Rankine - TV

Jorge A. Gonzlez - Centrales Elctricas - FACET - UNT

APUNTE PROVISORIO DE CENTRALES TERMICAS CENTRALES TRMICAS

Las centrales trmicas son instalaciones que transforman energa trmica en energa elctrica. Estas centrales se dividen a su vez en: Turbo Vapor (TV), Turbo Gas (TG), Ciclo Combinado (CC) y Diesel (D). La energa trmica se la puede obtener de diferentes maneras, y esto da el nombre a cada Central:

a) Central Trmica Convencional: Calor obtenido al liberarse la energa qumica contenida en un combustible fsil (gas natural, carbn, fuel oil, diesel oil), mediante el proceso de combustin.

b) Central Trmica de Biomasa: Calor obtenido al liberarse la energa qumica (combustin) contenida en la biomasa (residuos agroforestales, residuos slidos urbanos, biocombustibles) mediante el proceso de combustin.

c) Central Termonuclear: Calor obtenido en el proceso de fisin nuclear de determinados materiales, tales como el Uranio, Plutonio, etc.

d) Central Termosolar: Calor obtenido proveniente de la energa solar concentrada por medio de espejos. Estas centrales se dividen a su vez en: Cilindro Parablica, Torre Central, Disco Parablico y Fresnel.

e) Central Geotrmica: Calor obtenido proveniente de la energa geotrmica del interior de la Tierra (desintegracin radiactiva).

Centrales Trmicas de Combustin de Lecho Fluidizado

Consiste en quemar carbn en un lecho de partculas inertes, a travs del cual se hace pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partculas y las mantiene en suspensin, de modo que da la impresin de que se trata de un lquido en ebullicin. Permitira obtener rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisin de anhdrido sulfuroso.

Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnologa de lecho fluidizado se inyecta caliza directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del combustible como un subproducto seco.

La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820C a los 840C, lo cual determina su diseo y el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este tipo decalderas puede ser atmosfrico o presurizado.

Centrales Trmicas Gicc Gasificacin de Carbn Integrada en ciclo combinado

La gasificacin del carbn es un proceso que transforma el carbn slido en un gas sinttico compuesto principalmente de CO e hidrgeno (H2). El carbn es gasificado controlando la mezcla de carbn, oxgeno y vapor dentro del gasificador. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todava a la de una trmica convencional.

Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisin de xidos de azufre y otras partculas.

En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminacin de 99% de azufre. Bajos costos de combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de emisiones, alto rendimiento, tecnologa sin completa prueba de eficiencia, altos costos de inversin, plantas complejas, arranque lento.

DEFINICION DE COGENERACION

Los sistemas de cogeneracin reciclan la energa perdida en el proceso primario de generacin (como una turbina de gas) en un proceso secundario. La energa restante se emplea en este caso en forma de vapor directamente en las cercanas de la central (por ejemplo, para calentar edificios), lo que aumenta an ms la eficiencia global del sistema.


En las aplicaciones de cogeneracin que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se extrae desde la turbina a la temperatura y la presin que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor se pueden utilizar en ciclos (escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdera. Las unidades industriales se utilizan para poner en movimiento mquinas, bombas, compresores y generadores elctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW.

La energa trmica obtenida se la transfiere a un fluido de trabajo (agua, aire, etc.) que ser usado para producir energa mecnica en un dispositivo adecuado (turbina). El eje de la turbina est solidario con un generador que transforma la energa mecnica en energa elctrica.

Las centrales termoelctricas pueden ser clasificadas considerando si el combustible entra o no en contacto con el fluido de trabajo:

a) Unidad de Combustin Externa: El combustible (gas natural, carbn, fueloil, biocombustible, etc) no entra en contacto con el fluido de trabajo (agua). Esto sucede en las centrales trmicas a vapor.

b) Unidad de Combustin Interna: El combustible (gas natural, gasoil, dieseloil, biocombustible, etc) se quema en una atmsfera de aire, siendo los gases resultantes el fluido de trabajo. Esto sucede en las centrales trmicas a gas o en las unidades trmicas de pistn (motores Otto y Diesel).

