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EVALUACIÒN DE POTENCIAL ENERGÉTICO DE UN SISTEMA CICLO
RANKINE CON UN CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COMO
FUENTE DE CALOR EN LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA
UNIVERSIDAD DISTRITAL
JHONATAN PÉREZ CÁRDENAS
YEIDER ROLANDO PARRAGÁ IBAÑEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2015
2
EVALUACIÒN DE POTENCIAL ENERGÉTICO DE UN SISTEMA CICLO
RANKINE CON UN CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COMO
FUENTE DE CALOR EN LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA
UNIVERSIDAD DISTRITAL
JHONATAN PÉREZ CÁRDENAS
YEIDER ROLANDO PARRAGÁ IBAÑEZ
MONOGRAFÍA DE TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
TECNÓLOGO MECÁNICO
DIRECTOR
ING. CAMILO ANDRES ARIAS HENAO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2015
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TABLA DE CONTENIDO
Pág.
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................... 5
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................. 6
NOMENCLATURA .................................................................................................................... 7
RESUMEN................................................................................................................................... 9
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 10
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................... 11
3. JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................. 12
4. OBJETIVOS ...................................................................................................................... 13
4.1. OBJETIVO GENERAL .................................................................................................... 13
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... 13
5. METODOLOGÍA .............................................................................................................. 14
CAPITULO I: APROVECHAMIENTO DE ENERGIA MEDIANTE CAPTADORES
SOLARES DE PLATO PARABOLICO ................................................................................ 15
1. DESARROLLO HISTORICO ............................................................................................. 15
2. DESARROLLOS ACTUALES ........................................................................................... 17
3. ENTORNO LOCAL ............................................................................................................. 20
CAPÍTULO II. INSTALACIONES DE PRODUCCIÓN DE POTENCIA MEDIANTE
VAPOR ...................................................................................................................................... 22
1. DISPOSITIVOS BÁSICOS ................................................................................................. 22
2 CICLO RANKINE ................................................................................................................. 23
2.1 Funcionamiento y comportamiento de fluido de trabajo ..................................... 23
2.2. Ciclo Rankine ideal ........................................................................................................ 23
2.3 Ciclo Rankine Real .......................................................................................................... 24
2.4. Parámetros de rendimiento ......................................................................................... 25
6. DESARROLLO ................................................................................................................. 26
6.1. DEFINICIÒN DEL SISTEMA TERMODINÁMICO ...................................................... 26
6.2. IDENTIFICACION DE PROPIEDADES Y VARIABLES ............................................ 27
6.3. ANALISIS ENERGÉTICO.............................................................................................. 29
6.4. MONTAJE Y PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA: .................................................... 31
6.4.1 Bomba y Tanque Hidroneumático ........................................................................... 32
6.4.2 Turbina de vapor y generador ................................................................................. 33
6.4.3 CSPP .......................................................................................................................... 34
6.4.4 Caldera ...................................................................................................................... 34
4
6.4.5 Instrumentos de medición y CCE ...................................................................... 35
6.4.6 Tubería y accesorios del circuito de flujo ....................................................... 37
7. RESULTADOS ................................................................................................................. 39
8. ANÀLISIS DE RESULTADOS .......................................................................................... 42
8. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 46
10. RECOMENDACIONES .................................................................................................... 47
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 48
ANEXOS .................................................................................................................................... 50
5
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Primer modelo de máquina motor solar de Mouchot en la ciudad de Tours, Francia. .................................................................................................. 15 Figura 2 Generador solar para una imprenta de periódico en Jardín de las Tullerias de París, 1880. ................................................................................... 16 Figura 3: Generador solar Boeing SES proyecto DECC ................................... 18 Figura 4 Discos de conversión de energía solar con microturbinas en Albuquerque...................................................................................................... 19 Figura 5 Concentrador de plato parabólico (CSPP) ubicado en la Facultad Tecnológica UDFJC .......................................................................................... 21 Figura 6 Esquema de un ciclo Rankine simple ................................................. 23 Figura 7 Diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal. ............................................ 24 Figura 8 Diagrama T-s comparativo entre ciclo Rankine real e ideal ................ 24 Figura 9 Esquema termodinámico del sistema. ................................................ 27 Figura 10 Montaje final del sistema ciclo Rankine ........................................... 32 Figura 11 Antes y después de la turbina ........................................................... 33 Figura 12 Soporte rígido del absorbedor .......................................................... 34 Figura 13 Caldera sin aislamiento y con aislamiento ........................................ 35 Figura 14 Plano general del montaje. ............................................................... 36 Figura 15 Panel del centro de control eléctrico. . .............................................. 37
6
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Medidores y/o lectores de temperatura y presión según el estado del agua. . 28
Tabla 2 Propiedades medidas con instrumentos externos al montaje ........................... 28
Tabla 3 Condiciones ambientales de Bogotá, Colombia ................................................... 29
Tabla 4. Voltaje y amperaje de alimentación eléctrica de cada dispositivo ................... 29
Tabla 5 Tipos de tubería en el montaje ................................................................................ 38
Tabla 6 Datos obtenidos pruebas de generación de electricidad con vapor .................. 39
Tabla 7 Datos calculados pruebas de generación de electricidad con vapor ............... 40
Tabla 8 Datos obtenidos de post prueba de generación de electricidad con vapor.... 41
Tabla 9 Datos calculados de post prueba de generación de electricidad con vapor .. 41
7
NOMENCLATURA
A Área transversal del concentrador, m2
AC Área de concentración corregida del concentrador solar, m2
ACT Área de salida de aire en torre de enfriamiento, m2
C Caudal, L/min (m3/s)
G Tasa de reflectividad, m2
h Entalpía, kJ/kg
I Corriente eléctrica, A
ṁ Flujo másico, kg/s
Pelec Potencia eléctrica, W
Q Calor, W
R Radiación solar global, W/ m2
RH Humedad relativa, %
Rt Relación tiempos de funcionamiento
T Temperatura, °C
t Tiempo, s (min)
V Voltaje, V
v Velocidad, m/s
𝑣 Volumen específico, kg/m3
W Trabajo, W (HP)
ɳ Eficiencia, %
ρ Densidad, m3/kg
Subíndices
1 Agua antes del concentrador solar (Estado 1)
2 Agua entre concentrador solar y caldera (Estado 2)
3 Agua de caldera hasta entrada turbina (Estado 3)
4 Agua entre turbina y torre de enfriamiento (Estado 4)
5 Agua entre torre de enfriamiento y bomba (Estado 5)
aire Aire
8
amb Condiciones ambientales de Bogotá
B Bomba
C Caldera
CSPP Concentrador solar de plato parabólico
CT Torre de enfriamiento
TV Turbina de vapor
Constantes
CP Calor específico del agua, 4,1813 J/(g °C)
Abreviaturas
CCE Centro de control eléctrico
CSPP Concentrador solar de plato parabólico
CT Torre de enfriamiento
FE Elemento de caudal
FI Indicador de caudal
HB Interruptor manual
HV Válvula manual
LG Visor de nivel
PI Indicador de presión
PSV Válvula de seguridad
TE Elemento de temperatura
TI Indicador de temperatura
TIC Control indicador de temperatura
TT Transmisor de temperatura
UI Indicador multivariable
UR Registro multivariable
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RESUMEN
En el presente trabajo se evidencia la construcción y análisis de un montaje de
generación de electricidad a partir del ciclo Rankine, teniendo en cuenta un
concentrador solar de plato parabólico (CSPP) ubicado en la Facultad
Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, el cual
aporta el calor que puede extraer de la radiación solar, para contribuir en la
vaporización del fluido de trabajo.
Para ello se estableció un sistema termodinámico conformado principalmente
por una bomba, el concentrador solar de plato parabólico, una caldera eléctrica
(la cual emplea una resistencia eléctrica sumergible), una turbina, y una torre
de enfriamiento, todos ellos configurados con elementos de medición y control
como lo son manómetros, termocuplas, caudalímetro, piranómetro y
controlador de temperatura; que permiten conocer el trabajo y calor que se
extrae o aporta al agua circulante considerando el principio de conservación de
energía o Primera Ley de la Termodinámica.
A partir de pruebas de funcionamiento del ciclo, se determinó que las
condiciones mínimas para la generación de electricidad es la obtención de
vapor saturado a 35 psi y 135°C, pero como la eficiencia térmica es de 0,01% y
relación de trabajos entre la bomba y la turbina corresponde a 93,52%, por lo
que se considera un ciclo inútil pero que con los ajustes necesarios es posible
mejorar.
10
1. INTRODUCCIÓN
Los combustibles fósiles son la principal fuente de energía actualmente, pero
su uso ha causado daños al medio ambiente a escala global y el decrecimiento
gradual en sus reservas sumado a la cada vez mayor demanda energética, ello
ha desembocado en un panorama que impulsa el avance en la producción de
energía sostenible y limpia, procedente de recursos renovables a partir del
desarrollo y empleo de diferentes dispositivos o aparatos capaces de captarla,
transformarla o almacenarla de la manera más eficiente y confiable posible. En
medio de estos desarrollos se encuentra el concentrador solar, un elemento
cuya función es reflejar la radiación solar centralizándola en un punto(s)
focal(es), posibilitando su aprovechamiento al obtener calor. Sin embargo,
requiere de un conjunto de elementos que permita darle uso a esta energía ya
sea transformándola o consumiéndola.
Por ende, a continuación se expone la elaboración de un sistema de
producción de potencia empleando vapor a partir de un montaje de dispositivos
que permitan el calentamiento de agua por energía solar con un concentrador
solar de un plato parabólico instalado en la Facultad Tecnológica de la
Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Con el fin de observar y evaluar
su comportamiento en el medioambiente bogotano.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital existe un concentrador
solar de plato parabólico o disco solar, el cual fue diseñado y estudiado para
adaptarlo a un motor Stirling en el año 2010, pero ante la dificultad para
operarlo de manera manual, ante la ausencia de un sistema de seguimiento
automático de Sol, se mantuvo almacenado hasta que recientemente fue
restaurado y medido su potencial de concentración. No obstante, nunca ha sido
dispuesto a su fin original ni tampoco se evidencia que el calor captado fuese
de utilidad, por tanto, se proyecta implantarle un sistema de aprovechamiento
de calor para la conversión de potencia. En el presente trabajo se muestra su
construcción y puesta en funcionamiento, describiendo sus condiciones de
operación en la ciudad de Bogotá.
De acuerdo con procesos existentes de manejo de calor-trabajo en las
instalaciones de generación de potencia, se plantea como objeto estudiar, un
prototipo de planta simple de producción de energía por vapor cuyo análisis
termodinámico y configuración se identifica con un ciclo Rankine.
12
3. JUSTIFICACIÓN
La construcción de un dispositivo se realiza con el firme propósito de ser útil
para cierta función, pero algunos de los cuales son fruto de trabajos de grado
y/o proyectos investigativos, para este caso particular en la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, estando sin uso y sin nadie interesado en dárselo,
son almacenados a merced del deterioro y olvido.
Ante tal situación, sumado con el interés hacia el desarrollo de las energía
alternativas, se decidió continuar con el estudio para el aprovechamiento de
energía solar por medio del concentrador de plato parabólico, ya avanzado con
la colaboración mutua de otros compañeros de estudio, quienes adelantaron un
proyecto de restauración y medición del potencial del concentrador plato
parabólico.
Se espera que las conclusiones y recomendaciones de este trabajo puedan
aportar datos prácticos de referencia, para otros trabajos o estudios
concernientes a la generación de potencia por energía solar en condiciones
climáticas para Bogotá.
13
4. OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL
Evaluar el potencial energético de un sistema termodinámico para la
generación de energía eléctrica basado en un ciclo Rankine, utilizando un
concentrador solar de plato parabólico (solar dish) como fuente de calor,
situado en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas.
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar el sistema termodinámico, determinando cada una de las
partes que lo conforman.
Definir los parámetros de medición del funcionamiento del sistema.
Realizar el montaje de las partes del sistema identificado.
Realizar pruebas de generación de energía eléctrica.
Establecer las condiciones mínimas de operación del sistema, con las
características atmosféricas de Bogotá, Colombia.
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5. METODOLOGÍA
Exploración de material bibliográfico referente a los ciclos
termodinámicos Rankine.
Definición del sistema termodinámico indicando los dispositivos que se
dispondrán para su ensamble y funcionamiento.
Especificación de las variables a medir en diferentes puntos de
referencia dentro del ciclo, que sirvan que permitan observar y analizar
el comportamiento del fluido de trabajo en el sistema.
Revisión de los aparatos disponibles del montaje adaptados
previamente al concentrador solar, considerando su utilidad para el
sistema a formar.
Obtención del material faltante y montaje completo de los elementos del
sistema definido anteriormente.
Puesta en marcha de la instalación, buscando y mitigando defectos o
fallas como fugas, elementos sueltos o mal acoplados.
