DISEÑO DE SISTEMA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA UTILIZANDO UNA TURBINA DE VAPOR

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1 DISEÑO DE SISTEMA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA UTILIZANDO UNA TURBINA DE VAPOR Botello Ocampo Pedro Manuel Botello Ocampo Pedro Manuel, Guzmán Godínez Omar, Ramírez López Elihú, Rodríguez Rodríguez Eddy, Ruelas Elizalde José Ignacio Universidad de Guadalajara, CUCEI, Departamento de Ing. Mecánica Eléctrica Av. Revolución 1500 Puerta 10, CP 44430, Guadalajara, Jalisco, México. Tel. (33) extensiones y krellion@hotmail.com, canek29@hotmail.com, elihur17@hotmail.com, eddyhegel79@hotmail.com, jir.elizalde@gmail.com RESUMEN DEL PROYECTO Sistema de generación de electricidad a base de vapor expedido por una caldera, para este proyecto se inició con la toma de medidas para establecer una altura para la base de la turbina y el generador, posteriormente y de acuerdo a la altura de referencia se instaló la tubería que conectaría la caldera con la turbina, se inició con una tubería de 1 ¼ de pulgada, ya que la salida de la caldera así lo requería, posteriormente se incluyó una reducción campana de 1 ¼ a 1 pulgada, una tuerca unión para poder dar un mantenimiento a futuro al equipo, una válvula de esfera y un manómetro antes de la entrada al turbo. Obtenida la referencia en la base para la turbina con una altura de 1.82m se procedió a su construcción, esta base consta de una plancha rectangular de 2mm de grosor, descansado sobre una base rectangular hecha de PTR de 2 pulgadas por lado, esta base se une a 4 patas del mismo material, en la base de las patas se colocaron pequeñas placas de 10cm por lado para hacer un anclaje de la mesa para evitar vibración. Se realizó una serie de pruebas para la obtención de las revoluciones de la turbina y se calculó la potencia que esta desarrolla, con estos datos se hizo la compra de un generador de automóvil, con este dispositivo se obtendrá el voltaje y corriente para alimentar un banco de baterías, se procedió a realizar los cálculos de las poleas y la banda para acoplar el generador a el turbo. ANTECEDENTES. En la mayoría de los países los recursos tecnológicos hidráulicos están a un nivel alto de desarrollo por lo tanto se recurre cada vez más a la generación por medio del calor, utilizando tres fuentes principales de combustión como los son el carbón, el gas y la reacción nuclear, de los cuales el gas es el menos contaminante, las turbinas de vapor tienen una eficiencia de alrededor de 64% este parámetro es determinado por la temperatura de entrada y la de salida, y por los materiales utilizados en la construcción de los ductos y la misma turbina. La estructura básica y los componentes principales de una planta de generación térmica son mencionados a continuación: Derechos reservados 2010, U de G 1

2 Caldera: esta actúa como horno, transfiriendo calor del combustible que se quema a tubos contenedores de agua que rodean las llamas, una bomba mantiene el flujo del agua. Turbina: esta puede ser de alta, mediana o baja presión generalmente se colocan escalonadas, estas convierten la energía térmica en energía mecánica. Condensador: hace que el vapor se condense dejando que fluya a través de tubos de enfriamiento. Generador: directamente acoplado a las turbinas, convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Fig. 4 En este proyecto se emplea el vapor para hacer un equipo ilustrativo de generación de energía eléctrica partiendo del vapor generado por una caldera de gas, este equipo simula a pequeña escala a una planta térmica de vapor. DESARROLLO El desarrollo de este proyecto empezó con un turbo diésel que llamaremos turbina de trabajo, se le hizo un mantenimiento mediante una limpieza de sus componentes haciendo un desarme del mismo. Derechos reservados 2010, U de G 2

3 Fig. 5 Para el desarrollo de este equipo se estableció una altura de referencia a la cual se instaló la turbina con la intención ponerlo lo más horizontal a la salida del vapor de la caldera, se incluyeron tubería de 1 ¼ de pulgada y 1 pulgada para así aumentar la velocidad del vapor como se muestra en la figura No 6. Fig. 6 Se dio paso al diseño de la mesa, con materiales de PTR de 2 pulgadas de lado y una plancha de 2.66mm de grosor se realizaron los cálculos para la mesa, la resistencia de la mesa estableciendo el peso de turbo y el del generador, como se aprecia en la figura No 7. Derechos reservados 2010, U de G 3