Combustibles Composicin del Gas Natural (PCI - Poder calorfico inferior de 8400-9000 kcal/Nm3)

Relaciones entre tomos de C e H Metano Petrleo


El petrleo es un hidrocarburo cuya frmula general es: CnH2n+2 por ejemplo el metano es CH4


Nota: hablando de combustibles, la palabra nafta proviene del persa naft. Los judos llamaron Nafta a un lugar donde haba un lquido aceitoso que se quemaba y realizaban ceremonias religiosas. Luego ese lquido se pas a llamar petrleo (aceite de piedra). Cuando se quema un combustible fsil se emiten gases entre estos: CO2, SOx y NOx, cuyas proporciones dependen del tipo de combustible. La molcula de CO2 absorbe el infrarrojo emitido por la superficie de la Tierra. Rendimientos: En una conversin sin prdidas, se requiere 860 kcal para producir una unidad de energa elctrica, es decir: 860 kcal/1kWh =100% En centrales trmicas, esa relacin es: 1500 a 3000 kcal/1kWh En una central trmica, una parte del calor realiza trabajo en la turbina y la otra parte se pierde al medioambiente. En una TV por ejemplo, se pierden fundamentalmente en dos lugares:

- En el condensador, cuando se condensa el vapor de salida de la ltima turbina por medio del agua de refrigeracin, calor que es entregado al ambiente en las torres de enfriamiento.

- En los gases de la combustin que escapan por la chimenea de la caldera. Las Purgas de las calderas se realizan de manera continua (del orden del 1% del flujo), para evitar las incrustaciones provocadas por las sales disueltas en el agua del ciclo. Para combatir esto se usa agua desmineralizada (agua demin) y sustancias qumicas. En las purgas se retiran slidos en suspensin y exceso de sustancias qumicas. Esto es un efluente altamente contaminante.


CENTRALES A VAPOR (CTV)

Se usa vapor de agua producido en un generador de vapor a una temperatura y presin determinadas. Se lo introduce en una turbina haciendo girar unos labes unidos a un eje rotor; y a su salida, el vapor tiene una presin y una temperatura inferior, como consecuencia de haber cedido energa produciendo trabajo.

El fluido calo-transportador que se usa, es vapor de agua, dado su excelente caracterstica de agente trmico, econmico y conveniente para ser utilizado en procesos trmicos.

Si por ejemplo se tiene un recipiente con agua lquida a presin atmosfrica constante y se le entrega calor, su temperatura aumenta progresivamente, hasta llegar a hervir. El calor entregado al agua en este proceso se denomina calor sensible (se siente que la temperatura aumenta). Si continuamos aadiendo calor luego de haber llegado a la temperatura de ebullicin, sta no aumenta, pero el agua se evapora progresivamente (zona de vapor hmedo), tomando cada vez ms calor, hasta que llega a evaporarse por completo, transformndose en vapor saturado seco. El calor agregado en este proceso de cambio de fase se denomina calor latente (calor escondido, no se siente que la temperatura aumenta). Si se agrega ms calor a este vapor, se convierte en vapor sobrecalentado.

Experimento (Fig 1): Se calienta agua desde 0C hasta la temperatura de ebullicin de 100C y a presin atmosfrica (1 [Kg/cm2]). Para esto el agua toma 100 [Kcal] de calor sensible. Para transformar ahora esta agua caliente en vapor, se aaden 539 [Kcal] ms como calor latente, obtenindose vapor saturado seco, que se puede transformar en vapor sobrecalentado agregndole ms calor. Todo este proceso se realiza a presin atmosfrica. Si se cambia la presin cambia la trayectoria, y la proporcin de calor sensible y latente aportada.