Toma de datos experimentales y/o medidas de los parámetros durante el
proceso de generación de potencia eléctrica.
Análisis de las mediciones que permitan señalar las condiciones
operativas del sistema.
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CAPITULO I: APROVECHAMIENTO DE ENERGIA MEDIANTE
CAPTADORES SOLARES DE PLATO PARABOLICO
1. DESARROLLO HISTORICO
El uso de la energía del sol transformado en calor suministrado a un fluido
para generar potencia tuvo como pionero al inventor francés Augustin Mouchot,
quien además de introducir diseños
nuevos de concentradores solares para
construir y operar varias máquinas
solares como calentadores de agua,
alambiques, cocinas y hornos solares
durante la segunda mitad siglo XIX, fue
el encargado de lograr vaporizar
suficientemente el agua con un
concentrador solar para hacer funcionar
una máquina de vapor convencional,
donde el agua evaporada da el empuje sobre el émbolo de un pistón
accionando un mecanismo biela-manivela. Pero el sistema tendría muchas
dificultades tras varios ensayos y modificaciones en cuanto a que los modelos
eran demasiado grandes para la poca potencia producida, la baja oferta solar
en ciertas locaciones y los elevados costos de elaboración al utilizar materiales
como plata y vidrio. Ejemplo de ello, el primer dispositivo funcional de Mouchot
(ver Figura 1) tenía un concentrador en forma de cono truncado que abarcaba
un área de 36 m2 produciendo sólo 0,5 hp a 80 rpm y que estaba ubicado en
una ciudad de Francia. Luego patrocinado con 5.000 francos elaboró un
concentrador parabólico de gran tamaño el cual manifestó bombear 2000 litros
de agua en una hora. Además de poder destilar agua hasta producir agua, éste
mejora su eficiencia al construirlo en un lugar con mayor disposición del Sol
(Argelia); y en 1880 con su discípulo Abel Pifre, adaptó a una imprenta de
Tomado de http://habitat.aq.upm.es/gi/mve/daee/uhas.pdf
Tomado de http://habitat.aq.upm.es/gi/mve/daee/uhas.pdf
Fig. 1: Primer modelo de máquina motor solar de Mouchot
en la ciudad de Tours, Francia.
Figura 1 Primer modelo de máquina motor solar de Mouchot en la ciudad de Tours, Francia.
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periódico un dispositivo generador solar parecido (ver Figura 2), logrando
imprimir 500 ejemplares1.
Los siguientes aparatos solares desarrollados, se basaban en el concentrador
solar implementado por Mouchot, pero buscando que fueran más eficientes y
productivos, variaban o
modificaban la forma del
concentrador (cono, parabólico,
cilíndrico, plano, etc.), utilizaban
otro fluido de trabajo además del
agua (aire, hidrato de amoníaco,
dióxido de azufre, etc.), empleaban
un mejor sistema de seguimiento
solar o empleaban más unidades
captadoras del calor; a pesar de
todo resultaba poco práctico
debido a que la elaboración tenia costos elevados por los materiales de
fabricación, además los concentradores mantenían su gran tamaño resultando
incómodos para instalar en ciertos lugares, y a su vez eran susceptibles a
daños por fenómenos naturales como el viento o el granizo2.
Pero no solo aquellos inconvenientes no convencieron el uso del calor del Sol
como fuente energética a cambio de la proveniente de la combustión de
hidrocarburos o madera, también se suma las desventajas de la energía solar
como “su naturaleza intermitente, su variabilidad fuera del control del hombre y
su baja densidad de potencia”3, siendo los principales factores a considerar en
el desarrollo de la tecnología solar.
Sin embargo, para la transformación de la energía térmica a motriz, se continuó
usando prototipos de la máquina de vapor postulada por James Watt (de
movimiento alternativo) donde se atendían aplicaciones a pequeña escala
1VÁZQUEZ, Mariano. Una brevísima historia de la arquitectura solar, 1999.“Los primeros
motores solares”. 2 Ibíd. “Motores solares para la Revolución Industrial”.
3RODRÍGUEZ, Humberto. Desarrollo de la energía solar en Colombia y sus perspectivas, 2008.
p. 84.
Tomado de http://habitat.aq.upm.es/gi/mve/daee/uhas.pdf
Fig. 2: Generador solar para una imprenta de periódico en
Jardín de las Tullerias de París, 1880.Tomado de
http://habitat.aq.upm.es/gi/mve/daee/uhas.pdf
Figura 2 Generador solar para una imprenta de periódico en Jardín de las Tullerias de París, 1880.
17
(hasta 100 kW) y la mayoría de ellos eran diseñados para el bombeo de agua;
pero luego fueron desplazados ante el surgimiento de la turbina de vapor (de
movimiento rotatorio) a culminar el siglo XIX, esta brinda la opción de trabajar
con un fluido (vapor o gas) a cualquier presión e inclusive variarla, mostrando
un funcionamiento sencillo y fiable, de mayor rendimiento y velocidad de giro,
con menores tamaños, peso y consumo de vapor4.
Desde entonces, el proceso de conversión de la energía solar para energía
mecánica y eléctrica por medios térmicos es similar a los procesos térmicos
tradicionales fundamentados en los ciclos termodinámicos de potencia y
refrigeración, diferentes de los considerados hasta ahora porque estos ya
pueden funcionar a temperaturas y presiones más altas recirculando el fluido
de trabajo, lo que motivo ya para la década de 1970, la construcción y puesta
en marcha de sistemas de energía a gran escala como plantas eléctricas
comerciales con capacidad de generar de 30 a 80 MW a partir de la radiación
solar5.
2. DESARROLLOS ACTUALES
Actualmente en el progreso de los métodos de conversión de la energía solar
se destaca el uso de los concentradores de plato parabólico, catalogado el más
eficiente de su tipo, al tener la capacidad de seguimiento y enfoque directo del
Sol logrando obtener altas temperaturas en su punto focal donde se ubica un
receptor que acumula y da a un fluido de trabajo el calor absorbido, para así
darse paso a su transformación a electricidad bien sea independizando cada
concentrador mediante un generador con motor térmico acoplado al receptor
de cada unidad, o en conjunto varios de ellos llevan la energía hasta una planta
de conversión transportando el fluido por ductos o empleando una enorme torre
central receptora del calor captado por todos 6.
4ARRÈGLE, J. Procesos y tecnología de máquinas y motores térmicos, 2002. p.17-19.
5KALOGIROU, Soteris A. Solar thermal collectors and applications, 2004. p. 286
6KALOGIROU, Soteris A. Solar thermal collectors and applications, 2004. p. 251.
18
Aquellos motores y/o plantas con
concentradores del tipo parabólico no
han crecido comercialmente, pero
durante el tiempo con prototipos
experimentales en algunas partes del
mundo han arraigado muchos diseños y
configuraciones, sin embargo funcionan
de acuerdo a cierto ciclos
termodinámicos de potencia, entre los
cuales se considera principalmente el
ciclo Stirling, porque sus motores de combustión externa manifiestan la
máximas eficiencia de conversión solar en promedio cercana al 30%, los
mejoras alcanzan hasta el 42%, produciendo de 7 a 25 kW7; estando
acoplados en el receptor de cada plato, un pistón recibe calor en uno de sus
extremos pero el otro debe mantenerse frío de modo que un gas sellado a alta
presión (H, He, Aire) pueda expandirse y comprimirse alternativamente
generando movimiento al émbolo y consecuentemente al eje del alternador. En
Estados Unidos el proyecto DECC (Boeing/Stirling
EnergySystemsDishEngineCriticalComponents) desarrollado en dos etapas
(1997-1998 y 2000-2001) consta de un área reflectiva de 87,7m2 integrada por
múltiples espejos formando el plato parabólico, y su unidad de conversión: un
motor cinemático Stirling de cuatro cilindros doble efecto utilizando hidrógeno
como gas de trabajo (ver Figura 3); durante 10000 horas en operación con
disponibilidad solar del 96% demostró una eficiencia conversión diaria
promedio de luz solar a la electricidad del 24% y máxima del 29,4 %,
generando 29 kW con 720 °C de temperatura en el motor8; pero tendría como
algunos otros proyectos que pese a alcanzar las eficiencias más altas de su
clase con la ayuda de los sistemas automatizados de seguimiento solar, cuyo
control ya puede ser a distancia (vía internet y/o satelital), e incorporación de
pipas de calor (heat pipe) para mantener activa la generación en las noches
con calor de la combustión de algún hidrocarburo como el gas natural, tendrían 7SIERRA, Fabio. Energía solar termoeléctrica alta temperatura, 2008. p. 217.
8MILLS, D. Advances in solar thermal electricity technology, 2004.p.23.
Tomado de
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038
092X03001026
Fig. 3: Discos de conversión de energía solar con
microturbinas en Albuquerque.Tomado de
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038
092X03001026
Figura 3: Generador solar Boeing SES proyecto DECC
Fig. 4: Generador solar Boeing SES proyecto DECC
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dificultades en cuanto a que el motor resultaba pesado, costoso, o no
hermetizaba completamente el gas.
También se emplean los ciclos donde el movimiento del generador depende de
la rotación de una turbina a causa de la presión ejercida por el gas de trabajo
en los álabes de ésta; tales como el ciclo Rankine (vapor de agua),Brayton
(gas), combinados y/o híbridos, que generalmente se aplican a instalaciones
de gran escala con central de generación como el complejo SEGS (siglas en
inglés de Sistemas de Generación de Energía Solar) del desierto de Mojave en
California, EEUU; que posee nueve plantas con espejos parabólicos, con
potencial de concentración de 70 a 80% logrando temperaturas entre 349-390
°C, quienes transfieren el calor a un aceite térmico sintético (Therminol)
transportado para calentar el fluido de trabajo (agua) que hierve e impulsa la
turbina de vapor cumpliendo con el ciclo Rankine9; “actualmente cuenta con
una capacidad instalada de 354 MW y genera 662 GWh de energía al año”10.
La adaptación de microturbinas de gas
en los concentradores ofrece una
alternativa diferente que brinda
eficiencias menores compensadas con
bajos precios en fabricación, en
contraste con los motores Stirling. En
Albuquerque, EEUU se instalaron 6
discos con microturbinas en el 2005 (ver
Figura 4), como parte del proyecto Solar
#3 de Sandia National Laboratories,
produciendo 150kW de potencia con una de las mejores eficiencias de
conversión: 31,29%11.
9TIAN, Y.A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal, 2013.p. 548.
10BEDA, Harry. Las plantas de energía solar más grandes del mundo, 2013.
11BERNARDELLI, Federico. Energía Solar Termodinámica en América Latina, 2010. p. 25.
Figura 4 Discos de conversión de energía solar con microturbinas en Albuquerque.
Tomado de
http://www.eclac.org/publicaciones/xml/2/43962/Lcw402e.
Fig. 5: Discos de conversión de energía solar con
microturbinas en Albuquerque.Tomado de
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003809
2X03001026
20
El desarrollo del Ciclo Rankine Orgánico (ORC), el cual funciona como su ciclo
homónimo pero su fluido de trabajo pueden ser mezclas zeotrópicas y/o
refrigerantes en lugar de agua, cuyo comportamiento mejora los sistemas de
baja concentración de temperatura al evaporarse dentro de sus rangos de
operación (80°C en adelante),fue un proyecto estimativo de un sistema ORC
que opero durante un año con temperaturas menores a 420°K (aprox. 125°C) e
indicaba que si la temperatura ambiente decrecía y se aumentaba el flujo
másico del fluido (para el caso R245fa), la potencia neta de salida en
promedio se acercaba a 220 kW y la eficiencia exergetica se incrementaba
gradualmente hasta que ambas eran constantes12.
Cada vez más se observa un mayor interés por parte del sector privado en el
uso de energías alternativas, lo que genera un crecimiento gradual en
innovaciones y desarrollos alrededor del mundo de concentradores parabólicos
incorporados en ciclos Rankine. Las aplicaciones van desde la generación de
electricidad, hasta su uso en cocinas ecológicas y desalinización de agua, se
cree que para la próxima década su uso va a ser mucho más frecuente en
actividades domésticas, extendiendo su rango de acción más allá que el uso
industrial. 13
3. ENTORNO LOCAL
En Colombia, no se encuentran registrados avances significativos en este tipo
de montajes para el aprovechamiento de energía solar, por lo que nace la
inquietud de abordar este tema, empleando un prototipo de concentrador de
plato parabólico (CSPP) perteneciente a la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas Facultad Tecnológica (ver Figura 5), el cual fue diseñado a partir de
un proyecto de grado con el propósito inicial de acondicionarle un motor
Stirling. Se utilizó como material reflectivo acero inoxidable, y el plato cuenta
12
WANG, Jiangfeng.Off-design performance analysis of a solar-powered organic Rankine, 2014.p. 156. 13
EFE VERDE, periodismo ambiental; © Agencia EFE, S.A. Avd. de Burgos, 8. 28036 Madrid. España Tel: +34 91 346 7100. Todos los derechos reservados.
