SESION 12CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y CICLOS COMBINADOS

Objetivo GeneralRealizar anlisis de ciclos de potencia de Vapor y Ciclos Combinados

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*ObjetivosEvaluar el desempeo de los ciclos de potencia de gas para el cual el fluido de trabajo permanece como gas durante todo el ciclo.Analizar los ciclos de potencia de vapor en los cuales el fluido de trabajo se evapora y condensa alternadamente.Analizar la generacin de energa acoplada con el proceso de calentamiento llamado cogeneracn.Investigar maneras de modificar el ciclo Rankine bsico de potencia de vapor para incrementar la efi ciencia trmica del ciclo.Analizar los ciclos de potencia de vapor con recalentamiento y regeneracin.Analizar ciclos de potencia que consisten en dos ciclos separados conocidos como ciclos combinados y ciclos binarios.

CONTENIDO4.1. EL CICLO DE VAPOR DE CARNOT4.2. CICLO RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR4.3. DESVIACIN DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS4.4. CMO INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE?4.5. EL CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO4.6. EL CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVO4.7. COGENERACIN4.8. CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS DE GAS Y VAPOR

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*EL CICLO DE VAPOR DE CARNOTDiagrama T-s para dos ciclos de vapor de Carnot..el ciclo de Carnot es el ms eficiente de los ciclos que operan entre dos lmites especificados de temperaturalimits pero no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia porque:Proceso 1-2 Restringir los procesos de transferencia de calor a sistemas de dos fases limita severamente la temperatura mxima que puede utilizarse en el ciclo (tiene que permanecer debajo del valor del punto crtico, el cual es de 374 C para el agua).Process 2-3 La turbina tiene que manejar vapor con baja calidad, es decir, vapor con un alto contenido de hume dad. El choquecde gotas lquidas sobre los labes de la turbina produce erosin y es una de las principales fuentes de desgaste..Process 4-1 No es prctico disear un compresor que maneje dos fases.El ciclo en (b) no es apropiado porque requiere compresin isentrpica a presiones extremadamente altas y la transferencia isotrmica de calor a presiones variables.1-2 adicin de calor isotrmica en una caldera2-3 expansin isentrpica en una turbina 3-4 rechazo de calor isotrmico en un condensador4-1 compresin isotrmica en un compresor

*CICLO RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOREs posible eliminar muchos de los aspectos imprcticos asociados con elciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado porcompleto en el condensador. Lo que resulta es el ciclo Rankine, el cuales el ciclo ideal para las centrales elctricas de vapor. El ciclo Rankine idealno incluye ninguna irreversibilidad interna..El ciclo Rankine ideal simple.

*Anlisis de energa del ciclo Rankine idealLa eficiencia de conversin de las centrales elctricas estadounidenses se expresa a menudo en trminos de la tasa trmica, que es la cantidad en Btu de calor suministrada para generar 1 kWh de electricidad.La eficiencia trmica tambin puede interpretarse como la relacin entreel rea encerrada por el ciclo en un diagrama T-s y el rea bajo el proceso deadicin de calor.Ecuacin de energa de flujo estacionario

EJERCICIO 1El ciclo Rankine ideal simpleConsidere una central elctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal simple. El vapor de agua entra a la turbina a 3 MPa y 350 C y es condensado en el condensador a una presin de 75 kPa. Determine la eficiencia trmica de este ciclo.*

Solucin Se tiene una central elctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal simple. Se determinar la eficiencia trmica del ciclo.Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de operacin. 2 Los cambios en las energas cintica y potencial son insignificantes.Anlisis . El esquema de la central y el diagrama T-s del ciclo se muestran en la figura. Observe que la central opera en el ciclo Rankine ideal, por lo tanto la turbina y la bomba son isentrpicas, no hay cadas de presin en la caldera ni en el condensador y el vapor sale de este ltimo para entrar a la bomba como lquido saturado a la presin del condensador.*

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Por tablapo*

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Es decir, esta central elctrica convierte en trabajo neto 26 por ciento del calor que recibe de la caldera. Una central elctrica real que opera entre los mismos lmites de temperatura y presin tendr una eficiencia menor debido a irreversibilidades como la friccin.*

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*DESVIACIN DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOSDesviacin del ciclo real de potencia de vapor respecto del ciclo Rankine ideal.Efecto de las irreversibilidades de la bomba y la turbina en el ciclo Rankine ideal.El ciclo real de potencia de vapor difiere del ciclo Rankine ideal como resultado de las irreversibilidades en diversos componentes.La friccin del fluido y prdida de calor del vapor hacia los alrededores son las dos Fuentes ms communes de irreversibilidades.Eficiencias isentrpicas