[kcal] Fig 1.- Grfico de calor y temperatura para el vapor de agua


Ciclo de Carnot

En la Fig. 2 se observa el esquema de una mquina de Carnot ideal que absorbe calor Q1 de una fuente caliente que est a una temperatura T1 y cede calor Q2 a una fuente fra que est a T2, produciendo un trabajo sobre el exterior W.

Fig. 2.- Mquina de Carnot

El rendimiento de esta mquina es el mayor que se pueda obtener en una mquina que funcione cclicamente entre las mismas fuentes de temperatura.

1

2

T T1=carnot

Nota: Mxima Temp. que soportan los materiales: aceros al C 540 C; aceros inoxidables austenticos 600-650 C o ms (ms caros).

El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinmico ideal reversible que consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabticos (no hay intercambio de calor con el medio, est aislado trmicamente). Como este ciclo es reversible un proceso adiabtico es tambin isoentrpico.

Los ciclos termodinmicos pueden representarse por diagramas P-V (Presin-Volumen), T-S (Temperatura-Entropa), i-S (Entalpa-Entropa).


CTV Bsica

Se observa en la Fig. 3 una CTV bsica formado por los elementos: Generador de Vapor, Turbina, Condensador y Bomba de agua de alimentacin. Se observa la entrada de calor Qin en el generador de vapor (fuente caliente), la salida de calor Qout en el condensador (fuente fra), el trabajo producido por la turbina Wturbina y el aporte de trabajo que se debe hacer a la bomba de alimentacin Wbomba.

Fig 3.- Esquema de una CTV bsica y valores caractersticos de presin y temperatura

Nota: 1 atm = 1,01325 bar = 101 293 Pa El rendimiento de la CTV se puede calcular por medio de:

in

bombaturbina

in

neta

Q W-W

Q P

==trmico

Los4 elementos bsicos de una CTV bsica son:

Generador de Vapor: Sistema a presin en el que el agua se transforma en vapor, como producto final, por cesin de calor de una fuente a temperatura superior. Algunas veces, se reserva el nombre de caldera cuando la presin de vapor es baja y se denomina generador de vapor si el funcionamiento se efecta a altas presiones de vapor.

Turbina de Vapor: Dispositivo encargado de aprovechar la energa trmica del vapor y transformarla en energa mecnica rotacional. Condensador: Dispositivo formado por tubos por donde circula agua de refrigeracin, que se encuentra inmediatamente despus de la turbina (desde el condensador se puede ver la ltima fila de labes). El vapor que sale de la misma se condensa en contacto con estos tubos. Una CTV tiene tanto mejor rendimiento cuanto ms fro est el vapor de escape a la salida de la turbina. Tambin se aprovecha este dispositivo, para eliminar gases incondensables y nocivos, como el O2, eliminndose por mtodos fsicos o qumicos como la hidracina. Como simple ejemplo, en una planta de 50 MW a plena carga se requieren unos 2000 litros por segundo de agua de refrigeracin. Por el interior de los tubos del condensador circula el agua fra, y por el exterior de los tubos circula el vapor. Al entrar en contacto con los tubos fros el vapor se condensa, cediendo casi 80 MJ/s de flujo energtico (o lo que es lo mismo, la potencia trmica que intercambia es de 80 MW).


Bomba de agua de alimentacin: Bomba encargada de impulsar el agua resultante de la condensacin hacia la caldera.


Para esta CTV bsica, se puede realizar su Ciclo de Carnot en un diagrama T-S (ver Fig.4).

Fig. 4.- CTV bsica y su Ciclo de Carnot

Se observa que la turbina trabajara en la zona de lquido y vapor (trecho 3-4) lo que disminuira su vida til y eficiencia. Como la condensacin es parcial (trecho 1-2) la bomba trabajara con lquido y vapor.