21
con un tamaño de 2 m de diámetro exterior, soportado en una estructura biaxial
que permite el seguimiento del sol.14.Durante una medición y mejoras en el
primer semestre del año anterior, teniendo en cuenta que el sistema de prueba
maneja un fluido de trabajo (agua) con poco caudal, el seguimiento solar se
realiza manualmente y su receptor es un absorbedor constituido de tubería de
cobre en forma de caracol; se concluyó que el concentrador tiene un factor de
concentración de 1,96 y en condiciones ambientales donde radiación solar
directa sea igual o mayor a 1000 W/m2, su eficiencia es del 22%, alcanzado a
calentar el agua hasta una temperatura de 52°C15.
14
NOGUERA, Juan. Diseño y construcción de un concentrador solar parabólico para adaptarlo a un motor Stirling, 2010. p. 7-8. 15
CASTELLANOS, Julian y PATIÑO, Jorge. Medición del potencial de concentración de radiación solar de un concentrador solar parabólico, 2014.
Figura 5 Concentrador de plato parabólico (CSPP) ubicado en la Facultad Tecnológica UDFJC
22
CAPÍTULO II. INSTALACIONES DE PRODUCCIÓN DE POTENCIA
MEDIANTE VAPOR
Las centrales térmicas de vapor son sistemas conformados por varios
dispositivos conectados entre sí manipulando un fluido (generalmente agua),
evaporizándolo y condensándolo alternativamente durante el circuito, dan lugar
a la conversión de calor en trabajo, produciendo una potencia neta partiendo de
una fuente de energía química (combustión), nuclear o solar.
Sus diseños y funcionamiento generalmente parten de ciclo Rankine, cuyo
análisis permite determinar y evaluar propiedades de los diferentes estados de
fluido en el proceso, de modo que tiendan optimizar el sistema tanto del punto
de vista termodinámico como económico.
1. DISPOSITIVOS BÁSICOS
Evaporador: es un intercambiador de calor donde se hierve el fluido de trabajo
para alcanzar la temperatura de saturación y vaporizarse a partir de la energía
térmica de un medio externo, producida tradicionalmente de la quema de
combustibles fósiles (calderas), aunque también proviene de la reacción
nuclear (reactores) o de la captación fototérmica de energía solar
(concentradores solares).
Turbina: es un rotor formado por una serie de álabes, que puede girar un eje
con el choque de un fluido a presión, produciendo trabajo mecánico. Entre sus
clases, existen turbinas radiales del tipo centrífugo o centrípetas, y axiales, de
mejor rendimiento.
Condensador: también es un intercambiador de calor, encargado de lograr
reducir la temperatura de un fluido de trabajo gaseoso, hasta cambiarlo a fase
líquida, transfiriendo su calor a un reservorio frío por medio de tuberías como
los serpentines o empleando torres de enfriamiento.
23
Bomba: es un impulsor de fluidos líquidos, que mediante trabajo generado por
un motor, mueve un rotor que los desplaza por tuberías con mayor presión.
Cuyos tipos son recíprocos a los de turbina (con rotor), excepto las bombas
alternativas (de pistón).
2 CICLO RANKINE
2.1 Funcionamiento y comportamiento de fluido de trabajo
Su funcionamiento más elemental tiene
como fluido de trabajo en principio agua
en fase líquida a presión baja (Estado1),
la cual es succionada y empujada por una
bomba, para entrar al evaporador con
mayor presión y baja temperatura (Estado
2), pero al recibir calor, sale en forma de
vapor a alta presión y mayor temperatura
(Estado 3).
El vapor continúa llevando a cabo una expansión al cruzar por la turbina, donde
éste toma un estado de vapor húmedo con baja presión y temperatura
similares a las iníciales (Estado 4); el agua consecuentemente retomaría su
estado líquido inicial manteniendo la presión y temperatura tras pasar el
proceso de condensación, permitiéndose la recirculación repetitiva dentro del
sistema cerrado16 (ver Figura 6).
2.2. Ciclo Rankine ideal
Una forma de análisis del Ciclo Rankine se considera tomando todos sus
procesos sin irreversibilidades internas, es decir, sin tener en cuenta pérdidas
16
HAYWOOD, Richard. Ciclos termodinámicos de potencia y refrigeración, 2002. p. 21.
Tomado de Termodinámica de Cengel p. 563
Fig. 6: Diagrama T-s de un ciclo Rankine
ideal.Tomado de Termodinámica de Cengel p. 563
Figura 6 Esquema de un ciclo Rankine simple
24
de energía al interior del sistema, de modo que una planta produciría el máximo
trabajo neto asequible para el calor brindado a condiciones específicas de
calor17.
Por tanto, el fluido de trabajo sufre los
siguientes procesos (ver Figura 7):
Proceso 1-2: Compresión isoentrópica
en la bomba.
Proceso 2-3: Transferencia de calor en
el evaporador con fluido a presión
constante.
Proceso 3-4: Expansión isoentrópica en la turbina.
Proceso 4-1: Transferencia de calor en condensador con fluido a presión
constante.
2.3 Ciclo Rankine Real
Todos los procesos termodinámicos
aplicados en la práctica son de carácter
irreversible, de modo que toda la energía no
se puede convertir en trabajo, ya que una
parte a causa de la fricción entre materiales
y pérdidas de calor al paso del fluido de
trabajo por los diferentes dispositivos, se
disipa hacia el exterior del sistema.
Por tanto, para el estudio de instalaciones
de vapor, se puede considerar inicialmente estudiarlas a partir del ciclo
Rankine ideal, donde el comportamiento del fluido es aproximado a la realidad
17
HAYWOOD, Richard. Ciclos termodinámicos de potencia y refrigeración, 2002. p. 32
Tomado de Termodinámica de Cengel p. 563
Tomado de Termodinámica de Cengel p. 568
Figura 7 Diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal.
Figura 8 Diagrama T-s comparativo entre ciclo Rankine real e ideal
25
(ver Figura 8), para luego incluir las irreversibilidades mediante expresiones y/o
factores correctivos que permitan establecer el funcionamiento real de sistema.
2.4. Parámetros de rendimiento18
Son valores que ayudan evaluar el funcionamiento y desempeño de las plantas
térmicas. El concepto más generalizado es la eficiencia, la cual relaciona la
energía útil y la invertida.
La eficiencia térmica o del ciclo indica la cantidad de energía recibida por el
fluido de trabajo en el evaporador que se convierte en trabajo neto producido
ŋ =𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 (1)
La relación de trabajos es la comparación entre trabajo consumido por la
bomba y el trabajo desarrollado por la turbina
ŋ =𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
(2)
18
MORAN, Michael. Fundamentos de termodinámica técnica, 2011. p. 377.
26
6. DESARROLLO
6.1. DEFINICIÒN DEL SISTEMA TERMODINÁMICO
Teniendo en cuenta el esquema de un ciclo Rankine simple (ver Figura 6), se
estableció que se debe disponer de una bomba, un evaporador, una turbina y
un condensador como mínimo, para conformar el sistema a construir.
Por ello, se había considerado previamente, el uso de un montaje elaborado en
el trabajo de grado “Medición del potencial de concentración de radiación solar
de un concentrador solar parabólico”19, ya que contiene el CSPP ,un CT y una
bomba centrífuga , quienes tendrían que ocupar los roles de evaporador,
condensador y bomba, respectivamente.
Pero como el CSPP no alcanza aportar la energía suficiente para la
vaporización de agua (indispensable para un ciclo Rankine), se incluyó una
caldera de suministro eléctrico para complementar el aporte de calor al agua
hasta la generación de vapor, tomada del laboratorio de ciencias térmicas de la
Universidad al igual que una turbina de vapor almacenada en ese espacio.
Además, surgió la opción de aprovechar la utilidad ofrecida por un tanque
hidroneumático, el cual permite el almacenamiento del fluido y la presurización
del sistema, evitando tener que emplear la bomba de manera constante.
Inicialmente, se plantea de forma esquemática la estructura básica del sistema
termodinámico a montar con los dispositivos anteriormente mencionados (ver
Figura 10), para así definirlos límites de control del sistema e identificar las
transferencias de calor y trabajo, cuyas cantidades se calculan teniendo en
cuenta el principio de conservación de energía y determinando los valores de
propiedades de estado del agua en los 5 puntos indicados.
19
J. CASTELLANOS y J. PATIÑO , Medición del potencial de concentración de radiación solar de un
concentrador solar parabólico, 2014.
27
Figura 9 Esquema termodinámico del sistema.
6.2. IDENTIFICACION DE PROPIEDADES Y VARIABLES
Por la facilidad de adquisición, uso y mantenimiento de los dispositivos de
medición de temperatura y presión, se eligieron estas propiedades de estado
como variables a medir y/o controlar en el montaje, sus valores se registran
para cada estado en los correspondientes medidores en el montaje de acuerdo
a la Tabla 1. Para identificar el volumen específico y entalpía en cada estado se
calculan a partir de tablas termodinámicas del Anexo 1.
Como el calor suministrado por el CSPP es variable y depende de las
condiciones del clima, se ha de controlar la energía complementaria de la
caldera, de modo que aporte la potencia exacta para mantener las propiedades
en el punto de saturación del agua. Por tanto se implementa un controlador e
indicador de temperatura (TIC3) que regulara la temperatura de la caldera de
acuerdo a la presión del sistema para alcanzar y equilibrar la condición del
agua- vapor.
28
Tabla 2 Propiedades medidas con instrumentos externos al montaje
Estado Temperatura
Presión Medidor Lectura
1 TI1 PI1
2 TE2 UI PI2
3 TT3 TIC3 PI3
4 TE4 UI Pamb
*
5 TI1**
*Debido a que estos puntos se encuentran abiertos o en contacto con el ambiente, se considera la presión atmosférica de Bogotá. **Por aproximación entre las temperaturas entre el estado 5 y 1. (teniendo en cuenta que se utilizaría el tanque hidroneumático como impulsor del fluido de trabajo)
El flujo de energía a través del sistema se debe a la circulación del fluido de
trabajo, es necesario conocer la cantidad del agua utilizada en el tiempo, por
tanto se elige medir el caudal o flujo volumétrico cuya su lectura es tomada de
acuerdo a Tabla 2.
Elemento Abreviatura Magnitud
Caudalímetro FI1 ṁ
Piranómetro TE R
Multímetro UI1 VTV y ITV
Dattalogger UR1 RHaire salida y
Taire salida
Anemómetro vaire
Cronómetro Rtc y RtB
En CT se aprecia que el calor extraído del agua para cambiar de estado 4 a 5
es equivalente al calor transferido al aire para enfriamiento, por tanto se
establecen las propiedades del aire a la entrada según las condiciones
ambientales de Bogotá en la Tabla 3, y del aire a la salida por medición de
acuerdo a la Tabla 2, y ello complementado con el uso software online
"Cálculos Psicrométricos"20. Como se necesita conocer el caudal del aire fue
necesario tomar con un anemómetro, la medida de la velocidad con la que el
ventilador hace circular el aire.
20
«Dpto. Máquinas y Motores Térmicos Escuela Universitaria Politécnica de Donostia San Sebastián,» 20
Mayo 2001. [En línea]. Available: http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/CartaPsy.htm. [Último acceso: 10 07
Tabla 1 Medidores y/o lectores de temperatura y presión según el estado del agua.
.
29
Tabla 4. Voltaje y amperaje de alimentación eléctrica de cada dispositivo
Tabla 3 Condiciones ambientales de Bogotá, Colombia
Pamb 75.2 KPa*
Tamb 19°C*
RHamb 70%
*Datos consultados en
https://www.udistrital.edu.co/universidad/colombia/bogota/caracteristicas/
Las potencias eléctricas suministradas se establecen de la medida tomada en
la entrada de electricidad de los correspondientes dispositivos, con un
multímetro de pinza cuyos resultados se aprecian en la Tabla 5. Como la
caldera y la bomba pueden encenderse y apagarse temporalmente dentro del
funcionamiento del sistema, para lo cual distinguir una relación Rt entre el
tiempo en que duran encendidos respecto al tiempo de generación de
electricidad, es necesario cronometrar estos tiempos para calcular la potencia
que realmente aportan al sistema.
