la masa y está
compuesta por: energía interna(U), energía cinética y energía potencial(P).
La energía transportada a través de la frontera del sistema puede transferirse de dos modos:
como calor (Q) o como y trabajo (W)
Q y W representan la transferencia neta de calor y trabajo, respectivamente, entre el sistema
y su entorno
Si E = 0 ; Q = - W
La ecuación (7) es la es la forma básica de la primera ley de la termodinámica
Balance de Energía para Sistemas abiertos en Régimen Estacionario
Por definición en un sistema abierto se observa la transferencia de materia a través de sus
fronteras cuando ocurre un proceso. Debe realizarse trabajo sobre el sistema para que exista
una transferencia de materia hacia él y la masa que sale del sistema realiza trabajo sobre los
alrededores (entorno) ambos términos de trabajo deben incluirse en la ecuación de balance
de energía.
En la ecuación de balance de energía para un sistema abierto debemos incluir la energía
asociada a la masa que entra y sale del sistema, con lo cual se tiene:
ΔE=E t2−Et 1=Q+W−Δ [H+K+P ]
Significa lo que entra lo que sale del sistema menos lo que entra
Si consideramos régimen estacionario: E entrada = E salida; E = 0, no hay acumulación
de energía por lo que tenemos:
Q+W=Δ [H+K+P ] Si se considera que no hay variación de energía potencial ni de energía cinética y que W =
0 se tiene:
Q = H = Hproductos - Hreactivos
Entropía.
28
La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos En termodinámica, la
entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no
puede utilizarse para producir trabajo.
Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el
transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del griego
(ἐντροπία) y significa evolución o transformación.
Interpretación estadística de la entropía En los años 1890 - 1900 el físico austríaco Ludwig
Boltzman y otros, desarrollaron las ideas de lo que hoy se conoce como mecánica
estadística, teoría profundamente influenciada por el concepto de entropía. Una de las
teorías termodinámicas estadísticas (la de Maxwell-Boltzmann), establece la siguiente
relación entre la entropía y la probabilidad termodinámica: s=k.In Ώ Donde S es la
entropía, k la constante de Boltzmann y Ω el número de microestados posibles para el
sistema (ln es la función logaritmo neperiano).
La célebre ecuación se encuentra grabada sobre la lápida de la tumba de Boltzmann en el
Zenmtralfriedhof de Viena, quien se suicidó en 1906, profundamente deprimido por la poca
aceptación de sus teorías en el mundo académico de la época. El significado literal de la
ecuación es el siguiente: La cantidad de entropía de un sistema es proporcional al logaritmo
natural de su número de microestados posibles.
Uno de los aspectos más importantes que describe esta ecuación, es la posibilidad de dar
una definición absoluta al concepto de la entropía. En la descripción clásica de la
termodinámica, carece de sentido hablar del valor de la entropía de un sistema, siendo
relevantes sólo los cambios en la misma. En cambio, la teoría estadística, permite definir la
entropía absoluta de un sistema.
Entalpia.
29
La Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede
intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el
cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un
cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor
latente, en este caso el de vaporización.
En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación
corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpía
fue acuñado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemáticamente, la
entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el
volumen. H se mide en julios. H = U + pV Cuando un sistema pasa desde unas condiciones
iníciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpía ( Δ H). ΔH = Hf – Hi La entalpía
recibe diferentes denominaciones según el proceso, así: Entalpía de reacción, entalpía de
formación, entalpía de combustión, entalpía de disolución, entalpía de enlace, etc. siendo
las más importantes.
Clases de Entalpia.
Entalpia de Reacción:
Es el calor absorbido o desprendido durante una reacción química, a presión constante.
Entalpía de formación:
Es el calor necesario para formar un mol de una sustancia, a presión constante y a partir de
los elementos que la constituyen.
Entalpía de Combustión:
Es el calor liberado, a presión constante, cuando se quema una mol de sustancia.
Entalpía Estándar
Se calcula restando las entalpías estándares de formación de los reactivos de las entalpías
estándares de formación de los productos.
30
CAPITULO IV
REFERENCIAS METODOLÓGICAS
Tipo de Investigación:
La presente es una investigación enmarcada en la investigación acción participativa
(IAP), La meta última de la investigación-acción participativa (IAP en adelante)
es conocer para transformar; siempre se actúa en dirección a un fin o un “para
qué”, pero esta acción no se hace “desde arriba” sino desde y con la base
social.
Dentro de este proceso secuencial “conocer-actuar-transformar”, la
investigación es tan sólo una parte de la “acción transformadora global”, pero
hay que tener en cuenta que se trata ya de una forma de intervención, al
sensibilizar a la población sobre sus propios problemas, profundizar en el
análisis de su propia situación u organizar y movilizar a los participantes.