4 Fig. 7 Posteriormente se acoplo la turbina a la caldera por medio de la tubería y anclándola a la mesa para evitar vibraciones se incluyeron un collarín en la entrada de la turbina así como un ancla en uno de sus lados para ajustar la altura de la turbia y dejarla horizontal. Fig. 8 Derechos reservados 2010, U de G 4

5 Fig. 8 Con el equipo ajustado se hizo la compra de un alternador para hacer la función de la generación, con el objeto de lograr una transmisión 1 a 1 se utilizan poleas del mismo tamaño tanto en la turbina como en el generador, con el objeto de hacer un ajuste de revoluciones en la turbina y que este sea directamente proporcional en el alternador para llegar a un parámetro de revoluciones con la corriente y el voltaje. Derechos reservados 2010, U de G 5

6 Fig. 9 Con el ajuste se procede a realizar una serie de pruebas para lograr las revoluciones necesarias para la generación y establecer un rango de corriente y voltaje para poder hacer el cálculo de un banco de baterías. Este banco tiene por objetivo el almacenamiento de la energía generada en los procesos anteriormente mencionados, esto evita estar variando la velocidad para ajustar la frecuencia a 60Hz y la energía producida se aproveche en su totalidad. Por último se instalara un panel de cargas para utilizar la energía obtenida y comprobar el proceso. Cálculos. Para determinar las características de la tubería a utilizar se parte de los datos de la caldera que son los siguientes: Potencia = 9Hp Se sabe que 1Hp de caldera es igual a 15.65Kg/hr de vapor entonces: 9 X = 140Kg/hr de vapor. Se procede a determinar la velocidad del vapor con u orificio de salida de 1.25 pulgadas y un volumen especifico de para una presión de 2.1Kg/ de las tablas de vapor saturado. ( )( ) ( ) ( ) Con los datos obtenidos de velocidad y una temperatura de 130*C se procede a utilizar el método grafico de Crane para determinar la tubería a utilizar. Derechos reservados 2010, U de G 6

7 Derechos reservados 2010, U de G 7

8 Se aprecia que el resultado fue 40mm para una tubería de 1.25 pulgadas, para nuestro propósito se implementara una tubería de 1pulgada cedula 40 por la limitación de la entrada a la turbina. Ahora se calcula nuevamente la velocidad con la nueva área del tubo de 1pulgada ( ) ( ) Ya con la tubería determinada se hace un análisis de la presión que puede soportar el tubo, de la siguiente manera. Tubo cedula 40 de 1Pulg. Su = Las dimensiones reales son: Diámetro interno real = pulgada Diámetro externo real =1.315 pulgada Espesor = pulgada Se determina si es tubo de pared delgada o gruesa. Dm = Diámetro medio. Dm =1.182 pulgada Se obtiene la relación de Dm/t La relación de Dm/t <20 se considera de pared gruesa. La presión de ruptura se calcula como sigue: ( ) Dónde: Derechos reservados 2010, U de G 8

9 b = radio interno a = radio externo Despejando P ( ) ( ) P = Utilizando un factor de diseño de 6. El diseño es satisfactorio. Se realizan los cálculos para determinar la capacidad de la mesa de trabajo propuesta mediante un estudio de columnas, dicho estudio se llevara a cabo individualmente en las patas de la mesa. Fig. 10 Con los siguientes datos: Acero ASTM Área = 5.16 Espesor = cm Momento de inercia I = Módulo de sección S = 7.65 Derechos reservados 2010, U de G 9