Dispositivo V A
Caldera 120.7 17
Bomba 120 4.1
6.3. ANALISIS ENERGÉTICO
La primera ley de la termodinámica para un sistema, donde 𝑖 es entrada y 𝑒
salida:
𝑑𝐸
𝑑𝑡= �̇� − �̇� + �̇�𝑖 (ℎ𝑖 +
𝑉𝑖2
2+ 𝑔𝑧𝑖) − �̇�𝑒 (ℎ𝑒 +
𝑉𝑒2
2+ 𝑔𝑧𝑒) (1)
En nuestro sistema se desprecian los cambios de energía cinética y potencial,
al ser muy pequeñas la diferencia de altura y los diámetros de la tubería de los
30
elementos en el sistema, y las pérdidas de calor al ser minimizadas por el uso
de aislante térmico. Se analiza como un sistema flujo estable, porque el
incremento neto en la energía almacenada del ciclo es casi constante con
respecto al tiempo de funcionamiento y el flujo másico a través de todo el
circuito es invariable, entonces la ecuación se reduce para todos los elementos
a:
0 = �̇� − �̇� + �̇�(ℎ𝑖 − ℎ𝑒) (3)
De la ecuación (2), el trabajo o calor brindado al agua circulante está dado:
En bomba
𝑊𝐵 = �̇�(ℎ1 − ℎ5) (4)
En CSPP
𝑄𝐶𝑆𝑃𝑃 = �̇� ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇2 − 𝑇1) (5)
En caldera
𝑄𝐶 = �̇�(ℎ2 − ℎ3) (6)
En turbina
𝑊𝑇𝑉 = �̇�(ℎ3 − ℎ4) (7)
En CT
𝑄𝐶𝑇 = �̇�𝑎𝑖𝑟𝑒(ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) (8)
Donde:
�̇�𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝐴𝐶𝑇 ∗ v𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (9)
Como la eficiencia es la relación entre energía producida y energía consumida,
se tiene que:
𝜂𝐵 =𝑊𝐵𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝐵
∗ 100 (10)
𝜂𝐶𝑆𝑃𝑃 =𝑄𝐶𝑆𝑃𝑃𝑅 ∗ 𝐴𝐶
∗ 100 (11)
𝜂𝐶 =𝑄𝐶𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝐶
∗ 100 (12)
31
𝜂𝑇𝑉 =𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑇𝑉𝑊𝑇𝑉
∗ 100 (13)
𝜂𝐶𝑇 =𝑄𝐶𝑇
𝑄𝐶𝑇%𝑅𝐻=100∗ 100 (14)
Donde:
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝐵 = 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑅𝑡𝐵 (15)
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝐶 = 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑅𝑡𝐶 (16)
𝐴𝐶 = 𝐴 ∗ 𝐺 (17)
𝑄𝐶𝑇%𝑅𝐻=100 = �̇�𝑎𝑖𝑟𝑒(ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎%𝑅𝐻=100 − ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) (18)
De acuerdo a las Ecuación (1) y (2), los parámetros de rendimiento del montaje
serían:
𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 =𝑊𝑇𝑉
𝑄𝐶 − 𝑄𝐶𝑆𝑃𝑃(19)
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜𝑠 =𝑊𝐵𝑊𝑇𝑉
(20)
Se deben verificar que la temperatura de saturación para 𝑃3, sea igual o
cercana a la temperatura 𝑇3 indicada en TIC3, de modo que se garantice la
generación de vapor en el sistema,
6.4. MONTAJE Y PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA:
Como se mencionó anteriormente el sistema fue construido partiendo de un
circuito ya configurado, del que se aprovecharon algunas partes. Otras fueron
acondicionadas e instaladas, en la figura 10 se puede observar el montaje final.
Además, se acoplan los instrumentos de medición seleccionados, válvulas,
accesorios y tramos de tubería o manguera, de modo que se interconectaron
los dispositivos básicos para un ciclo Rankine. En el Anexo 2 se encuentran
las características específicas de todos los componentes del montaje
32
implicados. A continuación se hará mención de los trabajos realizados, para el
acondicionamiento de las partes implicadas:
6.4.1 Bomba y Tanque Hidroneumático
La bomba centrifuga existente se cambió por una periférica de 0.5 HP, con
mayor capacidad de carga (38 psi). A su entrada se incluyó un filtro de discos
que evitar el ingreso de impurezas que normalmente caen en el depósito del
CT, protegiendo y asegurado la perdurabilidad del dispositivo.
La implementación del tanque hidroneumático surgió al ser apartado de su uso
en la planta física de la Universidad y desechado debido a sus malas
condiciones, por tanto se vio la posibilidad utilizarlo por la capacidad de ejercer
una carga hasta de 125 psi sobre el agua, permitiendo aumentar la presión en
el sistema y evitar tener que emplear la bomba todo el tiempo durante el
Figura 10 Montaje final del sistema ciclo Rankine: 1. Centro de control, 2. Bomba, 3. Tanque hidroneumático, 4. Concentrador solar de plato parabólico, 4a-4b. Platos de posicionamiento del concentrador, 5. Caldera, 6. Turbina de vapor, 6a. Generador, 7. Torre de enfriamiento, 7a. Ventilador de la torre, 7b. Depósito de agua de la torre, 8. Filtro. Ver ampliada en Anexo 2.
33
funcionamiento del ciclo. Además cumple la función de ser depósito de agua
puesto que no hay un punto de alimentación cercano al montaje.
Su reparación implico sanar los muchos agujeros que poseían tanto la
membrana neumática interior como la carcasa de fibra de vidrio, las cuales se
cubrieron utilizando respectivamente parches de pegado en frio y masilla
epóxica. Un par de agujeros sirvieron para ubicar un manómetro y un indicador
de nivel construido con una manguera transparente y acoples.
6.4.2 Turbina de vapor y generador
La turbina de vapor que se instaló y que se aprecia en la Figura 11, es de
acción con flujo radial, sus propiedades de funcionamiento eran desconocidas;
por tanto a partir pruebas previas en el sistema, se realizaron ajustes que
permitieron mejorar la rotación del eje; como la instalación de dos rodamientos
en la carcasa, uno a cada extremo de la parte superior, para minimizar efectos
de la fricción, y la reducción de 5 milímetros a 1/16” de pulgada en el diámetro
del orificio de descarga de vapor sobre los álabes, para ello se rellenó la tobera
de entrada con masilla epóxica y se perforo, lo que provoco que la fuerza del
vapor sobre el rotor fuese mayor.
Se probaron varios generadores eléctricos
de corriente directa de baja potencia y se
eligió arbitrariamente el que demostró
menor fuerza de oposición al giro del eje
de salida de la turbina, se ensamblo a la
turbina mediante un acople mecánico
rígido elaborado a medida, con el ajuste
para ambos ejes, su función fue unir los ejes de distintos diámetros y a
ajustarlo de manera rígida con tornillos.
Figura 11 Antes y después de la turbina
34
Figura 12 Soporte rígido del absorbedor
Es necesario indicar que al generador, después de instalado, se le soldaron,
empleando estaño, los cables con las terminales de banana para ser
conectados al instrumento de medición.
6.4.3 CSPP
Acogiendo las recomendaciones del trabajo previo21, el absorbedor se dejó
distanciado 0,5 metros del fondo de la superficie del plato con la ayuda de un
soporte rígido fabricado en acero, que sostiene mejor el peso y mantiene bien
enfocado el absorbedor, ya que las varillas que cumplían esta función se
flectaron debido a que eran muy
delgados. En la Figura 12 se observa
su forma y montaje.
El tramo de tubería de cobre a la salida
del absorbedor se aisló con lana
mineral cubierta y aprisionada con
tramos de tubería galvanizada de 2”,
unidos entre sí mediante abrazaderas
metálicas.
6.4.4 Caldera
Después de determinar que sería necesario la implementación de un proceso
de pos-calentamiento para lograr la obtención de vapor, se adecuó un
recalentador que funcionaba anteriormente con la turbina, pero al cabo del
desarrollo de pruebas iniciales se deterioró internamente generando agujeros
en sus paredes, siendo incapaz de soportar las condiciones de trabajo del
sistema, se construyó un dispositivo similar donde se incorpora calor al agua
21
J. CASTELLANOS y J. PATIÑO , Medición del potencial de concentración de radiación solar de un
concentrador solar parabólico., Trabajo de grado (Tecnólogo Mecánico) ed., Bogotá: Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad Tecnológica, 2014
35
hasta saturarla y a su vez sirve de separador de fases para garantizar que a la
turbina solo llegue vapor.
Para ello se acondicionó un tubo petrolero aceptable para altas temperaturas y
presiones, soldándole tapas y acoples para la entrada de agua, la salida de
vapor, un drenaje y un nivel de vidrio templado con visor longitudinal, pintado
con anticorrosivo como se muestra en la Figura 13; en la tapa inferior se
insertó una resistencia eléctrica destinada como fuente de calor, cuya potencia
de trabajo óptimo es de aproximadamente 2500 W. Para evitar perder el calor
paredes de la caldera, fue necesario aislarla con una capa de lana mineral
alrededor y contenida en tubo de PVC con tapas en sus extremos.
Figura 13 Caldera sin aislamiento y con aislamiento
6.4.5 Instrumentos de medición y CCE
De acuerdo al análisis termodinámico del sistema se estableció el uso y
ubicación dispuesta en la Figura 14, de 4 manómetros PI1- PI2- PI3- PI4, 1
caudalímetro FE1, 2 indicadores de nivel LG1-LG2, 1 termómetro TI1, 2
termocuplas tipo K TI2-TI4TI y 1 termocupla tipo J TT3 que complementa el
controlador de temperatura TIC3 para dosificar el calor que brinda en la caldera
para lograr mantener las propiedades de estado durante el tiempo en ella.
36
Figura 14 Plano general del montaje. Más información y ampliación en Anexo 2.
El piranómetro TE y dattalogger URI se incluyeron en el montaje
temporalmente mientras se realizaban la toma de datos, ya que fueron dados
en préstamo por el laboratorio de ciencias térmicas de la universidad, e
igualmente sucedió con el multímetro UI1 ya que es propiedad de los
ejecutores.
El montaje eléctrico parte desde un breaker del tablero de distribución ubicado
en el salón de la planta baja del montaje, mediante un cableado llega la
electricidad a una caja metálica donde contiene un circuito cuyo plano se
encuentra en Anexo 2; que se distribuye la potencia a aquellos dispositivos que
lo requieren y tiene un interruptor ON/OFF en el panel que se muestra en la
Figura 15.
37
Paralelamente se armó e incluyo un pequeño centro de control CCE como
punto de alimentación eléctrica, el cual consta de un panel donde se encienden
y apagan de la bomba, caldera y torre de enfriamiento
Figura 15 Panel del centro de control eléctrico. FI1 Caudalímetro (interruptor es Run/Stop), HB1 Interruptor de ventilador torre de enfriamiento, HB2 Interruptor de bomba, HB3 Interruptor de control de temperatura, TIC3 Control de temperatura de caldera, TLB3 indicador de encendido o apagado de caldera.
6.4.6 Tubería y accesorios del circuito de flujo
En la Tabla 5, de observan los tramos de los diferentes tipos de tuberías que se
utilizaron en el montaje, y que se pueden identificar en la Figura 14.
En la zona de flujo de vapor se tuvo en cuenta que los componentes tienden a
dilatarse y comprimirse continuamente por el manejo de la temperaturas y
presión relativamente altas cuando está activo el sistema, y luego pasan a ser
bajas cuando está detenido aumentando la posibilidad de generarse fugar; por
tanto para proteger el manómetro PI3 se instaló un tubo de sifón recto
(conocido como cola de marrano), además para HV4 se utiliza una válvula con
sellos metálicos.
38
Tipo y Material Diámetro en
pulgadas Desde Hasta
Tubo y accesorios PVC 1/2 CT Bomba
Entre bomba y antirretorno 1
Entre TI1 y PI1
Manguera caucho enmallada
1/2 Bomba
Entre bomba y antirretorno
1
CSPP Antirretorno
3
Manguera caucho 1/2 Entre TI1 y PI1 CSPP
Accesorios bronce 1/2 a 3/8
Antirretorno 3 Caldera
Accesorios acero inoxidable 1/4 Caldera HV4
Tubing acero inoxidable 1/4 HV4 Turbina
Tubing cobre 5/16 Turbina CT
Caldera CT Tabla 5 Tipos de tubería en el montaje
En la zona de flujo de vapor se tuvo en cuenta que los componentes tienden a
dilatarse y comprimirse continuamente por el manejo de la temperaturas y
presión relativamente altas cuando está activo el sistema, y luego pasan a ser
bajas cuando está detenido aumentando la posibilidad de generarse fugar; por
tanto para proteger el manómetro PI3 se instaló un tubo de sifón recto
(conocido como cola de marrano), además para HV4 se utiliza una válvula con
sellos metálicos.
En total 9 válvulas de las cuales 3 son antirretornos para mantener el flujo en
un solo sentido, 3 válvula de bola en PVC que posibilitan el llenado y purga del
tanque hidroneumático (HV1-HV2-HV3), 1 válvula de bola metálica de desagüe
y/o de la caldera (HV5), 1 válvula de agua para controlar vapor de la caldera a
la turbina (HV4) y 1 válvula de seguridad como prevención de sobrepresión en
la caldera (PVS3).
Se incluyó una caña de material elastómero de celda cerrada como aislamiento
térmico en el tramo de tubería desde el CSPP hasta la caldera,
complementando las medidas tomadas en los otros dispositivos para mitigar la
perdida de calor. De acuerdo a la Tabla 2 del Anexo 1 fueron establecidos los
espesores de material a utilizar, tanto en el CSPP, como en la caldera.
