1 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
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EVALUACIÒN DE POTENCIAL ENERGÉTICO DE UN SISTEMA …
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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
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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
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
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
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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.
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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.
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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.
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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.
16
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.
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
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
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