Nota: El ttulo x es el porcentaje de masa de vapor en una mezcla de lquido vapor:

lquidomm

m

+

=

vapor

vaporx

El valor de x vara desde 0 (lquido saturado) hasta 1 (vapor saturado). La coexistencia de ambos se indica como vapor hmedo.

Ciclo Rankine

Para la CTV bsica, el ciclo que mejor la representa es el ciclo termodinmico Rankine ideal (Fig. 5), que convierte calor en trabajo y donde se observa que la condensacin ahora es total.

Fig 5.- Ciclo de Rankine de una CTV bsica

x=0 x=1


Ciclo Termodinmico

E-A Compresin isentrpica bomba alim. (Wp= hA hE) A-C Calentamiento a presin cte. caldera ( Qa= hC hA) C-D Expansin isentrpica turbina (Wt= hC hD) D-E Enfriamiento a presin cte condensador ( Qr= hE hD)

TRABAJO NETO wneto = (hC hD) (hA hE) EFICIENCIA TERMODINMICA h = wneto = (hC hD) (hA hE) = 1 - (hD hE) Qa (hC hA) (hC hA) Etapas del Ciclo:

Segmento 1-2: compresin adiabtica realizada por la bomba de agua de alimentacin de la caldera (el fluido comprimido es lquido). Los puntos 1 y 2 estn muy prximos entre s. Aqu se aporta trabajo a la bomba.

Segmento 2-3: calentamiento del lquido y evaporacin a presin constante (isobrica) que se realiza en la caldera. Aqu se aporta calor al fuido.

Segmento 3-4: expansin adiabtica en turbina, realizando trabajo. Hay un lmite prctico en el ttulo del estado 4 (por erosin de los labes de turbina, debida a la presencia de gotas de lquido): X (ttulo) > 0,9

Segmento 4-1: condensacin isobrica en el condensador. El calor retirado se vierte al foco fro (refrigerante). Por razones prcticas, la condensacin se efecta hasta el final (lquido saturado).

El ciclo de las turbinas de vapor corresponde al ciclo de Ranking y es la aplicacin

tecnolgica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido

condensable y durante su evolucin se produzcan cambios de fase. De forma

simplificada, y para el ciclo bsico, la evolucin del fluido sigue las siguientes etapas:

1) Una etapa de expansin del fluido en fase vapor, realizada en una mquina


trmica denominada turbina de vapor y lo ms isentrpica posible.

2) A la salida de la turbina de vapor, una cesin de calor residual del vapor a

presin constante en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se

realiza la condensacin total del mismo y su paso a fase lquida.

3) Una o varias etapas de elevacin de la presin del fluido. El proceso se realiza

con el fluido en fase lquida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase.

sta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en

sentido estricto, para obtener la mxima eficiencia sera necesario realizar la

compresin de un fluido bifsico, con la dificultad tecnolgica que ello conlleva.

4) Una etapa de aportacin de calor a presin constante, que en los ciclos

combinados se hace en la caldera de recuperacin de calor por los gases de

escape de la turbina de gas. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo

en fase lquida, un proceso de cambio de fase y una elevacin posterior de la

temperatura del vapor en lo que se denomina sobrecalentador, motivada por la

necesidad de disminuir la humedad en el vapor en las ltimas etapas de

expansin de la turbina. Esto ltimo constituye la segunda particularidad del

ciclo de Ranking y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot.

En la Fig 6 se observa el ciclo Rankine real, donde la compresin realizada por la bomba de alimentacin y la expansin en la turbina no son isoentrpicos (no son reversibles), sino que aumenta durante estos procesos (hay variacin de entropa S). Esto hace que la energa requerida por la bomba sea mayor, y que el trabajo de la turbina sea menor que el producido en el ciclo ideal.