39
7. RESULTADOS
Inicialmente se realizaron pruebas de generación eléctrica del sistema durante
9 días, siguiendo el procedimiento de funcionamiento descrito en la guía de
operación del montaje, consignada en Anexo 3. Los datos fueron registrados
en un lapso de tiempo de 15 a 30 minutos, dentro del cual el tanque
hidroneumático se habilito para cumplir la función de elevar la presión en el
sistema en lugar de la bomba, que fue activada únicamente para el llenado del
tanque al final de la operación.
Los registros fueron consignados en la siguiente tabla, para con las ecuaciones
de la sección de análisis energético encontrar las eficiencias que se muestran
en las tabla 7.
Tabla 6 Datos obtenidos pruebas de generación de electricidad con vapor
R C
Relación de tiempos de
funcionamiento de
caldera
Relación de tiempos de
funcionamiento de
bomba
ºC ºC ºC ºC psi psi psi V A W/ m2 % ºC L/min s/s s/s
1 14:00 21 33 142 102 40 50 52 7,50 0,30 960 81,2 29,9
2 14:30 21 45 160 108 38 76 84 13,40 0,40 1145 60,5 26,8
3 15:00 20 37,3 181 94 37 40 105 18,90 0,40 520 79,8 26,1
4 11:30 22 26 160 92 37 37 80 13,70 0,40 588 67,9 25,7
5 12:00 22 72 180 94 37 37 107 16,80 0,40 890 52 26
6 14:15 25 46,5 170 94 27 75 105 18,70 0,40 950 53,1 25,6
7 14:30 26 40 168 101 28 60 100 16,40 0,40 430 56,1 25,7
8 15:15 22 35 169 121 27 76 102 14,90 0,30 620 58,3 25,7
9 15:30 22 32,2 161 131,7 27 80 80 10,80 0,30 330 58 25,6
10 16:00 22 31 154 123 27 64 65 9,10 0,30 640 57,8 25,4
11 11:00 20 73 161 92,5 32 64 85 15,8 0,3 580 63,8 26,7
12 11:30 21 51 153 103,1 32 30 65 10,4 0,3 444 62,4 26,9
13 12:30 22 82,4 148 96,3 30 45 55 7,8 0,3 1132 58 28.7
14 13:00 22 76 146 98 30 45 52 6,2 0,3 640 61,6 27,9
15 13:30 24 56 150 104 30 55,7 62 9,4 0,3 1297 62,8 28,3
16 10:45 19 26 156 93,3 32 64 70 12,1 0,3 450 70,5 23,9
17 11:00 19 27 153 98 32 56 62 10,43 0,3 395 68,6 23,7
18 11:30 19 25,7 150 112 32 54 55 7,8 0,3 360 63,1 24,4
19 14:00 24 35 170 105 40 88 105 8,5 0,4 1130 77,2 25,2
20 15:00 22 31,5 157 127 38 75 75 4,5 0,3 439 77,4 25,6
21 15:30 24 35 152 119,4 36 56 55 8,4 0,3 1215 61,7 25,4
22 11:30 20 33,5 154 102,2 32 35 68 10,1 0,3 442 69,4 24,7
23 12:00 20 26,5 150 102,7 40 50 55 7 0,3 230 67 23,5
24 12:30 19 32,5 153 108,2 37 35 62 8,5 0,3 420 69,2 23,7
25 12:45 19 38,2 151 108,5 37 48 60 7,9 0,2 850 68,7 24,1
26 13:00 19 36,2 151 109 37 55 55 5,8 0,2 395 72 24,1
27 13:30 19 32 153 112,3 35 62 62 5,9 0,2 350 70,9 23,2
28 13:45 19 32,5 151 112,2 35 58 58 2,3 0,2 420 69,4 23,6
29 14:15 20 32 153 117 35 65 65 5,4 0,2 1118 72,6 24
30 14:45 19 34,5 150 118,4 33 57 58 3,7 0,2 347 59,9 25,1
31 10:00 20 28,4 156 94 34 70 70 7,1 0,3 275 65,8 28,7
32 10:15 20 28,4 156 94 34 70 70 6,8 0,3 325 42 29,3
33 10:30 20 32,7 154 99 34 70 70 6,5 0,3 568 31,1 34,6
34 11:00 20 35,2 154 102 34 68 68 6 0,2 1130 45,2 25,9
35 11:15 21 37,8 152 104 34 58 58 4,3 0,3 1228 48,2 25,1
36 11:45 21 38,3 152 105 34 50 50 1,8 0,2 470 69,2 29
37 12:00 21 38,2 155 94,5 32 70 67 6,4 0,2 210 76,4 24,6
38 12:15 19 34 152 95,5 32 60 68 4,4 0,2 207 78,7 24,1
39 12:30 19 29,5 150 101 31 59 60 2,4 0,2 348 71,1 24,8
40 13:15 21 35,6 152 111,4 31 30 60 1,2 0,2 376 66,1 26,8
41 13:15 19 45,8 167 99,7 33 30 95 10,7 0,3 390 69,8 24,9
42 13:30 20 45,5 157 99,3 33 30 72 9,5 0,3 428 68,5 24,4
43 13:45 20 46 152 101,4 32 30 63 8,8 0,3 775 69,8 24,2
44 14:00 20 59,5 144 104,2 36 32 50 7,9 0,3 1208 52,1 24,3
45 14:15 25 80,8 162 109,2 36 30 39 3 0,2 1220 45,3 29
46 14:45 25 88,1 164 104,4 17 20 40 2,6 0,2 1250 43,6 32,6
47 15:00 22 43,2 164 105,5 34 50 57 10,5 0,3 380 43,4 32,2
48 8 13:00 20 26,9 159 102 34 50 75 14,6 0,3 260 74,2 26,8 0,0231 30/50 83/3600
49 13:00 21 33,8 151 102,4 38 50 60 18,48 0,3 636 75,6 24,3
50 13:15 23 40,8 150 101,6 38 58 59 17,5 0,3 803 69,8 24,9
51 13:30 23 37,4 146 105,5 38 48 50 7,75 0,3 580 68,5 24,4
204/11700
164/4500
223/9000
105/3600
225/8100
228/9000
225/9900
290/117005
6
7
9
30/50
0,0248
0,0175
0,0366
0,0175
30/50
30/60
30/60
30/60
30/60
30/35
30/60
Mu
estr
a
0,0294
0,0278
0,0254
0,0228
Dìa
Ho
ra
1
2
3
4
𝑇 1 𝑇2 𝑇 3 𝑇 4 𝑃 1 𝑃2
𝑃3
𝑉𝑇𝑉
𝐴𝑇𝑉
𝑅 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒
40
Tabla 7 Datos calculados pruebas de generación de electricidad con vapor
Las siguientes tablas consignan la información recopilada y sistematizada de u
na prueba posterior.
∆T
po
r C
SPP
Re
lació
n
de
tra
ba
jo
kg
/s
ºC ºC ºC
KJ/
Kg
KJ/
Kg
KJ/
Kg
KJ/
Kg
W W W W W W % % % % % % %
1 12 146,5 -4,5 139 2742 106 1,21 124,52 24,539 1273,06 2,25 28,719 0,131 19,81 0,9 1,505 94 7,834 74,336 0,177 0,45462
2 24 162,235 -2,235 189 2760 73,2 1,18 104,89 49,078 1257,36 5,36 31,794 0,124 7,576 0,86 2,524 92,85 16,86 40,069 0,426 0,38945
3 17,3 170,361 10,639 157 2768 85,2 1,18 100,85 35,377 1277,29 7,56 49,459 0,122 11,93 0,85 4,006 94,32 15,29 67,986 0,592 0,24749
4 4 160,513 -0,513 109 2758 74,5 1,17 98,597 7,7345 1224,92 5,48 43,862 0,112 8,028 0,82 0,774 90,45 12,49 48,319 0,447 0,25544
5 50 171,061 8,9394 302 2769 63,9 1,17 100,28 96,681 1140,97 6,72 47,087 0,112 4,194 0,82 6,396 84,25 14,27 24,511 0,589 0,23795
6 21,5 170,361 -0,361 195 2768 63,3 1,17 98,041 41,573 1189,91 7,48 46,768 0,075 4,007 0,55 2,577 87,86 15,99 24,574 0,629 0,15953
7 14 168,527 -0,527 168 2766 65,9 1,17 98,597 27,071 1201,69 6,56 39,538 0,081 4,909 0,6 3,707 88,73 16,59 29,696 0,546 0,20605
8 13 169,26 -0,26 147 2767 67,5 1,17 98,597 25,137 1211,64 4,47 21,499 0,08 5,485 0,59 2,387 89,47 20,79 33,154 0,369 0,37286
9 10,2 160,513 0,4866 135 2758 66,9 1,17 98,041 19,723 1212,80 3,24 7,4849 0,08 5,276 0,59 3,519 89,56 43,29 32,306 0,267 1,07097
10 9 153,522 0,4777 130 2750 66 1,67 96,938 17,403 1211,51 2,73 11,767 0,08 7,102 0,59 1,601 89,46 23,2 31,209 0,225 0,68122
11 53 162,645 -1,645 306 2760 75,4 1,18 104,3 93,634 1037,02 4,74 40,63 0,091 8,37 0,73 9,505 91,89 11,67 44,728 0,457 0,22443
12 30 153,522 -0,522 214 2750 75,1 1,18 105,48 53,001 1071,66 3,12 27,452 0,089 8,266 0,72 7,028 94,96 11,37 43,164 0,291 0,32601
13 60,4 148,243 -0,243 345 2744 78,6 1,19 116,57 106,71 1013,47 2,34 30,483 0,082 9,577 0,66 5,55 89,8 7,676 41,139 0,231 0,26893
14 54 146,5 -0,5 318 2742 78,4 1,18 111,52 95,401 1023,86 1,86 28,16 0,082 9,508 0,66 8,776 90,72 6,605 44,42 0,182 0,29112
15 32 152,021 -2,021 235 2748 81,1 1,19 114,02 56,534 1062,01 2,82 25,945 0,079 10,5 0,63 2,566 94,1 10,87 46,955 0,266 0,30294
16 7 155,984 0,0156 109 2753 69,3 1,16 88,987 11,101 1002,64 3,63 33,093 0,083 6,109 0,74 1,452 88,84 10,97 46,686 0,362 0,25193
17 8 152,021 0,9792 114 2748 67,3 1,16 87,968 12,687 999,30 3,129 27,801 0,083 5,389 0,74 1,891 88,55 11,25 42,421 0,313 0,29988
18 6,7 148,243 1,7565 108 2744 66,2 1,16 91,75 10,625 999,66 2,34 15,55 0,083 5,011 0,74 1,738 88,58 15 35,659 0,234 0,53613
19 11 170,361 -0,361 147 2768 79,2 1,18 95,302 17,444 994,09 3,4 30,093 0,097 9,72 0,86 0,909 88,09 11,3 62,852 0,342 0,32133
20 9,5 158,308 -1,308 132 2756 81,1 1,18 98,041 15,066 994,88 1,35 8,7382 0,095 10,43 0,84 2,021 88,16 15,45 63,255 0,136 1,08152
21 11 148,243 3,7565 147 2744 68,8 1,17 96,938 17,444 984,90 2,52 9,9758 0,086 5,976 0,77 0,845 87,27 25,26 37,458 0,256 0,8645
22 13,5 155,024 -1,024 141 2752 71,6 1,17 92,527 23,287 1077,27 3,03 28,275 0,089 6,967 0,73 3,102 95,46 10,72 48,422 0,281 0,31488
23 6,5 148,243 1,7565 111 2744 65,5 1,16 83,501 11,212 1085,98 2,1 24,535 0,112 4,758 0,92 2,87 96,23 8,559 42,846 0,193 0,45562
24 13,5 152,021 0,9792 136 2748 67,7 1,16 87,968 23,287 1077,52 2,55 21,891 0,105 5,529 0,86 3,264 95,48 11,65 43,528 0,237 0,47921
25 19,2 150,953 0,0472 160 2747 68,8 1,16 90,015 33,119 1067,12 1,58 21,119 0,105 5,956 0,86 2,294 94,56 7,481 44,283 0,148 0,49673
26 17,2 148,243 2,7565 152 2744 71,1 1,17 90,015 29,669 1069,23 1,16 19,373 0,105 6,748 0,86 4,422 94,74 5,988 50,089 0,108 0,5415
27 13 152,021 0,9792 134 2748 66,9 1,16 83,501 22,424 1078,32 1,18 18,531 0,099 5,244 0,81 3,772 95,55 6,368 47,22 0,109 0,53539
28 13,5 149,869 1,1309 137 2746 67,4 1,16 83,501 23,287 1076,41 0,46 17,553 0,099 5,438 0,81 3,264 95,38 2,621 48,929 0,043 0,56525
29 12 153,522 -0,522 134 2750 71,1 1,17 88,987 20,699 1079,05 1,08 15,414 0,098 6,745 0,8 1,09 95,61 7,007 51,501 0,1 0,63297
30 15,5 149,869 0,1309 145 2746 66,5 1,17 95,302 26,737 1072,96 0,74 12,472 0,094 5,126 0,77 4,537 95,07 5,933 33,4 0,069 0,74988
31 8,4 155,984 0,0156 119 2753 85,5 1,19 116,57 10,225 766,64 2,13 24,998 0,067 12,13 0,78 2,189 67,93 8,521 51,867 0,278 0,26738
32 8,4 155,984 0,0156 119 2753 66,5 1,18 120,48 10,225 766,64 2,04 24,998 0,067 5,177 0,78 1,852 67,93 8,161 21,09 0,266 0,26738
33 12,7 155,984 -1,984 137 2753 71,9 1,2 160,63 15,458 761,40 1,95 22,122 0,067 7,249 0,78 1,602 67,47 8,815 18,305 0,256 0,30214
