Este documento presenta un análisis del ciclo de Rankine variando la temperatura de entrada al turbina. Se muestra que al aumentar la temperatura de 430°C a 620°C, la eficiencia térmica aumenta de 38.15% a 43.35% y la calidad del vapor aumenta de 62.13% a 81.14%. Adicionalmente, se presentan cálculos para varios grupos que analizan como cambian las propiedades del vapor al variar la presión de la caldera y el condensador.

1. UNIVERSIDAD FERMIN TORO VICE RECTORADO
ACADEMICO FACULTA DE INGENIERIA
INGENIERIA EN MANTENIMIENTO MECANICO
1ER MODULO
EFRAIN L. CORTEZ Z.
CI V-21.505.204
ASIGNATURA: TERMODINÁMICA II
PROFESOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVAS
CABUDARE, 23 DE NOVIEMBRE DE 2015

2. SEGUNDA EVALUACIÓN 1ER MÓDULO
10%
Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas
El sobrecalentamiento del vapor hasta altas temperaturas aumenta el rendimiento térmico
delciclo al aumentar la temperatura promedio a la que se proporciona el calor. El
sobrecalentamiento del vapor está limitado hasta un máximo de 620 °C por consideraciones
metalúrgicas, es decir,por la capacidad de los materiales para soportar altas temperaturas.
En este apartado analizaremos el ciclo Rankine al variar la temperatura de entrada a
laturbina desde 340 °C hasta 620 °C en intervalos de 40 °C. Los valores de la presión de la
caldera y del condensador son fijos para cada grupo según la siguiente tabla:
Grupo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
PCaldera
(bar)
15
0
145 140 135 130 125 120 155 160 165
PCondensador
(bar)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1. Elaborar una tabla con los valores de la temperatura de entrada a la turbina, el
rendimiento térmico del ciclo y el título del vapor a la salida de la turbina.
GRUPO 1
ESTADO 1
P1 = 10Kpa
Liquido saturado
h1 = hf = 191,83Kj/Kg
V1 = Vf = 0,00101 m^3/Kg
ESTADO 2
P2 = 15 Mpa
S2 = S1
h2 = h1 + Wbomba
Wbomba= V1 (P2 – P1)
Wb= 0,00101m^3/Kg (15000 – 10)Kpa x Kj/Kpa x m^3
Wb= 15,1399
h2 = 191,83Kj/Kg + 15,1399 = 206,9699 Kj/Kg

3. ESTADO 3
P3 = 15 Mpa
T3 = 620º
h3 = 2610,5Kj/Kg
S4 = S3 = 5,3098
ESTADO 3`
P3`= 15 Mpa
T3 = 620º
hKj/Kg S
600 ---- 3582,3 ---- 6,6776
620
650 ---- 3712,3 ---- 6,8224
h3`= 3582,3 + (3712,3 - 3582,3) = 3634,3 Kj/Kg
s3`= 6,6776 + 0,4 x (6,8224 - 6,6776)= 6,73552 Kj/Kg
ESTADO 4
P = 10 Kpa
S3`=S4`= 6,73552Kj/Kg
hf= 191,83
X4`= (6,73552 – 0,6493)/7,5009= 0,8114
h4`= 191,83 + 0,8114 x 2392,8 = 2133,35 Kj/Kg
qent= h3 – h2 = 2610,5 – 206,9699 = 2403,53
qsal = h4 – h1 = 1678,47 – 191,83 = 1486,6
N = 1 – (qsal/qent) = 1 – 1486,6/2403,53 = 0,3815 ò 38,15%
qent= h3` – h2 = 3634,3 – 206,469 = 3427,33
qsal = h4` – h1 = 2133,35 – 191,83 = 1941,52
N = 1 – (1941,52 / 3427,33) = 0,4335 ó 43,35%