Fig 6.- Ciclo de Rankine de una CTV bsica

En las CTV, se realizan diferentes mejoras para lograr una mayor eficiencia y esto se puede observar en el ciclo de Rankine:

- Disminuir la presin en el condensador

- Aumentar la presin en la caldera

- Emplear vapor sobrecalentado (sobrecalentador)

- Emplear recalentador intermedio (recalentador)

- Precalentar el agua de alimentacin (economizador)

CTV con economizador y sobrecalentador

Si se incorpora un economizador y un sobrecalentador en la CTV (Fig. 7), se observa como se modifica el ciclo de Rankine (Fig. 8) comparado con una CTV bsica.

Economizador: intercambiador de calor situado a la salida de la chimenea para aprovechar los gases calientes producidos en la combustin y calentar el agua que entra a la caldera.

Sobrecalentador: intercambiador de calor situado muy prximo al hogar (lugar ms caliente), construido con el fin de sobrecalentar el vapor ya producido.

Fig 7.- CTV con economizador y sobrecalentador


Fig 8.- Ciclo de Rankine ideal T-S e i-S, de una CTV con economizador y sobrecalentador

Ciclo Termodinmico E-A Compresin isentrpica bomba alim.(Wp= hA hF) A-C Calentamiento a presin cte. caldera ( Qa= hD hA) C-D Expansin isentrpica turbina (Wt= hD hE) D-E Enfriamiento a presin cte condensador ( Qr= hE hF)

A B


Como las transformaciones no son isoentrpicas, se observan las desviaciones en el Ciclo Rankine (Fig. 9).

Fig 9.- Ciclo Rankine Ideal y Real Las expresiones que dominan este proceso son:


CTV con economizador, sobrecalentador y extracciones

Para aumentar el rendimiento trmico del conjunto, es conveniente que el agua de alimentacin entre en la caldera ya caliente, por lo que se hace pasar previamente por los circuitos secundarios de uno o ms precalentadores, calentados por las extracciones (sangras) de vapor de las turbinas, y por uno o ms economizadores, calentados por los gases de escape antes de su salida a la atmsfera por la chimenea (Fig. 10).

Fig.10.- CTV con economizador, sobrecalentador y extracciones y su Ciclo Rankine T-S ideal Calentadores cerrados CM

Son intercambiadores de calor tipo carcasa y tubos. El vapor extrado condensa en el exterior de los tubos. Dos posibles diseos:


CTV con economizador, sobrecalentador y recalentador

Para aumentar la eficiencia, despus de que el vapor ha pasado a travs de la primera turbina, se lo dirige nuevamente a la caldera y se lo vuelve a calentar, pasndolo luego a una segunda turbina de menor presin. Las temperaturas alcanzadas en el recalentador son iguales o cercanas a las temperaturas del sobrecalentador, mientras que la presin ptima de recalentamiento es aproximadamente de un cuarto de la presin de la caldera original (Fig. 11). Adems de aumentar la eficiencia, se evita que el vapor se condense durante su expansin y con ello daar los labes de la turbina.

Cuidado que est mal el tubo que sale de la turbina de HP y de la BP

Fig 11.- CTV con economizador, sobrecalentador y recalentador y su Ciclo Rankine T-S ideal y real


CTV con sobrecalentador, recalentador y extracciones (ciclo regenerativo)

La temperatura mxima que puede adquirir el vapor sobrecalentado est normalmente limitada por los materiales empleados en la zona de sobrecalentamiento de la caldera. Est en el orden de los 540C.

La presin mxima est limitada por problemas de diseo mecnico de la turbina y por la humedad admisible a la salida de la misma (10%). Est en el orden de los 150 bar.

La presin mnima es funcin de la temperatura del condensador y su magnitud suele estar situada en el intervalo de 0,03 bar a 0,14 bar, lo que corresponde a una temperatura del condensador de 26C y 52C, respectivamente.


Economizadores, son los intercambiadores encargados de precalentar el agua de alimentacin con el calor residual de los gases de escape, aprovechando su energa con lo que aumentamos el rendimiento de nuestra instalacin y evitamos saltos bruscos de temperatura en la entrada de agua.