34 15,2 155,024 -1,024 148 2752 58,5 1,16 99,716 18,502 758,04 1,2 20,068 0,067 2,296 0,78 0,964 67,17 5,98 13,62 0,158 0,33307
35 16,8 149,869 2,1309 159 2746 58,3 1,16 95,302 20,449 753,11 1,29 17,127 0,066 2,199 0,76 0,98 66,73 7,532 14,404 0,171 0,38345
36 17,3 145,317 6,6826 161 2740 89,9 1,2 118,51 21,058 750,90 0,36 14,935 0,066 13,78 0,76 2,638 66,54 2,411 57,025 0,048 0,43975
37 17,2 154,523 0,4767 160 2751 76,1 1,17 92,527 20,936 754,22 1,28 24,215 0,062 8,57 0,72 5,87 66,83 5,286 59,411 0,17 0,25464
38 15 155,024 -3,024 143 2752 75,6 1,17 90,015 18,258 759,52 0,88 23,812 0,064 8,365 0,74 5,193 67,3 3,696 61,928 0,116 0,26873
39 10,5 150,953 -0,953 124 2747 73,2 1,17 93,69 12,781 763,59 0,48 19,239 0,062 7,535 0,72 2,162 67,66 2,495 50,865 0,063 0,32217
40 14,6 150,953 1,0472 149 2747 77,6 1,18 104,89 17,771 756,21 0,24 13,226 0,06 9,179 0,69 2,783 67,01 1,815 48,426 0,032 0,45104
41 26,8 166,637 0,3627 192 2765 72,7 1,17 94,225 68,225 1566,24 3,21 52,46 0,138 7,352 0,77 10,3 80,96 6,119 49,005 0,205 0,26311
42 25,5 156,914 0,0863 191 2754 69,9 1,17 91,75 64,915 1560,60 2,85 46,543 0,136 6,323 0,75 8,93 80,67 6,123 44,887 0,183 0,29133
43 26 152,521 -0,521 193 2749 70 1,17 90,015 66,188 1556,21 2,64 40,891 0,131 6,357 0,73 5,028 80,44 6,456 47,229 0,17 0,32133
44 39,5 145,317 -1,317 249 2740 58,5 1,16 91,052 100,55 1516,51 2,37 32,202 0,148 2,265 0,82 4,901 78,39 7,36 16,495 0,156 0,46017
45 55,8 138,245 23,755 338 2731 68,4 1,18 118,51 142,05 1456,80 0,6 20,666 0,136 5,882 0,76 6,855 75,3 2,903 24,674 0,041 0,65809
46 63,1 138,954 25,046 369 2732 79,5 1,2 144,22 160,63 1438,81 0,52 27,035 0,132 10,03 0,73 7,566 74,37 1,923 29,824 0,036 0,48754
47 21,2 149,327 14,673 181 2745 77,8 1,2 141,13 53,969 1560,95 3,15 33,612 0,135 9,382 0,75 8,362 80,68 9,372 28,947 0,202 0,4014
48 0,00038 6,9 158,308 0,6923 113 2756 84,1 1,18 104,89 11,086 1015,43 4,38 27,922 0,088 11,53 0,78 2,51 74,98 15,69 60,595 0,431 0,31598
49 12,8 150,953 0,0472 142 2747 74,3 1,17 91,052 15,58 758,37 5,544 18,43 0,074 7,916 0,86 1,442 67,2 30,08 57,047 0,731 0,39991
50 17,8 150,411 -0,411 171 2746 72,7 1,17 94,225 21,666 749,65 5,25 18,704 0,071 7,352 0,83 1,589 66,43 28,07 49,005 0,7 0,3816
51 14,4 145,317 0,6826 157 2740 69,9 1,17 91,75 17,528 751,99 2,325 14,646 0,071 6,323 0,83 1,779 66,63 15,88 44,887 0,309 0,48733
Mu
estr
a
0,00029
0,00061
0,00029
0,00049
0,00046
0,00042
0,00038
0,00041
𝜂𝑡 𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎
𝑊𝐵
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑇𝑉
𝜂𝐶𝑆𝑃𝑃
𝑄𝐶
𝑄𝐶𝑆𝑃𝑃𝑚
𝜂𝐵 𝜂𝐶
𝑊𝑇𝑉
𝜂𝑇𝑉
𝑊𝐶𝑇
𝜂𝐶𝑇
𝑇 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖 𝑛
par
a
𝑃3
Dif
eren
cia
de 𝑇𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖 𝑛
y𝑇 3 ℎ2
ℎ3
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
cuan
do
%
RH
=1
00
𝑔 ℎ3
41
Tabla 8 Datos obtenidos de post prueba de generación de electricidad con vapor
Tabla 9 Datos calculados de post prueba de generación de electricidad con vapor
R C Relación de tiempos de
funcionamiento de caldera
ºC ºC ºC ºC ºC psi psi psi V A W/ m2 % ºC L/min s/s
1 11:30 22 26 138 94,3 30,2 35 38 40 1,8 0,1 367 29,8 42
2 12:00 21 35,2 138 94,4 32,1 35 38 40 1,6 0,1 295 69,7 24
3 12:10 21 38,5 138 94,4 32,5 35 38 40 1,5 0,1 347 57,3 27,5
4 12:15 21 44,3 138 94,4 32,5 35 38 40 1,3 0,1 1350 59 26,2
5 12:20 21 41,4 138 94,4 32,5 35 38 40 1,3 0,1 285 62,8 26,9
6 12:25 21 37,6 138 94,5 32,5 35 38 40 1,3 0,1 1402 60,2 26,7
7 12:27 21 40,2 138 94,7 32,5 35 38 40 1,3 0,1 1260 59,7 26,6
8 12:29 21 39,5 138 94,4 32,5 35 38 40 1,3 0,1 1350 56,7 27,1
9 12:32 21 59,4 138 95,2 32,5 36 38 40 1,3 0,1 1450 56 27,5
10 12:34 25 63,9 138 95 38,3 36 38 40 1,3 0,1 1375 53,4 27,5
11 12:46 25 55,6 138 95,2 38,3 36 38 40 1,3 0,1 333 54,7 27,3
12 12:51 26 87,1 139 95,1 38,3 38 40 42 1,5 0,1 1410 55 27,7
13 13:00 28 89,8 139 94,8 38,1 38 40 42 1,5 0,1 1450 54,5 28
14 13:06 28 82,1 139 94,5 38 38 40 42 1,5 0,1 337 56,7 26,6
15 13:09 25 80,2 139 94,4 36,5 38 40 42 1,5 0,1 230 58 25,3
16 13:11 26 78,3 139 94,4 35,8 38 40 42 1,5 0,1 206 65,1 24,6
17 13:13 26 76,9 139 94,4 34,9 38 40 42 1,5 0,1 239 67,6 24,3
18 13:15 26 73,7 139 94,4 34,6 38 40 42 1,5 0,1 238 66,4 23,8
19 13:17 24 71,8 139 94,4 34,5 38 40 42 1,5 0,1 293 66,5 23,5
20 13:19 24 69,6 139 94,2 34,5 36 38 42 1,5 0,1 199 67,9 23,1
21 13:20 24 68,1 139 94,3 34,5 36 38 42 1,5 0,1 186 70,1 22,5
22 13:23 23 65,8 139 94,2 34,5 36 38 42 1,5 0,1 190 70 22,4
23 13:25 22 63,9 139 94,2 34,5 36 38 42 1,5 0,1 242 67,5 22,3
24 13:27 22 62,2 139 94,2 34,5 36 38 42 1,5 0,1 242 67,6 22,2
25 13:29 21 38 135 94,1 34,4 35 38 35 0,9 0,1 212 71,3 22,2
26 13:33 25 40,8 135 94 34,4 38 40 35 1 0,1 185 70,1 22,2
27 13:36 23 40,2 136 94,2 34,4 38 40 38 1 0,1 218 71,8 21,9
28 13:38 22 39,8 138 94,2 34,4 38 40 38 1 0,1 120 72 21,8
29 13:40 22 39,4 138 94,2 34,4 38 40 38 1 0,1 239 72,7 21,8
30 13:45 22 37,4 138 94,4 34,4 38 40 38 1 0,1 164 77,4 21,9
31 13:47 22 36,8 138 94,4 34,4 38 40 40 1 0,1 178 77 21,9
32 13:49 21 36,5 138 94,3 34,4 38 40 40 1 0,1 178 73,6 21,9
33 13:51 21 35,6 138 94,3 34,4 38 40 40 1,1 0,1 193 73,6 21,7
34 13:53 21 26,8 139 94 34,4 38 40 40 1,1 0,1 194 77,8 21,5
35 13:57 22 27 139 94 34,5 38 40 40 1,1 0,1 180 78,6 21,5
36 13:59 22 26,9 139 93,8 34,5 38 40 40 1,1 0,1 182 79,9 21,3
37 14:01 22 26,8 139 94 34,5 38 40 40 1,1 0,1 195 80,6 21,2
38 14:03 22 26,4 139 93,9 34,5 38 40 40 1,1 0,1 217 80,5 21,1
39 14:05 21 26,2 139 93,9 34,5 38 40 40 1,1 0,1 247 81,6 21,1
40 14:08 20 23,9 139 93,9 34,5 38 40 40 1,1 0,1 243 81,3 21,1
13/29
Hor
a
0,020
Mue
stra
𝑇 1 𝑇 2 𝑇 3 𝑇 4 𝑃 1 𝑃 2 𝑃 3 𝑉 𝑇𝑉
𝐴𝑇𝑉
𝑅 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑇 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑇
∆T
po
r C
SPP
Re
lació
n
de
tra
ba
jo
kg
/s
ºC ºC ºC
KJ/
Kg
KJ/
Kg
KJ/
Kg
KJ/
Kg
W W W W W W % % % % % % % %
1 4 138,95 -0,954 109 2732 96,1 1,24 238,48 5,5751 874,30 0,18 21,666 11,52 16,61 2,34 0,744 86,41 0,831 23,624 0,021 0,0024 53,1612
2 14,2 138,95 -0,954 148 2732 69,1 1,16 89,499 19,791 861,47 0,16 21,666 15,57 6,057 3,16 3,285 85,14 0,738 45,656 0,019 0,0023 71,8463
3 17,5 138,95 -0,954 162 2732 73,3 1,18 109,07 24,391 856,87 0,15 21,666 16,12 7,623 3,28 3,442 84,69 0,692 37,305 0,018 0,0022 74,4211
4 23,3 138,95 -0,954 186 2732 69,8 1,17 101,42 32,475 848,78 0,13 21,666 16,12 6,329 3,28 1,178 83,89 0,6 35,98 0,016 0,002 74,4211
5 20,4 138,95 -0,954 174 2732 75,4 1,18 105,48 28,433 852,82 0,13 21,666 16,12 8,379 3,28 4,886 84,29 0,6 43,757 0,016 0,002 74,4211
6 16,6 138,95 -0,954 158 2732 72,6 1,18 104,3 23,137 858,12 0,13 21,337 16,12 7,348 3,28 0,808 84,81 0,609 39,336 0,016 0,0019 75,5697
7 19,2 138,95 -0,954 169 2732 71,8 1,74 103,72 26,76 854,50 0,13 21,337 16,12 10,48 3,28 1,04 84,45 0,609 38,294 0,016 0,0019 75,5697
8 18,5 138,95 -0,954 166 2732 71,3 1,18 106,66 25,785 855,47 0,13 21,666 16,12 6,896 3,28 0,935 84,55 0,6 35,321 0,016 0,0019 74,4211
9 38,4 138,95 -0,954 249 2732 72,2 1,18 109,07 53,521 827,72 0,13 21,337 16,13 7,236 3,28 1,808 81,81 0,609 35,439 0,017 0,0022 75,5805
10 38,9 138,95 -0,954 268 2732 70,1 1,18 109,07 54,218 821,44 0,13 21,337 18,62 6,47 3,79 1,931 81,19 0,609 31,712 0,017 0,0023 87,2825
11 30,6 138,95 -0,954 233 2732 70,4 1,18 107,86 42,649 833,02 0,13 21,337 18,62 6,584 3,79 6,272 82,33 0,609 32,998 0,016 0,0021 87,2825
12 61,1 138,95 0,0463 365 2732 72,2 1,18 110,29 85,159 789,11 0,15 21,337 17,24 7,213 3,5 2,958 77,99 0,703 34,557 0,021 0,0031 80,7801
13 61,8 138,95 0,0463 376 2732 72,8 1,18 112,14 86,135 785,35 0,15 21,337 14,16 7,468 2,88 2,909 77,62 0,703 34,646 0,021 0,0031 66,3691
14 54,1 138,95 0,0463 344 2732 69,5 1,17 103,72 75,403 796,07 0,15 21,337 14,02 6,227 2,85 10,96 78,68 0,703 33,795 0,021 0,0029 65,7155
15 55,2 138,95 0,0463 336 2732 65,8 1,17 96,39 76,936 798,72 0,15 21,666 16,12 4,899 3,28 16,38 78,94 0,692 31,137 0,021 0,0029 74,3905
16 52,3 138,95 0,0463 328 2732 68,3 1,17 92,627 72,894 801,36 0,15 21,666 13,75 5,761 2,79 17,33 79,2 0,692 40,048 0,021 0,0029 63,4598
17 50,9 138,95 0,0463 322 2732 68,9 1,17 91,052 70,943 803,31 0,15 21,666 12,49 5,967 2,54 14,54 79,39 0,692 43,153 0,02 0,0028 57,6665
18 47,7 138,95 0,0463 309 2732 66,2 1,16 88,476 66,483 807,77 0,15 21,666 12,08 5,01 2,45 13,68 79,83 1 38,927 0,02 0,0028 55,7354
19 47,8 138,95 0,0463 301 2732 65,2 1,16 86,959 66,622 810,42 0,15 21,666 14,73 4,645 2,99 11,13 80,1 0,692 37,687 0,02 0,0028 67,9683
20 45,6 138,95 0,0463 292 2732 64,6 1,16 84,969 63,556 813,49 0,15 21,666 14,72 4,441 2,99 15,64 80,4 0,692 38,278 0,02 0,0027 67,9471