Desde la óptica de la IAP, la población es el agente principal de cualquier
transformación social y de su activa colaboración dependerá el cambio efectivo
de la situación que vive.
Esta postura rechaza pues el asistencialismo que impera en la mayor
parte de los programas gestionados “desde arriba” por un Estado benefactor,
una institución social o un equipo técnico de profesionales. Por tanto, el objeto
de estudio o problema a investigar parte del interés de la propia población,
colectivo o grupo de personas y no del mero interés personal del investigador.
En consecuencia, se partirá de la propia experiencia de los participantes,
de las necesidades o problemas vividos o sentidos.
Con esta metodología se trata de explicar, es decir, de entender más y
mejor la realidad, de aplicar, o sea de investigar para mejorar la acción y de
implicar, esto es, de utilizar la investigación como medio de movilización social.
31
Diseño de la Investigación
El diseño de investigación es mixto (de campo y documental) Es de tipo documental,
por cuanto se revisaron algunos estudios sobre utilización de energía producida por turbinas
movidas a vapor y material documental bibliográfico y hemerográfico y es de campo por
cuanto se hizo la investigación in situ, donde ocurren los acontecimientos.
Cobertura Poblacional
La población objeto se trata de la comunidad integrante del alumnado del Instituto
Universitario de Tecnología José Antonio Anzoátegui, los cuales serán los beneficiados en
la ejecución del proyecto sobre dotación de un equipo didáctico para un futuro laboratorio
de termo dinámica.
32
CAPITULO V
CÁLCULOS
Una planta de potencia de vapor opera en un ciclo rankine ideal regenerativo. El vapor
entra a la turbina a 6Mpa y 450°C. Se condensa en el condensador A 20kpa se extrae vapor
de la turbina a 0.4Mpa para calentar el agua de alimentación de un calentador abierto. El
agua sale del calentador como un líquido saturado.
Realice el diagrama de la planta
Muestre en ciclo en un diagrama TS
Determine la salida neta de trabajo por Kg de vapor que pase a través de la caldera
Determine la eficiencia térmica del ciclo
Determine la fracción de vapor extraída de la turbina asía el intercambiador de
calor.
Resultados
Se realizo primeramente el cálculo de entalpias y entropías para cada una de los estados
obteniendo el conocimiento de las reacciones químicas de los fluidos, como también el
cambio de temperatura y faces por los cuales sufre alteraciones el fluido durante el siclo.
33
Estado 1
WBonba= V(P2 – P1)
Vf = 0,001017
hf1= 251,40
Balance De Energía Bomba 1
WBonba1= 0,001017 m3\kg (400 – 20 ) Kpa
WBonba1= 0,3864 kj\kg
h1 + WBonba1 = h2
252,40 + 0,3864 = h2
h2= 251,786
Estado 3
P3 = 0,4 MPA
Vf = 0,001084 m3\kg
h3= hf= 604.74 kj\ kg
WBonba2 = V( P4 -P 3)
WBonba2 = 0,001084 (6000 - 400)
WBonba2 = 6,0704
Estado 4
P4 = 6 MPA
S4 = S3
34
WBonba2 = 0,001084 m3\kg [(6000 – 400)]
WBonba2 = 6,0704 kj\kg
h4= h3 + WBonba2
h4= (604,74 + 6,0704)
h4= 610,81 kj\kg
Estado 5
P5 = 6 MPA
T5 = 450 °C
@ 6 MPA LaTsaT = 275.64 °C
T > TsaT @ Pdada V.J
450 °C 275,64 °C Agua Sobrecalentada
T > TsarT @ Pdada L.C
h5= 3.301,8
S5= 6.719,3
Estado 6
P6= 0,4 MPA
Proceso Isotrópico
S5=S6= 6,7193
S > Sg @ Pdada V.S
Vapor Sobrecalentado
S> Sf @ Pdada L.C
SF = 3,0267
Sg= 5,8892
35
Sfg= 2,8625
P= 0,4 MPA y entropía se busca ( 6,7193 )
S H
6,7193 X
6,8050 2.738,6
6,9299 2.752,8
X2 – X1 = X2 – Y2 =
Y1 - Y2 Y - Y1
6,7193 – 6,9299 =___X – 2752,8_____ = h6 = 2.715,37
6,8052 – 6,9299 = 2.738,6 – 2.752,8
Estado 7
P7 = 20 KPA
S5= S7 = 6,7193
S > Sg @ Pdada V.S
Mescla
S > SF @ Pdada L.C
SF = 0, 8320