4. Por lo tanto la eficiencia térmica aumenta 38,15% a 43,35% como resultado de
sobrecalentar el vapor de 430ºC a 620ºC. Al mismo tiempo, la calidad del vapor aumenta
de 62,13 % a 81,14% (el contenido de humedad desciende de 37,87% a 18,86%).
Se observa un aumento en la entrada de calor el trabajo también como resultado del
sobrecalentamiento del vapor a una temperatura más alta, el efecto total es un incremento
en la eficiencia térmica. El sobrecalentamiento del vapor a temperatura más alta tiene
efecto en que disminuye el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina de
calidad 4`y más alta que la calidad 4. Si sobrepasa 620ºC hay que mejorar los materiales
con el aumento de la presión caldera P=150bar = 15Mpa = 15000Kpa es que la calidad
disminuye conforme aumenta la presión o va aumentando la calidad a medida que la
presión disminuye.
GRUPO 2
1.) P1 = 20Kpa
hq saturado
h1= hf = 251,40
V1 = Vf = 0,001017
S1 = Sf = 0,8320
2.) P2 = 14,5 Mpa
S2 = S1 = 0,8320
h2 = 251,40 + 0,001017 (14500 – 20)Kj/Kpa.m^3 = 266,126
3.) P3 = 14,5Mpa
T3 = 380ºC
P = 12,5 Mpa P = 15Mpa
H s h s
350 ---- 2826,2 ---- 5,7118 2692,4 ------ 5,4421
380
400 ---- 3039,3 ---- 6,0417 2975,5 ------ 5,8811
DOBLE INTERPOLACION
h = 2826,2 + (3039,3 – 2826,2) = 2954,06
S = 5,7118 + 0,6 (6,0417 – 5,7118) = 5, 9097
h = 2692,4 + 0,6 (2975,5 – 2692,4) = 2862,26

5. S = 5,4421 + 0,6 (5,8811 – 5,4421) = 5,7055
12,5 ---- 2954,06 ---- 5,90974
14,5
15 ---- 2862,26 ---- 5,7055
h3 = 2954,06 + (2862,26 – 2954,06) = 2880,62
S3 = 5,90974 + 0,8 (5,7055 – 5,90974) = 5,74635
ESTADO 3`
P3`= 14,5
T3 = 620ºC
P = 12,5 Mpa P = 15Mpa
H s h s
600 ---- 3604 ---- 6,7810 3582,3 ------ 6,6776
620
650 ---- 3730,4 ---- 6,9218 3712,3 ------ 6,8224
h = 3604 + (3730,4 - 3604) = 3654,56
S = 6,781 + 0,4 (6,9218 – 6,7810) = 6,8373
h = 3582,3 + 0,4 (3712,3 – 3582,3) = 3634,3
S = 6,6776 + 0,4 (6,8224 – 6,6776) = 6,7355
12,5 ---- 3654,56 ---- 6,837
14,5
15 ---- 3634,3 ---- 6,7355
h3`= 3654,56 + 0,8 (3634,3) = 3638,35 Kj/Kg
S3`= 6,837 + 0,8 (6,7355 – 6,837) = 6,75588
ESTADO 4
P = 20 Kpa
S3 = S4 = 5,74635
hf = 251,40 Kj/Kg

6. hfg = 2368,3
Sf = 0,8320Kj/Kg
Sfg = 7,0766
X4 = = 0,6944
h4 = 251,40 + 0,6944 x 2358,3 = 1889,00 Kj/Kg
ESTADO 4`
P = 20 Kpa
S3 = S4 = 6,7558
X4`= = 0,8371
h4`= 251,40 + 0,8371 x 2358,3 = 2225,53
qent = 3638,35 – 266,13 = 3372,22
qsal = 1889 – 251,40 = 1637,6
N = 1 – (1637,6/2614,49)= 0,3736 ó 37,36%
qent = 3638,35 – 266,13 = 3372,22
qsal = 2225,53 – 251,40 = 1974,13
N = 1 – (1974,13 – 3372,22 = 0,4146 ó 41,46%
GRUPO 3
P1 = 30 Kpa
hq saturado
h1 = hf = 289,23
V1 = Vf = 0,001022
S1 = Sf = 0,9439
ESTADO 2
P2 = 14 Mpa
S2 = S1 = 0,9439
h2 = 289,23 + 0,001022 x (14000 – 30) = 303,507 Kj/Kg