Evaporadores, son intercambiadores que aprovechan el calor de los gases de escape de temperatura intermedia para evaporar el agua a la presin del circuito correspondientes, la circulacin del agua a travs de ellos puede ser forzada o natural, en la forzada se utilizan bombas y en la natural el efecto termosifn, aunque tambin se usan bombas en los momentos de arranque o cuando sea necesario, devolviendo el vapor al caldern.

Sobrecalentadotes y Recalentadores, son los intercambiadores que se encuentran en la parte ms cercana a la entrada de los gases procedentes de la combustin en la turbina de gas, el vapor que sale ya esta listo para ser enviado a la turbina de vapor, este vapor debe ser lo ms puro posible y debe ir libre de gotas de agua que deterioraran nuestra turbina, tambin debemos tener controlada la temperatura y presin del vapor para evitar estrs trmico en los diferentes componentes.

Conceptualmente la distribucin espacial de los tubos es la siguiente:

Caldera horizontal La caldera horizontal es aqulla en la que el gas, a la salida de la turbina, sigue una trayectoria horizontal a travs de los distintos mdulos de sobrecalentamiento, recalentamiento, vaporizacin y calentamiento de agua, hasta su conduccin a la chimenea de evacuacin.


Calderas de calor verticales

Las diversas medidas para aumentar la eficiencia del Ciclo Rankine ideal se pueden observar en las Fig. 12, 13 y 14: a) Reduccin de la presin del condensador:

La temperatura de condensacin del vapor depende fundamentalmente del sistema de enfriamiento que se disponga (mar, ro, torre de enfriamiento). Los intervalos habituales son 3045 C. Es importante notar que la presin en el condensador no viene determinada por la salida de la turbina de baja, sino al revs: la presin en el condensador determina la presin de escape de la turbina, y esta presin depende sobre todo de la temperatura del refrigerante

empleado y su caudal.

b) Sobrecalentar el vapor a altas temperaturas:


Si se produce vapor sobrecalentado en vez de vapor saturado, se aumenta la temp. media del vapor en la caldera, y adems se evitan los ttulos bajos a la salida de la turbina. El lmite de sobrecalentamiento del vapor lo impone la resistencia trmica del material en los tubos de la caldera (resistencia mecnica y resistencia a la oxidacin. La decisin del material se realiza por estudios econmicos.

c) Incrementar la presin de caldera

El inconveniente del aumento de la presin del vapor en la caldera es que el vapor de escape de la turbina tenga ttulo bajo, lo que provoca erosin en los labes de la turbina.

Central trmica de carbn


Central Trmica de Vapor de 247 MVA

Desgasificador: El tanque tambin puede llevar acoplado un desgasificador ya que

aprovechamos para eliminar los restos de oxgeno que no hemos podido quitar en el

condensador, para eliminar el oxgeno calentamos el agua que hay en el depsito por

medio de vapor que ha sido extrado de la turbina de vapor.

0,1 kg/cm2


El esquema general de una CTV es el siguiente (Fig. 15):

Fig. 15.- Representacin esquemtica de una CTV (Enciclopedia CEAC Centrales Elctricas]

1: Tolva 2: Parrilla mvil 3: Hogar de la caldera 4: Cenicero 5: Depsito de humos 6: Chimenea de tiro natural o forzado 7: Caldera 8: Sobrecalentador 9: TV de alta presin 10: Recalentador intermedio 11: TV de media presin 12: TV de baja presin 13: Condensador 14: Bomba de extraccin del condensado 15 y 16: Precalentadores del agua de alimentacin 17: Bomba de alimentacin de agua 18: Economizador 19: Torre de refrigeracin 20; Bomba de circulacin del agua de regrigeracin 21 y 22: Extraccin de vapor de TV de AP y MP 22: Extraccin de vapor de TV de AP 23: Generador elctrico 24: Excitatriz

Se puede observar en la Fig. 15 que existen los circuitos:

- Circuito del Agua Vapor (azul y rojo)

- Circuito de Agua del Condensador (azul)

- Circuito de los productos de combustin (gris)

- Circuito Elctrico (amarillo)

Tambin existen otros que no estn marcados:

- Circuito de agua de reposicin

- Circuito del combustible (ser diferente dependiendo del tipo de combustible usado)

- Circuito de aceite de la turbina (sirve como elemento hidrulico del sistema de regulacin de la turbina, accionando servomotores y otros mecanismos y otra como elemento lubricante de las partes mviles, como cojinetes, reductores, etc.)