SG = 7, 9055
Sfg=7, 0766
h7= hf + hfg
X= S- SF
X(hfg)
36
X= 6, 7193 – 0, 8320
7,0766
X= 0, 83
hf = 251, 40
hfg = 2.358, 3
h7 = [251, 40 + (0, 83) (2.358, 3)]
h7 = 2.208, 789
Vapor Extraído De la Turbina
Entra = Sale
Yh6 + h2 (1- Y) = h3 (1)
Yh6 + h2 – h2Y = h3
Yh6 – Yh2 = h2 – h3
Y= h3 – h2
h6 – h2
Y= 604,74 – 251 ,7864
2715,37 – 251,7864
Y= 0,143
37
Eficiencia térmica de ciclo
Tc = 1- Qsale Qentra
Qent = hsale – hentra
Qent = h5 - h4
Qent = (3.301,8 – 610, 81 )
Qent = 2.690,99 Kj\Kg
Balance Del Condensador
Qsale = ( 1- Y ) ( h7 – h1 ) = 0
Qsale =(1 - 0,143 )(1.949,076 – 251,40 )
Qsale = (0,857 x 1.697,676 )
Qsale = 1.454,908
Tc = 1- Qsale Qentra
Tc = 1- 1.454,908 2690,99
Tc = 0,54 = 54 %
Salida Neta del Trabajo Por Kg De Vapor Atreves De la Caldera
WNeta= entra - sale
38
WNeta= 2.690,99 – 1.454,908
WNeta= 1.236,082
CAPITULO VI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
Se realizó un diagnóstico en las instalaciones de mecánica (áreas de talleres
y laboratorios) del Instituto Universitario de Tecnología José Antonio
Anzoátegui, sede El Tigre, y se pudo detectar que en muchos de ellos
existen carencias en cuando a los equipos necesarios para llevar a la práctica
conocimientos básicos de la especialidad.
Del diagnóstico realizado, se pudo observar que necesitan poseer los
conocimientos básicos del Ciclo Rankine, para mejorar la formación
profesional en el PNF de mecánica; razón por la cual se propuso el diseño de
un dispositivo generador de trabajo basado en el Ciclo Rankine, que a su vez
funciona como un modelo didáctico contribuir con el Programa Nacional de
Formación de Mecánica en la promoción de este conocimiento.
El estudio permitió ahondar en el conocimiento del Ciclo Rankine, y de un
prototipo generador de energía eléctrica a base de vapor el cual es utilizado
en las centrales termoeléctricas.
RECOMENDACIONES
Emplear el dispositivo para que sirva como prototipo didáctico para
demostrar a los futuros ingenieros el funcionamiento de una central termo
eléctrica basada en el Ciclo Rakine para generar energía eléctrica por medio
de vapor.
Se recomienda la creación de un Laboratorio de Termodinámica y Fluidos,
ya que el instituto no cuenta con dicho laboratorio, que es necesario ya que
estamos en proceso de evolución de universidad técnica a universidad
politécnica y las nuevas carreras requieren de este laboratorio para mejorar
39
las condiciones de formación del futuro ingeniero mecánico del PNF de
mecánica.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS
Sánchez-Junco F., L (2012) Aplicación del Ciclo Orgánico de Rankine para el Aprovechamiento de Calor Residual en una Refinería. Departamento de Ingeniería Química y Combustibles.Universidad Politécnica de Madrid.
Energia generador por vapor : Disponible en:
http://html.rincondelvago.com/energia .hidraulica.html
http://www.ilustrado.com/tema/4482/desarrollo-historico-generadores-vapor-centrales-
nucleares.html
http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_vapor
http://energiaadebate.com/articulos/marzo2008/Sarmientomarzo2008.Htm
http://www.lenntech.es/faq-energia-agua.htm#ixzz1RXPXVQqt
40
41
42
Prototipo del Ciclo Rankine.
6Mpa
450°C
0,4 Mpa
7)20Kpa
2)0,4Mpa
4) 6Mpa
3)0,4Mpa
1)20Kpa
43
Proceso del Ciclo Rankine.
44
Ciclo Rankine Regenerativo.
45
Diagrama T-S
46
Diagrama P-V
47
Agua Saturada A.4
48
Continuación de Agua Saturada.
49
Agua Saturada A-5
50
Continuación Agua Saturada
55
51
Agua Sobrecalentada A-6
52
Continuación de Agua Sobrecalentada
53
Continuación Agua Sobrecalentada
54
Continuación Agua Sobrecalentada
55
Agua Liquida Comprimida A.7
56