7. ESTADO 3
P3 = 14Mpa
T3 = 420ºC
P = 12,5 Mpa P = 15Mpa
H s h s
400 ---- 3039,3 ---- 6,0417 2975,5 ------ 5,8811
420
450 ---- 3199,8 ---- 6,2719 3156,2 ------ 6,1404
h=3039,3 + (3199,8 – 3039,3) = 3103,5
S = 6,0417 + 0,4 (6,2719 – 6,0417) = 6,13378
h = 2975,5 + 0,4 ( 3156,2 – 2975,5) = 3047,78
S = 5,8811 + 0,4 ( 6,1404 – 5,8811) = 5,98482
12,5 ---- 3103,5 ---- 6,13378
14,5
15 ---- 3047,78 ---- 5,98482
h3 = 3130,5 + (3130,5 – 3047,78)= 3136,93 Kj/Kg
S3 = 6,0444Kj/Kgºk
Estado 3’
P= 12.5 Mpa p= 15Mpa
P3’= 14Mpa 600 p= 15Mpa
620  h=3654.56 h=3634.3
T3= 620°c 650 s= 6.8383  s= 6.7355
12.5  3654.6  6.8373
14 h3’ = 3642.40
15 3634.3 6.7355 S3’= 6.77624
Estado 4

8. P= 30Kpa hf=289.23 Sf= 0.9439
S3’= S4’ = 6.7762hfg= 2336.1 Sfg= 6.8247
X4= = 0.7474 o 74.74% h4= 289.23+0.7474x 2336.1
H4= 2035.13
Estado 4’
P= 30Kpa Hf= 289.23 Sf= 0.9439
S3’=S4’=6.7762 Hfg= 2336.1 Sfg= 6.8247
X4= = 0.8546 o 85.46%
H4’ = 289.23+0.8546 x(2336.1) =2285.66
Qent= 3136.932-303.507= 2833.43
Qsal= 20.5.13-289.23 = 1745.9
N= 1- = 0.3838 o 38.38%
Qent=3642.40-303.507= 3338.89
Qsal= 2285.66-289.23= 1996.43
N= 1- -------------- = 0.4021 = 40.21%
Grupo 4
Estado 1
H1= Hf= 317.58
P1= 40Kpa V1=Vf= 0.001027
Liquido saturado S1= Sf= 1.0259
Estado 2
P2= 13.5 H2= 317.58+0.051027(13500-40) = 331.40
S2=S1 P= 12.5Mpa /P=15Mpa
Estado 3
450 3199.8  6.2719 -3156.2 6.1404

9. P3=13.5 460
T3= 460°C 500 3341.8  6.4618 -3308.6  6.34’
H= 3194.8 + (3341.8 -3199.8) = 3228.2
S= 6.2719+0.2(6.4618-6.2719)=6.30988
H= 3156.2+02(3308.6-3156.2)= 3186.68
S= 6.1404+03(6.3443-6.1404)= 6.18113
12.5 3228.2—6.3099 H3= 3211.59
13.5 
15  3186.68 6.18118 S3=6.2584
Estado 3’
P= 12.5Mpa P= 15Mpa
P3’= 13.5Mpa 600 
620 H= S=
T3= 620°C 650  S= S=
12.5 3654.56  6.8373 H=3654.35+04(3634.3-3654.56)
13.5 
15  3634.3  6.7355 H3’= 3646.456 Kj/Kg S3’= 6.7966
Estado 4
P4= 40Kpa Hf= 317.58 Sf= 1.0259
S3=S4= 6.2584 Hfg= 2319.2 Stg= 6.644
X4= = 0.7875 = 78.75%
H4= 317.58+0.7875(2319.2) = H4= 2144.04Kj/Kg
Estado 4’

10. P=40Kpa X4’= =0.8685=86.85%
S3’=S4’) 6.7966 H4’= 317.53+0.8685x(2319.2)= 2331.80= H4
Qent= 3211.59 331.40 = 2880.19Kj/Kg
Qsal= 2144.04- 317.58 = 1826.46 Kj/Kg N=1- = 0.3658 = 36.58%
Qent= 3646.456  331.40 3315.056
Qsal= 2321.80  317.58  2014.23 N= 1- = 0.3924 = 39.24%
Grupo 5
Estado 1
P1= 50Kpa H1= Hf = 340.49
Liquido saturado V1= Vf = 0.001030
S2=s1= 1.0910
Estado 2
P2= 13Mpa H2= 340.49+0.001030(13000-50)
S2=S1 H2= 353.83 Kj/Kg
Estado 3
P= 12.5 P= 15
P3= 13 Mpa 4503199.8  6.2719 3156.26.1404
T3= 500°c 500 
550 3341.8  6.4618 3308.6 6.3443
H= 3199.8 (3341.8-3199.8) = 3270.8
S=6.2718+0.5(6.4618-6.2719)= 6.36685
H= 3156.2+0.5(3308.6-3152.2)=3233.4
S= 6.1404+05(6.3443-6.1404)=6.2423
12.5 3270.8  6.36685 h3= 3270.66 Kj/Kg