- Circuito de hidrgeno para refrigeracin del generador (El uso de hidrgeno como medio refrigerante permite la construccin de generadores ms grandes y con ms potencia nominal. Sin embargo, uno de los mayores problemas de este tipo de generadores es el peligro de explosin por una posible entrada de aire)

- Circuito del aire de alimentacin


- Circuitos de regulacin A continuacin se muestra un esquema de una central trmica a carbn (Fig. 16):

Fig. 16.- Representacin esquemtica de una CTV (www.unesa.es]


Circuito de Agua del Condensador El condensador es un dispositivo de intercambio de calor, formado por una serie de tuberas por cuyo interior circula el agua de refrigeracin y alrededor de los tubos circula el vapor proveniente de la turbina. En este contacto del vapor caliente y los tubos fros, se produce el cambio de fase (condensacin) absorbiendo el agua circulante el calor latente del vapor de agua. El agua circulante lleva este calor y lo entrega a la atmsfera en las torres de enfriamiento (grandes estructuras); o a un ro prximo o al mar.

El condensador de Superficie Refrigerado por Agua: Es el ms usado en centrales, por que brinda: 1) Un elevado vaco con poco consumo de energa, 2) Se obtiene un condensado de gran pureza, por que no hay mezcla, con el agua de refrigeracin.

Detalle constructivos:. Est formado por haces de tubos -ornados en los extremos sobre dos placas, el vnculo es por mandrilado (Fig. N), el Vapor toma contacto por la superficie exterior del tubo y el refrigerante circula por el interior esto permite una ms fcil limpieza de los tubos, dado que siendo el refrigerante el que puede contener suciedad, al depositarse sta en el interior su: extraccin, se ve facilitada.

1-entrada de vapor. 2-recipiente del condensador. 3-tubos refrigeradores. 4-placas de cierre. 5-bomba de agua de refrigeracin. 6-bomba de agua de condensado


Las torres de refrigeracin presentan subdivisiones:

- Tiro natural, que usan estructuras enormes de forma hiperblica (hasta 150 m de alto 120 m en la base) para introducir aire y enfriar el agua de refrigeracin. Se utilizan generalmente para grandes caudales de agua de refrigeracin.

- Tiro inducido, en el que grandes ventiladores se coloca en la parte superior de una torre (impulsan el aire creando un pequeo vaco en el interior de la torre). La estructura se hace mucho menor.

- Tiro forzado, aqu los grandes ventiladores se colocan en la base.

El agua de refrigeracin cae hacia abajo sobre las superficies de relleno que ayudan a aumentar el tiempo de contacto entre el agua y el aire.

El enfriamiento en seco (aerocondensadores), que tiene el potencial de reducir el consumo de agua entre un 80 y 90%, podra ser una solucin para enfriar el calor producido en el ciclo de vapor, sin necesidad de usar agua de manera intensa. Esto todava cuesta bastante ms que los tradicionales mtodos de refrigeracin (unas 4 veces ms caros), aumentando la inversin requerida entre 3 y 5%. El uso de ventiladores ms grandes tambin aumenta el consumo de energa interna de la planta y junto con las limitaciones termodinmicas de los aero condensadores, que tienden a aumentar la temperatura del condensador y por lo tanto la resistencia de la turbina, reduce la cantidad de energa generada por la planta entre 6 y 7%.