10 Radio de giro r = 1.94cm Módulo de elasticidad E = 207GPa Resistencia a la cadencia sy = MPa Como la columna estará fija por ambos extremos se toma un factor de fijación K = 0.65 Se calcula la longitud efectiva: ( )( ) La razón de esbeltez es: Con el módulo de elasticidad y la resistencia a la cedencia se calcula la constante de la columna: ( ) Se compara la constante de la columna Cc con la razón de esbeltez SR para obtener si es una columna corta o larga. Por lo tanto la columna es corta y se utiliza la formula de J.B. Johnson para la carga de pandeo critica. ( ) [ ( ) ] Derechos reservados 2010, U de G 10

11 ( )( ) ( )( ) [ ( ] Utilizando un factor de diseño N de 3 que es el recomendado se calcula la carga segura permisible. Esta es la carga que puede soportar una de las patas de la mesa si se combina con las otras 3 patas se obtiene KN que es lo máximo que nuestra mesa puede soportar. Con el propósito de extender el análisis de la mesa se calculara el esfuerzo máximo y la deflexión máxima en las patas tomando en cuenta la excentricidad de las cargas de la turbina y el generador. A continuación se presentan las fórmulas que se utilizan para este propósito: Esfuerzo máximo. [ ( )] Deflexión máxima. [ ( ) ] En donde: c = distancia del eje neutro de la sección transversal respecto de la cual sucede la flexión. e = excentricidad. Cargas en la mesa. Derechos reservados 2010, U de G 11

12 Se analiza la pata a con una excentricidad de m Se emplea una carga de 49N los cuales pertenecen a la turbina. Se calcula el esfuerzo máximo [ ( )( ( ( ) ( )( ) )] La deflexión máxima es: [ ( ( ) ( )( ) ) ] El esfuerzo de 2.14Mpa está muy por debajo del esfuerzo a la cedencia del acero utilizado que para nuestro caso es de MPa, con nuestro resultado hay una deflexión de. Se observa que es innecesario proseguir con el análisis de las demás patas debido a que el esfuerzo máximo resultante y la deflexión no representan peligro alguno para el diseño y se espera resultados parecidos en las demás patas. Derechos reservados 2010, U de G 12

13 Como siguiente análisis se realizó una prueba para obtener los siguientes datos en la turbina: RPM Turbo = Se calculó la potencia y el torque máximos con el dato de 20000RPM de la siguiente manera: Se obtiene la velocidad periférica VB como se muestra en la figura 11. VB= N=RPM D=Diámetro del rodete. Se procede a calcular la potencia con: Fig. 11 f = factor de potencia absorbida considerado como 1.04 s = deslizamiento en nuestro caso 1 u = velocidad periférica g = gravedad Para calcular el torque se procede como sigue: Derechos reservados 2010, U de G 13

14 r = radio del rodete Se utilizaran dos poleas del mismo diámetro para tener una relación 1 a 1 de la velocidad, se opta por un diámetro exterior de 2.75cm y con diámetro interno de 1.466cm tipo 3V, con estos datos solo queda calcular la longitud de la banda de la siguiente manera. Se utiliza la siguiente ecuación para encontrar la longitud de la banda: ( ) ( ) Dónde: C = distancia entre centros D1, D2 = diámetro de las poleas. Como se aprecia en la figura 12. Fig.12 Se propone una distancia entre centros de 47cm. Se elimina el último término debido a que las poleas son iguales. ( ) ( ) ( ) Como no hay bandas con la medida de en 3V se procede a tomar la medida más cerca que es de 45cm. Derechos reservados 2010, U de G 14

15 Ahora se calcula la distancia entre cetros real de la siguiente manera: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Ahora procederemos a calcular nuestra batería que utilizaremos en el generador eléctrico. Primero necesitamos determinar las cargas: Ciclo de Cantidad Descripción Potencia Ciclo de uso uso Pot. de Tipo Volt Ih W diario (hr7dia) semanal carga (día/sem) 6 lámparas 21 w CD Potencia de carga = (potencia por unidad) (cantidad) Potencia de carga = (21) (6)= 126 w Ahora procedemos a encontrar la corriente horaria de la carga (A*hr/día) Ih= (Pc*ciclo diario*(ciclo semana/7))/ (ncp*vs) Dónde: Pc: potencia de la carga (W) ncp: eficiencia de conversión de potencia, que para nuestro caso es 1, debido a que no necesitamos convertir de CD a CA. Vs: voltaje del sistema. En nuestro caso, nosotros elegimos 12v. Sustituyendo en la ecuación tenemos: Derechos reservados 2010, U de G 15