EJERCICIO 2Un ciclo de potencia de vapor realUna central elctrica de vapor opera en el ciclo que se muestra en la figura. Si las eficiencias isentrpicas de la turbina y la bomba son de 87 por ciento y de 85 por ciento, respectivamente, determine a) la eficiencia trmica del ciclo y b) la salida de potencia neta de la central para un flujo msico de 15 kg/s.*

Solucin Se considera un ciclo de potencia de vapor con eficiencias especificadas para la bomba y la turbina. Se determinarn la eficiencia trmica del ciclo y la salida de potencia neta.Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de operacin. 2 Los cambios en las energas cintica y potencial son insignificantes.Anlisis El esquema de la central y el diagrama T-s del ciclo se muestra en la figura. Las temperaturas y presiones del vapor en diversos puntos tambin se indican en la figura. Observe que la central elctrica incluye componentes de flujo estacionario y opera con base en el ciclo Rankine, pero se han tomado en cuenta las imperfecciones de varios componentes.*

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Comentario Sin las irreversibilidades, la eficiencia trmica de este ciclo sera de 43.0 por ciento*

*CMO INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE?Efecto que provoca sobrecalentar elvapor hasta temperaturas elevadas en el ciclo Rankine ideal.La idea bsica detrs de todas las modificaciones para incrementar la eficiencia trmica de un ciclo de potencia es la misma: incrementar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el calor se rechaza del fluido de trabajo en el condensadorReduccin de la presin del condensador (reduccin de Tbaja,prom)Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas presiones, los condensadores de las centrales elctricas de vapor suelen operar muy por debajo de la presin atmosfrica.. hay un lmite inferior a utilizar para la presin del condensador correspondiente a la temperatura del medio de enfriamientoEfecto collateral: la reduccin de la presin del condensador incrementa el contenido de humedad del vapor en las etapas finales de la turbina

*Efecto que provoca sobrecalentar el vapor hasta temperaturas elevadas en el ciclo Rankine ideal.Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de Talta,prom)Tanto el trabajo neto como la entrada de calor aumentan como resultado del sobrecalentamiento del vapor a una temperatura ms alta. El efecto total es un incremento en la eficiencia trmica, porque aumenta la temperatura promedio a la cual se aade calor..El sobrecalentamiento del vapor a temperaturas ms altas disminuye el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina, que es lo que se desea.La temperatura est limitadadebido a consideraciones metalrgicas. En la actualidad la temperatura de vapor ms alta permisible en la entrada de la turbina es de aproximadamente 620 C.

*Incremento de la presin de la caldera (incremento de Talta,prom)Efecto que produce incrementar la presin de la caldera en el ciclo Rankine ideal.Para una temperatura de entrada fija en la turbina, el ciclo se corre a la izquierda y aumenta el contenido de humedad del vapor en la salida de la turbina. Este efecto colateral indeseable puede corregirse al recalentar el vapor

EJERCICIO 3Efecto de la presin y la temperatura de la caldera sobre la eficienciaConsidere una central elctrica de vapor que opera con el ciclo Rankine ideal. El vapor entra a la turbina a 3 MPa y 350 C y se condensa en el condensador a una presin de 10 kPa. Determine a) la eficiencia trmica de esta central elctrica, b) la eficiencia trmica si el vapor se sobrecalienta a 600 C en lugar de 350 C, c) la eficiencia trmica si la presin de la caldera se eleva a 15 MPa mientras la temperatura de entrada de la turbina se mantiene en 600 C.*

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Solucin Se considera una central elctrica de vapor que opera con el ciclo Rankine ideal. Se determinarn los efectos que produce sobrecalentar el vapor a una temperatura ms elevada e incrementar la presin de la caldera sobre la eficiencia trmica.*

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En consecuencia, la eficiencia trmica aumenta de 26.0 a 33.4 por ciento como resultado de disminuir la presin del condensador de 75 a 10 kPa. Sin embargo, al mismo tiempo la calidad del vapor disminuye de 88.6 a 81.3 porciento (en otras palabras, el contenido de humedad aumenta de 11.4 a 18.7 por ciento).*

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Comentario La eficiencia trmica aumenta de 37.3 a 43.0 por ciento como consecuencia de elevar la presin de la caldera de 3 a 15 MPa mientras se mantiene en 600 C la temperatura a la entrada de la turbina. Sin embargo, al mismo tiempo la calidad del vapor disminuye de 91.5 a 80.4 por ciento (en otras palabras, el contenido de humedad aumenta de 8.5 a 19.6 por ciento).*

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*THE IDEAL REHEAT RANKINE CYCLEHow can we take advantage of the increased efficiencies at higher boiler pressures without facing the problem of excessive moisture at the final stages of the turbine?1. Superheat the steam to very high temperatures. It is limited metallurgically.2. Expand the steam in the turbine in two stages, and reheat it in between (reheat)The ideal reheat Rankine cycle.