11. 13
15 6.1404+05(6.3443-6.1404) = 6.36640 Kj/Kg
Estado 3’
P= 12.5 P=15
H S
P3’=13 600 12.53654.56 6.83732
620 13
T3= 620°c 650 15 3634.3 6.73552
H3’=3654.56+ = (3634.2-3654.56)= 3650.488= H3’
S3’= 6.83732+0.2(0.7355-6.8373) = 6.81690
Estado 4
P4= 50Kpa Hf=340.49 Sf= 1.0910
S3=S4= 6.36640 Hfg=2305.4 Sfg=6.5029
X4= = 0.8112  81.12%= X4
H4=340.49+0.8112x2305.4= 2210.72= H4
Estado 4’
P= 50Kpa
S3’=S4’= 6.81696 x4’= =0.8805 o 88.05%
H4’340.49+0.8805x2305.4= 2370.45 = h4’
Qent= 3270.66-353.33= 2916.83
Qsal= 2210.72-340.49= 1870.23 N=1- = 0.3588  35.88%
Qent= 3650-488-353.83=3296.66
Qsal= 2370.45-340.49= 2029.96 N= 1- =0.3842  38.42%
Grupo 6

12. P1= 60 Kpa Nf hf hfg Sf Sfg
Liquido Saturado 50 0,0001030 ---- 340,49 --- 2305,4 --- 1,0910 --------
6,5029
60
75 0,001037 ------ 384,39 --- 2278,6 --- 1,2130 -------
6,2434
Nf= 0,001030 + (0,00137 – 0,001030) = 358,05 =h1
hf= 2305,4 + 0,4 x (278,6 – 2305,4) = 2294,68= hfg
Sf= 1,0910 + 0,4 x ( )= 1,1398=S1
Sfg= 6,5029 + 0,4 x ( )=6,3991= Sfg
Estado 2
P2= 12,5 h2= 358,05 + 1,032 x 10-3
= (12500 – 60)
S2 = S1 h2= 370,898
Estado 3 T h s
P3= 12,5 500 --------- 3341,8 ------- 6,4618 h3= 3448,52
540
T3= 540°C 550 --------- 3475,2 --------- 6,6290 S3= 6,59556
Estado 3´
P3´= 12,5 Mpa h3´= 3654,56
T3= 620°C s3= 6,83732
Estado 4
P4= 60 Kpa hf= 358,05 Sf=1,1398 s3=s4= 6,59556
Hfg= 2294,68 Sfg= 6,3991
X4= = 0,8526 o 85,26 %
h4= 358,05 + 0,8526 x (2294,68) = 2314,45 = h4

13. qent= 3448,52 – 370,898 = 3077,622 N= 1- = 0,3643 ó 36,43%
qsal = 23314,45 – 358,05 = 1956,4
qent= 3654,56 – 370,898 = 3283,6 N= 1- = 0.37777 ó 37,77%
Grupo 7
P1= 70Kpa Nf hf hfg Sf Sfg
Liquido Saturado 50 0,0001030 ---- 340,39 --- 2305,4 --- 1,0910 --------
6,5020
70
75 0,001037 ------ 384,39 --- 2278,6 --- 1,2130 -------
6,2434
Nt= 1,0356x10-3
hf 375,59 hfg= 2283,96
Sfg= 1,1886= S1 sfg=6,29512
Estado 2
P2= 12Mpa h2= 375,59 + 1,0356x10-3
(12000 – 70)
S2=S1 h2= 387,947
Estado 3 P=10 P=12,5
P3= 12Mpa 600 ----- 3625,3 ------- 6,9029 3604,0 ---------- 6,7810
T3= 620°C 620
650 ------ 3748,2 -------- 7,0398 3730,4 ---------- 6,9218
h= 3625,3 + (3748,2 – 3625,3) = 3674,46
s= 6,9029 + 0,4 (7,0398 – 6,9029)= 6,9577
s= 6,7810 + 0,4 (6,9218 – 6,7810)= 6,83732
h= 3604 + 0,4 (3730,4 – 3604) = 3654,56
h s