16 Ih = ( 126*3*(5/7))/(1*12)= 22.5 (A*hr/día) Procedemos a calcular la corriente horaria corregida, utilizando las eficiencias tanto de los cables como de las baterías. Ihc= (Ih)/ (nw*nb) Dónde: Ihc: corriente de carga corregida (A*hr/día) nw: eficiencia de los cables, 0.98 (constante para fines prácticos) nb: eficiencia de las baterías, 0.9 (tabla base de datos) Ihc= (7.5)/ (0.98*0.9) = 8.5 A. Seleccionamos el modelo e la batería y determinamos que será: Clorid (Real Goods), modelo 75N05 acido de arranque. Para la cual los días de almacenamiento son: 1 da = 1 Procedemos ahora a determinar la capacidad del banco de baterías Cb = (Ihc*da)/(Pd max*ftb) Dónde: Pd max = profundidad de descarga máxima, (en nuestro caso será:.25) Ftb = factor de temperatura, (en nuestro caso es de:.9) Sustituyendo: Cb = (8.5*1)/(.25*0.9)= A*hr Calculo de baterías en paralelo: Bp = (Cb)/(Cbs) Dónde: Cbs= capacidad de la batería seleccionada, (en nuestro caso: 240) Bp = 37.77/240 = 0.15 por lo que tomaremos como 0. Calculo de baterías en serie: Bs = Vs/ Vn, Donde Vn= voltaje nominal de la batería Bs = 12/12 = 1 Por lo tanto utilizaremos solo una batería. CONCLUSIONES. Derechos reservados 2010, U de G 16

17 El desarrollo de este proyecto llevo un ritmo lento en un principio esto debido a la poca experiencia en el manejo de algunas de la herramienta utilizadas, pero esto se corrigió y actualmente se aceleró hasta llegar a un ritmo óptimo tanto en el diseño y elaboración del sistema, así como en la metodología. El equipo está recibiendo actualizaciones para un óptimo desempeño y mejor aprovechamiento de la energía entregada por el vapor, para así entregar un producto final de alta calidad, seguro y de un desempeño alto. El beneficio que se entregara con este proyecto es para los estudiantes en general y particularmente los que se encuentran en el área de la termodinámica ya que no se cuenta con un equipo de estas características en el laboratorio, inclusive se pueden planear prácticas para llevarlas a cabo en el equipo o tan solo para hacer ilustrativo lo ya visto en teoría en las materias relacionadas. La aplicación de este equipo está en ser tanto ilustrativo como practico para los estudiantes de las materias relacionadas. Las ventajas se pueden enumerar como sigue: 1. Un equipo ilustrativo de alta calidad. 2. Fácil y seguro en su manejo. 3. Se aprovechan recursos del laboratorio en este caso la caldera para hacer un equipo nuevo. 4. Clara visualización del proceso desarrollado. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. A. Avallone Eugene, Baumeister Theodore. Manual del Ingeniero Mecánico. Novena Edición. Tomo I. Editorial Mc Graw Hill. A.Cengel Yunus, A. Boles Michael. Termodinámica Mc Graw Hill. Quinta edición Catalogo Caosa 2009 Fires Virgil Moring. Diseño de Elementos de Maquinas. Editorial Limusa. Jensen. Dibujo y Diseño en Ingeniería. Editorial Mc Graw Hill. L. Irving Kosow, Maquinas eléctricas y transformadores Pearson, Prentice Hall Segunda edición Derechos reservados 2010, U de G 17