*The average temperature at which heat is transferred during reheating increases as the number of reheat stages is increased.The single reheat in a modern power plant improves the cycle efficiency by 4 to 5% by increasing the average temperature at which heat is transferred to the steam.The average temperature during the reheat process can be increased by increasing the number of expansion and reheat stages. As the number of stages is increased, the expansion and reheat processes approach an isothermal process at the maximum temperature. The use of more than two reheat stages is not practical. The theoretical improvement in efficiency from the second reheat is about half of that which results from a single reheat.The reheat temperatures are very close or equal to the turbine inlet temperature. The optimum reheat pressure is about one-fourth of the maximum cycle pressure.

*THE IDEAL REGENERATIVE RANKINE CYCLEThe first part of the heat-addition process in the boiler takes place at relatively low temperatures.Heat is transferred to the working fluid during process 2-2 at a relatively low temperature. This lowers the average heat-addition temperature and thus the cycle efficiency.In steam power plants, steam is extracted from the turbine at various points. This steam, which could have produced more work by expanding further in the turbine, is used to heat the feedwater instead. The device where the feedwater is heated by regeneration is called a regenerator, or a feedwater heater (FWH).A feedwater heater is basically a heat exchanger where heat is transferred from the steam to the feedwater either by mixing the two fluid streams (open feedwater heaters) or without mixing them (closed feedwater heaters).

*Open Feedwater HeatersThe ideal regenerative Rankine cycle with an open feedwater heater.An open (or direct-contact) feedwater heater is basically a mixing chamber, where the steam extracted from the turbine mixes with the feedwater exiting the pump. Ideally, the mixture leaves the heater as a saturated liquid at the heater pressure.

*Closed Feedwater HeatersThe ideal regenerative Rankine cycle with a closed feedwater heater.Another type of feedwater heater frequently used in steam power plants isthe closed feedwater heater, in which heat is transferred from the extracted steam to the feedwater without any mixing taking place. The two streams now can be at different pressures, since they do not mix.

*A steam power plant with one open and three closed feedwater heaters.The closed feedwater heaters are more complex because of the internal tubing network, and thus they are more expensive. Heat transfer in closed feedwater heaters is less effective since the two streams are not allowed to be in direct contact. However, closed feedwater heaters do not require a separate pump for each heater since the extracted steam and the feedwater can be at different pressures. Open feedwater heaters are simple and inexpensive and have good heat transfer characteristics. For each heater, however, a pump is required to handle the feedwater.

Most steam power plants use a combination of open and closed feedwater heaters.

*SECOND-LAW ANALYSIS OF VAPOR POWER CYCLESExergy destruction for a steady-flow systemSteady-flow, one-inlet, one-exitExergy destruction of a cycleFor a cycle with heat transfer only with a source and a sinkStream exergyA second-law analysis of vaporpower cycles reveals where the largest irreversibilities occur and where to start improvements.

*COGENERATIONA simple process-heating plant.Many industries require energy input in the form of heat, called process heat. Process heat in these industries is usually supplied by steam at 5 to 7 atm and 150 to 200C. Energy is usually transferred to the steam by burning coal, oil, natural gas, or another fuel in a furnace.Industries that use large amounts of process heat also consume a large amount of electric power. It makes sense to use the already-existing work potential to produce power instead of letting it go to waste. The result is a plant that produces electricity while meeting the process-heat requirements of certain industrial processes (cogeneration plant)Cogeneration: The production of more than one useful form of energy (such as process heat and electric power) from the same energy source.

*An ideal cogeneration plant.Utilization factorThe utilization factor of the ideal steam-turbine cogeneration plant is 100%. Actual cogeneration plants have utilization factors as high as 80%. Some recent cogeneration plants have even higher utilization factors.

*A cogeneration plant with adjustable loads.At times of high demand for process heat, all the steam is routed to the process-heating units and none to the condenser (m7= 0). The waste heat is zero in this mode. If this is not sufficient, some steam leaving the boiler is throttled by an expansion or pressure-reducing valve to the extraction pressure P6 and is directed to the process-heating unit.Maximum process heating is realized when all the steam leaving the boiler passes through the PRV (m5= m4). No power is produced in this mode. When there is no demand for process heat, all the steam passes through the turbine and the condenser (m5=m6=0), and the cogeneration plant operates as an ordinary steam power plant.