14. 10 ------------ 3674,46 -------- 6,95766 h3= 3658,54
12
12,5 --------- 3654,56 --------- 6,83732 s3= 6,861388
Estado 3´
P3´=12 Mpa S3´= 6,861388
T3= 620°C h3´=3658,54
Estado 4
P4= 70Kpa x4= = 0,9012 ó 90,1 %
S3´=S4´=6,861388 h4´=375,59 + 0,9012 x 2283,96
H4´=2433,976
qent= 3658,54 – 387,94 = 3270,59 N=1- = 0,3706 ó 37,06%
qsal= 2433,9766 – 375,59= 2058,38
qent= 3658,54 – 387,9447 = 3270,5953 N=1- =0,3706 ó 37,06%
qsal= 2433,9766 – 375,59= 2058,38
GRUPO 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tturbina 340 380 420 460 500 540 620 660 700
Nt 38,15 37,36 38,88 36,58 35,88 36,43 37,06 37,55
N sobre
calentad
o
43,35 41,46 40,21 39,24 38,42 37,77 37,06 36,87
X4 0,621
3
0,694
4
0,747
4
0,787
5
0,811
2
0,852
6
0,90 91,29
X4´ 0,811
4
0,837
1
0,854
6
0,868
5
0,880
5
0,890
3
0,90 0,894
0
TH °C 515,7 532 550,4 550,4
4
559,9
1
564,1
0
576,5
4
596,9
3
GRUPO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

15. PRESION
DE
CLADERAS
bar 150 145 140 135 130 125 120 155 160 165
Mpa 15 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5 12 15,5 16,0 16,5
Kpa 1500
0
1450
0
1400
0
1350
0
1300
0
1250
0
1200
0
1550
0
1600
0
16500
Pconde(bar
)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Kpa 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tturbina °C 340 380 420 460 500 540 620 660 700 740
Inicialmente la presión de caldera 150bar se puede observar que al disminuir la presión
en la caldera como observamos en la tabla la del grupo 7 la presión de la caldera es
120bar es la más baja, allí se disminuye la eficiencia térmica del ciclo e
incrementándose la calidad a 90%; el rendimiento disminuye debido a que el vapor está
saturado inicialmente.
La temperatura mínima que hay sobrecalentar el vapor en la caldera es 515,72°C
Th=qH/s3-s2=h3-h2/s3-s2= 2610,5-206,969/5,3098-0,6493=515,72°C a una calidad de
90% T=576,54°C a medida que se aumenta la Tmax,tomada de 620°C. La eficiencia
térmica ira aumentando.
2. Represente el rendimiento térmico del ciclo frente a la temperatura de entrada a la
turbina. ¿Qué mejora del rendimiento se ha obtenido?

16. 3. Represente la calidad del vapor a la salida de la turbina frente a la temperatura de
entrada a la turbina. ¿Qué efecto tiene el sobrecalentamiento del vapor la calidad del
vapor a la salida de la turbina? ¿Es un efecto deseable o indeseable?
4. Si se considera que los _alabes de una turbina no toleran un vapor con calidad inferior al
90 %, ¿A qué temperatura como mínimo hay que sobrecalentar el vapor en la caldera?

17. Observaciones:
1.- Para cada variación realizar el correspondiente diagrama T-S
2.- Las gráficas y tablas deben ser elaboradas en papel milimetrado.
3.- El trabajo debe ser hecho en grupos de máximo 2 personas. (Sin excepción) y debe ser
enviado a la plataforma por uno solo de los integrantes. Teniendo cuidado de colocar
nombres, apellidos y número de cédula de cada uno.
4.- Para enviar el trabajo deberán usar cualquier herramienta multimedia que sea lo mas
manejable posible. En la medida de lo posible elaborar todo a computadora.