21 44,6 138,95 0,0463 285 2732 63,8 1,16 82,052 62,162 815,58 0,15 21,666 15,42 4,145 3,13 16,37 80,61 0,692 39,296 0,02 0,0027 71,1731
22 43,3 138,95 0,0463 276 2732 63,4 1,16 81,574 60,35 818,79 0,15 21,666 16,82 3,998 3,42 15,55 80,92 0,692 38,514 0,02 0,0027 77,625
23 41,9 138,95 0,0463 268 2732 61,6 1,15 81,098 58,399 821,44 0,15 21,666 17,52 3,344 3,56 11,82 81,19 0,692 32,803 0,02 0,0026 80,8509
24 40,4 138,95 0,0463 261 2732 61,3 1,15 80,624 56,308 823,81 0,15 21,666 18,26 3,243 3,71 11,39 81,42 0,692 32,339 0,02 0,0026 84,2874
25 17 135,33 -0,334 159 2727 63,5 1,15 80,624 23,694 855,97 0,09 20,074 18,77 4,014 3,82 5,473 84,6 0,448 39,985 0,011 0,0013 93,5272
26 15,8 135,33 -0,334 171 2727 62,7 1,15 80,624 22,022 852,06 0,1 20,074 13,19 3,765 2,68 5,829 84,21 0,498 37,503 0,012 0,0015 65,703
27 17,2 136,27 -0,27 169 2729 62,7 1,15 79,215 23,973 853,32 0,1 20,493 15,98 3,735 3,25 5,385 84,34 0,488 39,174 0,012 0,0015 77,9994
28 17,8 136,27 1,73 167 2729 62,4 1,15 78,75 24,809 853,88 0,1 20,493 17,38 3,647 3,53 10,12 84,39 0,488 38,95 0,012 0,0015 84,8206
29 17,4 136,27 1,73 165 2729 62,8 1,15 78,75 24,252 854,43 0,1 20,493 17,38 3,792 3,53 4,969 84,45 0,488 40,462 0,012 0,0015 84,8206
30 15,9 136,27 1,73 157 2729 65,9 1,16 79,215 22,161 857,22 0,1 20,493 18,13 4,886 3,68 6,617 84,72 0,488 51,155 0,012 0,0015 88,4538
31 15,3 138,95 -0,954 154 2732 65,7 1,16 79,215 21,325 859,23 0,1 21,666 18,13 4,804 3,68 5,883 84,92 0,462 50,298 0,012 0,0015 83,665
32 15,5 138,95 -0,954 153 2732 63,7 1,15 79,215 21,603 859,65 0,1 21,666 18,78 4,102 3,82 5,943 84,96 0,462 43,021 0,012 0,0015 86,6832
33 14,6 138,95 -0,954 149 2732 63 1,15 78,287 20,349 860,91 0,11 21,666 18,78 3,844 3,82 5,163 85,09 0,508 41,773 0,013 0,0016 86,6832
34 6,3 138,95 0,0463 113 2732 64,7 1,15 77,36 8,7807 873,18 0,11 21,666 19,48 4,43 3,96 2,212 86,3 0,508 49,864 0,013 0,0015 89,9082
35 5 138,95 0,0463 113 2732 65,1 1,15 77,36 6,9688 872,90 0,11 21,666 17,52 4,589 3,56 1,896 86,27 0,508 51,656 0,013 0,0015 80,8721
36 4,9 138,95 0,0463 113 2732 65,1 1,15 76,456 6,8295 873,04 0,11 22,127 17,52 4,582 3,56 1,838 86,29 0,497 53,481 0,013 0,0015 79,1871
37 5,3 138,95 0,0463 113 2732 65,1 1,15 76,003 7,387 873,18 0,11 21,666 18,27 4,583 3,71 1,855 86,3 0,508 54,545 0,013 0,0015 84,3087
38 4,9 138,95 0,0463 111 2732 64,7 1,15 75,552 6,8295 873,737 0,11 22,127 18,27 4,43 3,71 1,541 86,35 0,497 53,742 0,013 0,0015 82,552
39 5,7 138,95 0,0463 110 2732 65,3 1,15 75,552 7,9445 874,016 0,11 22,127 19,62 4,644 3,99 1,575 86,38 0,497 56,334 0,013 0,0015 88,6652
40 3,9 138,95 0,0463 100 2732 65,1 1,15 75,552 5,4357 877,223 0,11 22,127 20,32 4,586 4,13 1,095 86,7 0,497 55,629 0,013 0,0015 91,8368
0,00033
Mu
estr
a
𝜂𝑡 𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎
𝑊𝐵
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑇𝑉
𝜂𝐶𝑆𝑃𝑃
𝑄𝐶
𝑄𝐶𝑆𝑃𝑃𝑚
𝜂𝐵 𝜂𝐶
𝑊𝑇𝑉
𝜂𝑇𝑉
𝑊𝐶𝑇
𝜂𝐶𝑇
𝑇 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖 𝑛
par
a
𝑃3
Dif
ere
nci
a
de 𝑇𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖 𝑛
y𝑇3
ℎ2
ℎ3
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
cua
nd
o
%R
H=
10
0
𝑔 ℎ3
𝜂𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
42
8. ANÀLISIS DE RESULTADOS
De acuerdo al gráfico 1 podemos observar que el comportamiento de las
eficiencias en el tiempo a partir de los datos tomados es disperso. Lo que nos
lleva a establecer que la frecuencia en la toma de datos fue muy amplia debido
al simple hecho de que cuando en el CSPP está llegando una radiación solar
global grande hay un cambio de temperatura pequeño o viceversa, lo cual no
es congruente.
Gráfico 1 Comportamiento de las eficiencias respecto al tiempo durante pruebas de generación
La eficiencia térmica del sistema construido es mucho más baja de lo
esperado, teniendo eficiencias menores de 1%. Lo que lo hace inaceptable,
pues se invierte una cantidad energética para producir menos de una
centésima parte en la turbina que solo aprovecha el 0,6% de energía que el
vapor le ofrece a su paso, es decir 21,45 W.
Se evidencia que de acuerdo a estas pruebas el dispositivo con el menor
aporte energético dentro del montaje es la bomba, pues al activarse por poco
tiempo e invertir su trabajo tratando de almacenarlo en el tanque
hidroneumático para presurizarlo y que este envié agua al sistema se propicia
la perdida de energía por fricción en la red hidráulica. Teniendo esto se analiza
que el hecho de haber pensado que el tanque podía cumplir la labor de la
bomba fue un error.
43
Gráfico 2 Comportamiento de las potencias respecto al tiempo durante pruebas de generación
La mayor cantidad de energía aportada al sistema proviene de la caldera con
un aporte promedio de 1070.4 W que corresponde al 96,7% del calor ingresado
al sistema, lo cual no cumple con la idea inicial de complementar la producción
calor del CSPP, convirtiéndose en el elemento principal en la generación de
vapor, al destacarse como el más eficiente, pero ello implica el consumo
considerable de energía eléctrica que no ha de compensarse.
Gráfico 3 Calor concentrado por CSPP y Radiación directa global durante pruebas de generación
El CSPP según estas pruebas solo estaba en promedio aprovechando el 3 %
de la amplia oferta de radiación solar global cuya variación estaba en un rango
de 207 hasta 1207 W/m2, por tanto se consideró analizar una prueba tomando
los datos a una frecuencia de 2 a 5 minutos, con la bomba funcionando
constantemente durante la totalidad de la prueba de generación eléctrica que
incluir la medida de temperatura del agua a la salida de la bomba designada T6,
44
los nuevos datos obtenidos se evidencian en la tabla 2 de la sección de
resultados.
Gráfico 4 Comportamiento de las eficiencias respecto al tiempo durante post prueba de generación
Comparando estas muestras con las anteriores, los resultados son menos
dispersos demostrando que es efectivo el monitoreo continuo del ciclo para
describir mejor su comportamiento.
Sin embargo, se comprobó definitivamente que el sistema ciclo Rankine
construido a pesar de ser operativo y alcanzar a generar electricidad con vapor,
no es eficiente ya que no ha logrado producir más del 1% de la energía que
consume.
Al mantener encendida la bomba en todo el ciclo, bajo la eficiencia de la turbina
de 2,77% al 0,12% solo produciendo 0,12 W al trabajar en una presión
cercana a la mínima de su funcionamiento es decir 35 psi. En cuanto bomba
subió su eficiencia cerca del 4% pero no es suficiente teniendo en cuenta que
el caudal manejado es muy bajo.
45
Gráfico 5 Calor concentrado por CSPP y Radiación directa global durante pruebas de generación
En CSPP se aumentó la temperatura del agua hasta 89,8 ºC con una radiación
solar global de 1450 W/m2 correspondiente a una eficiencia del 14,53%,
aportando en 9,88% del calor total adicionado al agua. Lo que es un indicador
que su actual estado de funcionamiento es aceptable, comparado con la
eficiencia obtenida previamente en el trabajo de grado “Medición del potencial
de concentración de radiación solar de un concentrador solar parabólico”, el
cual fue equivalente al 22%.
46
8. CONCLUSIONES
El potencial energético del sistema ciclo Rankine empleando un concentrador
solar de plato parabólico es de 0,1 W.
Las condiciones mínimas de operación están dadas por la presión y
temperatura en la caldera, a 35 psi y 135,33ºC respectivamente, propiedades
de estado del agua saturada requeridas para que la turbina comience a
funcionar.
La eficiencia térmica del ciclo es de 0,01% y relación de trabajos corresponde a
93,52%, por lo cual se considera que el sistema en este momento no es
funcional, desde el punto de vista de aprovechamiento energético.
47
10. RECOMENDACIONES
El cambio de la turbina y generador, de modo que esta pueda operar desde
presiones más bajas y posiblemente en varias etapas, de modo que optimice el
proceso de generación eléctrica.
En caso de estudios posteriores, para hacer un análisis más completo y
minucioso del sistema se aconseja monitorear constantemente las propiedades
de agua especialmente en el CSPP.
Como en el desarrollo de trabajos anteriores, se ha venido sugiriendo el cambio
de absorbedor por uno en forma de espira y con sección de tubería más
pequeña que permita que a un menor caudal se eleve más la temperatura.
En caso de operar el sistema a presiones más elevadas de 40 psi se requiere
una bomba de mayor cabeza de presión, o en su defecto usar un compresor
para el tanque hidroneumático.
Se debe incluir al análisis termodinámico la temperatura del agua a la salida de
la bomba ya que esta produce un cambio significativo en esta propiedad y es
poco perceptible en el medidor de temperatura anterior al CSPP.