*COMBINED GASVAPOR POWER CYCLESThe continued quest for higher thermal efficiencies has resulted in rather innovative modifications to conventional power plants. A popular modification involves a gas power cycle topping a vapor power cycle, which is called the combined gasvapor cycle, or just the combined cycle. The combined cycle of greatest interest is the gas-turbine (Brayton) cycle topping a steam-turbine (Rankine) cycle, which has a higher thermal efficiency than either of the cycles executed individually.It makes engineering sense to take advantage of the very desirable characteristics of the gas-turbine cycle at high temperatures and to use the high-temperature exhaust gases as the energy source for the bottoming cycle such as a steam power cycle. The result is a combined gassteam cycle.Recent developments in gas-turbine technology have made the combined gassteam cycle economically very attractive. The combined cycle increases the efficiency without increasing the initial cost greatly. Consequently, many new power plants operate on combined cycles, and many more existing steam- or gas-turbine plants are being converted to combined-cycle power plants. Thermal efficiencies over 50% are reported.

*Combined gassteam power plant.

*Informacin ClaveEl ciclo de vapor de Carnot El ciclo Rankine: El ciclo ideal para ciclos de potencia de vaporAnlisis de energa del ciclo Rankine ideaDesviaciones de los ciclos de potencia de vapor ideales.Cmo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine?Disminuyendo la presin en condensador Sobrecalentando el vapor a altas temraturasAumentando la presin en el calentadorEl ciclo Rankine ideal con recalentamientoEl ciclo Rankine ideal regenerativoCalentadores abiertos de agua de alimentacinCalentadores cerrados de agua de alimentacinCogeneracinCiclos combinados de gasvapor

ACTIVIDADESResuelve los siguientes ejercicios:1. Considere un ciclo Rankine ideal simple. Si la presin del condensador disminuye manteniendo igual el estado a la entrada de la turbina,a) la produccin de trabajo de la turbina disminuirb) la cantidad de trabajo rechazado disminuirc) la eficiencia del ciclo disminuird) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuire) el consumo de trabajo de la bomba disminuir*

2. Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si se sobrecalienta el vapor a una temperatura ms alta,a) la produccin de trabajo por la turbina disminuirb) la cantidad de calor rechazado disminuirc) la eficiencia del ciclo disminuird) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuire) la cantidad de entrada de calor disminuir*

3 Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si el ciclo se modifica con recalentamiento,a) la produccin de trabajo por la turbina disminuirb) la cantidad de trabajo rechazado disminuirc) el consumo de trabajo por la bomba disminuird) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuire) la cantidad de entrada de calor disminuir

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4. Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si el ciclo se modifica con regeneracin que comprende un calentador abierto de agua de alimentacin (seleccione la afirmacin correcta por unidad de masa de vapor que fluye a travs de la caldera).a) la produccin de trabajo por la turbina disminuirb) la cantidad de calor rechazado aumentarc) la eficiencia trmica del ciclo disminuird) la calidad del vapor a la salida de la turbina disminuire) la cantidad de entrada de calor aumentar

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5. Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario con agua como fluido de trabajo, ejecutado bajo el domo de saturacin, entre los lmites de presin de 3 MPa y 10 kPa. El agua cambia de lquido saturado a vapor saturado durante el proceso de adicin de calor. La produccin neta de trabajo de este ciclo es6. Un ciclo Rankine ideal simple opera entre los lmites de presin de 10 kPa y 3 MPa, con una temperatura de entrada a la turbina de 600 C. Despreciando el trabajo de la bomba, la eficiencia del ciclo es7. Un ciclo Rankine ideal simple opera entre los lmites de presin de 10 kPa y 5 MPa, con una temperatura de entrada a la turbina de 600 C. La fraccin de masa del vapor de agua que se condensa a la salida de la turbina es8 Una planta termoelctrica de vapor de agua opera en el ciclo Rankine ideal simple, entre los lmites de presin de 10 kPa y 5 MPa, con una temperatura de entrada a la turbina de 600 C. La tasa de transferencia de calor en la caldera es 300 kJ/s. Despreciando el trabajo de la bomba, la produccin de trabajo de esta planta es