18 L. Robert Mott, Diseño de elementos de máquinas Pearson, Prentice Hall, Cuarta edición L. Robert Mott, Resistencia de materiales aplicada Pearson, Prentice Hall, Tercera edición R. L. Hibbler. Mecánica de Materiales. Sexta Edición. Editorial Pearson. Severns W.H., Degler H.E., Miles J.C. energía mediante vapor, aire o gas Reverte, S.A. Quinta edición. Wildi Theodore. Maquinas eléctricas y sistemas de potencia Person, Prentice Hall. Sexta edición TITULO. Diseño de sistema de generación eléctrica utilizando una turbina de vapor para el laboratorio de mecánica con ubicación en Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. FUNCIÓN. La función de este proyecto es aprovechar la salida del vapor proporcionado por la caldera para hacer girar una turbina y con esta mover un generador para así obtener energía eléctrica, así como hacer ilustrativo el proceso de conversión de la energía de mecánica a eléctrica. CAMPO DE APLICACIÓN. El campo de aplicación de este proyecto va desde la simple visualización del proceso de conversión de energía, el análisis por separado de las piezas que conforman la máquina, en general llevar la teoría a la práctica de las diversas materias que requieran un análisis simple y practico de todo el sistema de generación. CATEGORÍA EN LA QUE PARTICIPA. Proyecto de laboratorio (nuevo). OBJETIVO GENERAL. Derechos reservados 2010, U de G 18

19 Diseño, calculo y construcción de un sistema de generación de energía eléctrica haciendo uso del vapor de salida de una caldera, esto se lograra utilizando un turbo diésel operando como turbina, esta estará conectada a la caldera por medio de una tubería de 1pulgada, dicha turbina actuara como elemento de impulsión mecánica para conectarla mediante una transmisión de poleas a un alternador considerado como el elemento generador de energía eléctrica y posteriormente a un banco de baterías, para su uso final en alguna aplicación sobre cargas, además con el objetivo de establecer un equipo ilustrativo. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Este equipo su composición principal es de 5 elementos: la tubería de conexión entre la caldera y la turbina, la turbina, el sistema de transmisión, el generador y el banco de baterías. 1. Diseño cálculo y construcción de la tubería de conexión, en base a la presión de la caldera. 2. Prueba del giro de la turbina. 3. Diseño cálculo y construcción de la transmisión. 4. Prueba de acoplamiento entre turbina y generador. 5. Diseño cálculo y montaje del banco de baterías. 6. Prueba final. Tubería de conexión. La conducción del vapor se lograra con una tubería, la cual soporte la presión de salida de la caldera, lo cual se logra con una tubería de 1pulgada de acero cedula 40, esta tubería transportara un flujo de 140Kg/hr de vapor, se colocaron un manómetro a la entrada de la turbina y dos válvulas para poder regular la salida del vapor. Transmisión de potencia. Para la transmisión se consideraron dos opciones la cuales fueron transmisión por bandas en V y transmisión por bandas planas, resultando una mejor opción la segunda por ser más ligera y con un mejor rendimiento. Banco de baterías. Derechos reservados 2010, U de G 19

20 Este se calculó con respecto a la salida de voltaje y corriente del generador, obtenidas del manual de fabricante y reiteradas en las pruebas hechas. JUSTIFICACIÓN. La justificación para este proyecto se basa en, primero aprovechar el vapor existente da la caldera y que nos es utilizado, segundo con la falta de equipos ilustrativos en el área de transformación de la energía específicamente (calor, mecánica y eléctrica) se realiza este equipo. Las ventajas al utilizar el equipo son la reiteración de los conocimientos adquiridos, ilustración de las partes del sistema y su funcionamiento tanto en conjunto como particular, un equipo claro y eficiente, la posibilidad de desarrollar un manual para en un futuro llevar a cabo prácticas en el mismo. El equipo desde sus primero bosquejos ha recibido mejoras constantes basados en cálculos realizados o en la experiencia de algunos de los integrantes, estas mejoras han contribuido en gran medida para que el prototipo tenga calidad sea funcional, las mejoras por experiencia se han dado en los procesos de armado, como ejemplo de esto es en la soldadura de la mesa de trabajo, en donde se tuvo que hacer un soldado especial en la plancha para lograr un terminado firme y plano. Los beneficios que se obtienen de este proyecto son variados en específico se puede mencionar que se está utilizando la energía poseída por la caldera y que este prototipo se basa en el método de generación en base a vapor de agua más prácticos de entre los existentes. FOTOS DEL PROYECTO Derechos reservados 2010, U de G 20

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22 Derechos reservados 2010, U de G 22

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