48
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50
ANEXOS
ANEXOS 1
Tablas termodinámicas
51
52
53
Tabla cálculo de espesores según diámetro de tubería
Anexos 2
BOMBA
Bomba para agua Karson
Model. KSN-3560
H. Max.: 18m
Caudal Max.: 28L/min Voltaje: 110V Frecuencia: 60Hz Amperaje: 4.6 A Potencia: 0.5HP
3650 rev/min
54
TANQUE HIDRONEUMATICO:
Tanque Well Mate
WM-25WB
Capacidad: 86.7 gal/min
Presión de operación máxima: 862KPa
Diámetro: 61cm Altura total: 140cm Descarga: 5.7cm
Conexión al sistema: ½” Peso del tanque: 33 Kilos
GENERADOR
Motor-generador: Dowonsol
Modelo: 9080
Corriente: 0.5 A
Voltaje máx.: 24V Velocidad máx.: 4300 RPM Tipo: Micro motor de imán
permanente
55
CALDERA
Medidas: Diámetro interno: 120mm
Altura: 400mm
Materiales: Tubo petrolero de 5”-Cedula 40
Tres acoples de 3/8”NPT Dos tapas de calibre 1/4”
Nivel de vidrio para cafetera industrial
Aislamiento Materiales:
Tubo de PVC de 6” Tapas platicas Lana mineral
Resistencia eléctrica
sumergida:
Potencia: 2500W Para: 120 V
Longitud: 25cm Diámetro espiral: 2”
TURBINA:
Turbocompresor de automóvil
NPR: Número de alabes: 11 Ancho de alabes: 6mm Diámetro del eje: 8mm
Diámetro externo: 74.3mm Etapas:1
Longitud carcasa de alabes: 6.35cm Longitud total: 25cm
56
Centro de control eléctrico CCE
FI1
Rango de operación de voltaje:
DC24V±8V/1A Voltaje del sensor de fluido:
DC 5V (fluido de la señal de entrada 1-400Hz de onda cuadrada).
Flujo total: 1-999999 LPM Rango cuantitativo: 0.1-9.9999 L
TIC3
Marca :Powerline Tipo: ON/OFF
Termocupla: Tipo J, de tres metros de longitud
Rango de temperatura: 0-300°C
Contactor AC CHINT Referencia: 87YN
110V-60Hz
HB2: ON/OFF – Autorretenido HB1:ON/OFF –Autorretenido
HB3:ON/OF-Totalizador TLB3: Señal luminosa
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Relleno de polipropileno
Ventilador axial
Potencia: 11-35W
Voltaje: 110
Frecuencia: 60 Herz
57
SISTEMA DE FLUJO:
MANGUERA Y TUBERIAS: Manguera industrial de caucho en ½” 4m Manguera enlonada en ½” 2.10m Tubería de PVC en ½” 2.80m Tubing de Acero Inoxidable en ¼” 0.5m Tubing de cobre en ¼” 1.2m
Termocuplas tipo K TP-01 de un metro de longitud: Cantidad: 3
Termometro reloj de 3” de gas 50°c Rosca NPT DE ½”
Válvulas:
Válvula de aguja Nupro Company Serial: OHIO 440944 Acoples de rosca interna de ¼” NPT
Válvula de seguridad Herbert: Para una presión máxima de 200psi
Acople de rosca externa de ¼”NPT. Resorte E acero inoxidable y sello de silicona.
Válvulas antirretorno de resorte RE-GE: Acople roscado de ½” Cono de latón con junta de goma.
Válvula antirretorno de Bola: Antirretorno Mipal Indutria Brasilera Para una temperatura máxima de 250°c Sellos en acero inoxidable. Acople interno roscado de ½”.
AISLAMIENTO TÉRMICO
Para tuberias, elastomerico de celda cerrada Mobius TH Espesor 19mm Rango de Temperatura: 40°C-110°C Conductividad termica: 0,035W/mk
58
Lana mineral: Supafil 034
Aislante de mineral de lana virgen Sin ligante.
CONCENTRADOR SOLAR DE PLATO PARABOLICO
Diámetro externo: 2m
Área de colección: 3,1416m2
Área superficial reflectiva:
3,8294m2
Distancia del foco a la base: 0,5m
Peso: 37,15 Kg
Factor de concentración: 1,96
MULTIMETRO ERAMUS EM-6
VOLTAJE DC: 400mV -250 V (± 1.0% ± 4)
AMPERAJE AC:400µA-10ª (± 2.0% ± 5)
TEMPERATURA K: De -20°C a 1300°C ± 3%
59
PIRANÓMETRO HT -204
UNIDADES DE MEDIDA W/m2 Y BTU/(ft2*h)
RANGO DE MEDIDA
1-1999 W/m2
DATTALOGGER RHT10
HUMEDAD RELATIVA 0 a 100%
Precisión (0 a 20 y 80 a 100%) ±5.0% Precisión (20 a 40 y 60 a 80%) ±3.5%
Precisión (40 a 60%) ±3.0%
TEMPERATURA -40 a 70°C (-40 a 158°F) Precisión (-40 a -10 y +40 a +70 °C) ±2 °C
TERMOANEMÓMETRO DT-317
VELOCIDAD
1 a 30 m/s
Precision 3% +- 0,20m/s
MULTIMETRO DE PINZA BK 369B
VOLTAJE AC: 0-750 V
AMPERAJE AC:Hasta 1000A
60
Anexo 3
GUIA DE OPERACIÓN SISTEMA DE GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD POR VAPOR (CICLO RANKINE)
PRECAUCIONES INICIALES
1. Verificar la disposición de electricidad en el panel de control accionando momentáneamente cualquier interruptor de éste. En caso de no tener carga, revisar el breaker de conexión en el tablero de distribución, ubicado en el salón debajo del montaje.
2. Inspeccionar y /o hacer limpieza del plato parabólico, el filtro y, especialmente la torre de enfriamiento ya que en su depósito se acumula oxido.
3. Revisar la cantidad de agua dispuesta para uso, bien sea observando el nivel y manómetro del tanque hidroneumático, o inspeccionando el depósito de la torre
de enfriamiento de donde la bomba se abastece de líquido (ver Figura 1).
MONTAJE
Figura 1. Montaje del sistema ciclo Rankine: 1. Centro de control, 2. Bomba, 3. Tanque hidroneumático, 4. Concentrador solar de plato parabólico, 4a-4b. Platos de posicionamiento del concentrador, 5. Caldera, 6. Turbina de vapor, 6a. Generador, 7. Torre de enfriamiento, 7a. Ventilador de la torre, 7b. Depósito de agua de la torre, 8. Filtro.
61
Abreviatura Significado
FE Elemento de caudal (Caudalímetro)
FI Indicador de caudal
HB Interruptor manual
HV Válvula manual
LG Visor de nivel
PI Indicador de presión (Manómetro)
PSV Válvula de seguridad
TE Elemento de temperatura (Termocupla tipo K)
TI Indicador de temperatura (Termómetro)
TIC Control indicador de temperatura
TT Transmisor de temperatura (Termocupla tipo J)
UI Indicador multivariable (Multímetro lector de temperatura, voltaje y amperaje)
UR Registro multivariable (Datalogger medidor de humedad, temperatura y punto de rocío)
Dispositivo ubicado en montaje
Dispositivo en panel de control
62
Dispositivo de origen externo
Estados termodinámicos
Figura 2. Plano general del sistema ciclo Rankine.
Figura 3. Panel de control del CCE
PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN
Todas las válvulas manuales deben estar cerradas.
El concentrador solar durante el tiempo de operación del sistema para
mantener alineando su foco respecto al Sol, se posiciona continuamente de
manera manual con un sistema de platos ubicados en los apoyos de sus ejes
de rotación y pasadores.
En TIC3 se introduce el valor de la temperatura de saturación según la presión
que maneje la bomba (38psi-140°C) o el tanque hidroneumático (38psi a
105psi-140°C a 170°C).
Inicialmente se debe impulsar el agua por la tubería, esto se puede hacer
usando la bomba cuyo encendido se da accionando HB2, o empleando el
tanque hidroneumático con previa carga de agua y/o aire y dando apertura a
HV1.
Abrir HV2 y HV4 de modo que circule el agua hasta llenar la caldera y elimine
el aire en el circuito; luego se acciona HB3 para encender la resistencia
eléctrica encargada de adicionar calor al agua hasta condiciones de vapor
saturado en la caldera y fluir hasta la turbina.
63
Es opcional durante el aumento de temperatura del agua, cerrar HV4 y abrirla
progresivamente y/o por intervalos para prevenir el incremento excesivo de la
presión, de esta forma se reduce el tiempo para lograr vapor de agua.
Una vez se observe salida de vapor por la torre de enfriamiento se enciende su
ventilador oprimiendo HB1, luego cuando la temperatura (TI3) y presión (PI3)
en la caldera se logran estabilizar se procede a la toma de medidas a partir de
indicadores distribuidos en el circuito de flujo para establecer las propiedades
de estado del agua en puntos antes y/o después de entrada o salida de energía
en forma de trabajo y calor(ver figura 2); aquellos medidores que están de
fondo gris en el plano, están disponibles en el montaje, los de fondo blanco
como lo son el piranómetro (TE), dattalogger (UR1) y multímetro(UI1) se ubican
en el momento de la medición. La lectura de caudal o volumen total de flujo, se
toma en FT1 el cual se enciende y apaga accionando RUN (ver Figura 3)
Para desactivar el sistema, se apaga la resistencia colocando ceros en TIC3 o
accionando HB3, se abre suavemente HV5 para purgar y bajarle la
temperatura a la caldera, dejando circular agua.
Una vez la temperatura de la caldera se aproxime a la del ambiente, se
inhabilita el flujo de la bomba (oprimir HB2) o el tanque hidroneumático (cerrar
HV1), y cuando la caldera quede vacía se dispone a cerrarse HV4 y HV5.
Finalmente, todos los dispositivos y válvulas se dejan apagados y cerrados.
LLENADO DE TANQUE HIDRONEUMÁTICO
Se realiza transportando agua desde el depósito de la torre de enfriamiento (el
cual debe abastecerse manualmente) encendiendo la bomba con HB2, y
dejando HV1abierta y HV2-HV3 cerradas (ver Figura 4).
64
Figura 4: Válvulas manuales
Se culmina el proceso apagando la bomba y cerrando la válvula cuando el
tanque alcanza una presión de 38 psi (presión máxima de funcionamiento de la
bomba) que puede ser vigilada con PI4. Pero cuando se desea operar el
sistema con una presión mayor, se debe presurizar con aire una membrana
contenida en el tanque que a su entrada tiene una válvula neumática tipo
schrader (válvula de neumático de automóvil), ubicada en la parte superior del
tanque.
RECOMENDACIONES DE USO Y MANTENIMIENTO.
Elementalmente se debe limpiar cada uno de los componentes preferiblemente
antes y después de operar el sistema con estopa o un trozo de tela
humedecido con agua, pero el colector solar se sugiere limpiar con alcohol
industrial.
Para mitigar la corrosión en las partes de material oxidables expuestas al
ambiente, se aplica pintura anticorrosiva en color negro.
Cuidar los dispositivos de medición evitando golpearlos o halarlos
bruscamente, por ello en caso de reparaciones correctivas son los primeros a
desacoplar, especialmente los manómetros. La calibración de manómetros es
cada 2 años. Las termocuplas se inspeccionan regularmente con otra
calibrada tomada como patrón y se decide cambiar dependiendo el rango de
exactitud en la medida que se desee manejar.
65
Revisar el circuito de flujo ante la posibilidad de fugas de agua o vapor y
realizar la reparación bien sea sellando las uniones o cambiando la pieza o
acople. Hay que tener en cuenta que en la zona de flujo de vapor se debe
utilizar sellantes y piezas para alta temperatura.
Tanque hidroneumático: Para purgarlo o vaciar el agua al exterior del sistema
se debe dejar abiertas HV1-HV3 y cerrada HV2.
Cambiar su contenido cada 3 meses y disolverle en el agua una cantidad de
cloro (puede ser 1/4 de pastilla aprox. 10 gr) para evitar desarrollar algún tipo
bacteria.
Dado el caso de planear dejar de usarlo durante varios días o meses se
sugiere dejarlo vacío.
Turbina: Antes de ponerla a funcionar, se mueve manualmente el eje del
conjunto generador-turbina en la parte superior del generador, para confirmar
que rotación no este obstruida o frenada. En caso contrario se revisa la
alineación entre ejes o, el interior su la carcasa ante la falta de lubricación de
los rodamientos o suciedad obstruyente.
Para destapar la carcasa se desmonta la parte superior desacoplando la
conexión de entrada de vapor y desenroscándola (rosca derecha) de la tapa en
aluminio. Se extrae el eje retirando un tornillo que aprisiona el acople
mecánico, con una llave bristol de 3 mm a través de un agujero lateral en la
carcasa.