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9. Considere una planta elctrica de ciclo combinado de gas-vapor. El agua para el ciclo de vapor se calienta en un intercambiador de calor bien aislado, por los gases de escape que entran a 800 K a razn de 60 kg/s, y sale a 400 K. El agua entra al intercambiador de calor a 200 C y 8 MPa y sale a 350 C y 8 MPa. Si los gases de escape se tratan como aire, con calores especficos constantes a temperatura ambiente, el flujo msico de agua por el intercambiador de calor ser10 Un ciclo Rankine ideal con recalentamiento opera entre los lmites de presin de 10 kPa y 8 MPa, con recalentamiento que se lleva a cabo a 4 MPa. La temperatura del vapor de agua a las entradas de ambas turbinas es 500 C, y la entalpa del vapor es 3.185 kJ/kg a la salida de la turbina de alta presin, y 2.247 kJ/kg a la salida de la turbina de baja presin. Despreciando el trabajo de la bomba, la eficiencia del ciclo es

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11 El agua de alimentacin presurizada en una planta termoelctrica de vapor de agua se va a calentar en un calentador ideal abierto de agua de alimentacin, que opera a una presin de 2 MPa con vapor extrado de la turbina. Si la entalpa del agua de alimentacin es 252 kJ/kg y la entalpa del vapor extrado es 2.810 kJ/kg, la fraccin msica de vapor extrado de la turbina es12 Considere una planta termoelctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine re generativo con un calentador abierto de agua de alimentacin. La entalpa del vapor es 3.374 kJ/kg a la entrada de la turbina, 2.797 kJ/kg en la ubicacin de la purga y 2.346 kJ/kg a la salida de la turbina. La produccin neta de potencia de la planta es de 120 MW, y la fraccin de vapor purgada de la turbina para la regeneracin es 0.172. Si el trabajo de la bomba es despreciable, el flujo msico de vapor a la entrada de la turbina es

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13. Considere una planta elctrica de cogeneracin modificada con regeneracin. El vapor de agua entra a la turbina a 6 MPa y 450 C a razn de 20 kg/s, y se expande a una presin de 0.4 MPa. A esta presin, 60 por ciento del vapor de agua se extrae de la turbina, y el resto se expande a una presin de 10 kPa. Parte del vapor extrado se usa para calentar el agua de alimentacin en un calentador abierto de agua de alimentacin. El resto del vapor extrado se usa para calentamiento de proceso, y sale del calentador de proceso como lquido saturado a 0.4 MPa. Luego se mezcla con el agua de alimentacin que sale del calentador de agua de alimentacin, y la mezcla se bombea a la presin de la caldera. El vapor en el condensador se enfra y se condensa por el agua de enfriamiento de un ro cercano, que entra al condensador adiabtico a razn de 463 kg/s.

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1. La produccin total de potencia por la turbina es 2. La elevacin de temperatura del agua de enfriamiento del ro en el condensador es3. El flujo msico de vapor a travs del calentador de proceso es4. La tasa de calor proporcionado por el calentador de proceso por unidad de masa del vapor que pasa por l es5. La tasa de transferencia de calor al vapor en la caldera es

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PROBLEMAS CENTRALES TRMICAS Y ENERGIA1. Determinar kW-h/gl que genera en una C.T. con C =30% y los siguientes datosRecuerda que:PC = Poder calorfico (kCal/kg)r= Densidad1 kw-h = 860 kCal1 ml = 1 cm31 gl = 3.7854 l

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2. Se instalar una CT con rendimiento del 30% para abastecer una demanda anual de 270000 kW-h. Tipos de combustible:*

3. Una CT cuya Pinst = 75 MW alimenta una localidad de consumo anual 438000 MW-h con Pmax = 68 MW; la potencia de SSAA es 8% de Pinst. Calcular: fc, fp, tROp y fu. Para recordar:

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4. La mxima demanda de un sistema elctrico se abastece por 3 centrales de la siguiente manera: 1. Una trmica 25 MW Pinst de base a plena carga. 2. Otra trmica 6 10 h a Pmax y el resto del da a 15 MW. Pinst = 25 MW, fp = 64%. 3. Una CH opera de 10 13 h con 2/3 Pinst y de 16 20 h a plena carga. Calcular la potencia de la CH (Pinst) si fc =85%.

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5. La demanda de una ciudad es abastecida por 3 centrales interconectadas: Una CT de base a plena carga 24h consume diariamente 250 m3 de combustible de PC = 10500 kcal/kg; r = 826 g/l; hP = 35%. Una CH de media base, 10 14h con carga mxima y despus a 31 MW. fp = 80%; Pinst = 40 MW Una CT solo de 16 20h a plena carga para la punta del sistema. a. Si fc de la red es 65%, cuales sern las Pinst de las CT. b. Determinar fc, fp, tROp de cada una de las centrales.

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