1. Funcionamiento de las torres de refrigeracin

En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeracin mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado relleno. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto ptimo entre el agua y el aire atmosfrico.

El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesin de calor del agua hacia el aire. sta se produce debido a dos mecanismos: la transmisin de calor por conveccin y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporacin.

En la transmisin de calor por conveccin, se produce un flujo de calor en direccin al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos.

La tasa de enfriamiento por evaporacin es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90 % es debida al fenmeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina pelcula de aire hmedo saturado sobre la lmina de agua que desciende por el relleno. Esto es debido a que la presin parcial de vapor de agua en la pelcula de aire es superior a la del aire hmedo que circula por la torre, producindose una cesin de vapor de agua (evaporacin). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporizacin del propio lquido. Este calor latente es cedido al aire, obtenindose un enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del aire. La diferencia de temperaturas del agua a la salida y la temperatura hmeda del aire se llama acercamiento o aproximacin, ya que representa el lmite termodinmico de enfriamiento al que puede llegar el agua

2. Clasificacin de las torres de enfriamiento

La forma ms simple y usual de clasificar las torres de enfriamiento es segn la forma en que se mueve el aire a travs de stas. Segn este criterio, existen torres de circulacin natural y torres de tiro mecnico. En las torres de circulacin natural, el movimiento del aire slo depende de las condiciones climticas y ambientales. Las torres de tiro mecnico utilizan ventiladores para mover el aire a travs del relleno.

2.1. Torres de circulacin natural

Se clasifican, a su vez, en torres atmosfricas y en torres de tiro natural.

Las torres atmosfricas utilizan las corrientes de aire de la atmsfera. El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae verticalmente (flujo cruzado). Son torres de gran altura y pequea seccin transversal. Deben instalarse en lugares muy despejados, de forma que ningn obstculo pueda impedir la libre circulacin de aire a travs de la torre. Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamao, pero el costo de mantenimiento es reducido, al no existir partes mecnicas mviles. Una torre de este tipo puede ser una solucin muy econmica para determinadas necesidades de refrigeracin si se puede garantizar que funcionar habitualmente expuesta a vientos de velocidades iguales o superiores a los 8 km/h. Si la velocidad promedio del viento es baja, los costos fijos y de bombeo aumentan mucho en relacin a una torre de tiro mecnico y no compensan el ahorro del costo de ventilacin. Actualmente, las torres atmosfricas estn en desuso.

Una torre de tiro natural es aquella en la que el aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno (Fig. 1.2). La diferencia de densidades entre el aire hmedo caliente y el aire atmosfrico es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a travs de la torre. La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el viento que circula por la parte superior de la chimenea tambin ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural han de ser altas y, adems, deben tener una seccin transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. Estas torres tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes caudales de agua. Al igual que las torres atmosfricas, no tienen partes mecnicas. La velocidad media del aire a travs de la torre suele estar comprendida entre 1 y 2 m/s. Las torres de tiro natural no son adecuadas cuando la temperatura seca del aire es elevada, ya que sta debe ser siempre inferior a la del agua caliente. No es posible conseguir un valor de acercamiento pequeo y es muy difcil controlar exactamente la temperatura del agua. En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad, debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo ms pequea posible. Estas torres son muy utilizadas en centrales trmicas; muy pocas veces son aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversin inicial necesaria.


SALIDA DE AIRE

Figura 1.2. Esquema de una torre de tiro natural.

2.2. Torres de tiro mecnico

Las torres de tiro mecnico proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con una seccin transversal y una altura de bombeo pequeas en comparacin con las torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida, y se pueden lograr valores de acercamiento muy pequeos (hasta de 1 o 2 C, aunque en la prctica acostumbra a ser de 3 o 4 C). Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado. Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire, se habla de tiro inducido.

En las torres de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre (Fig. 1.3). Estas torres son, casi siempre, de flujo a contracorriente. Son ms eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la presin dinmica convertida a esttica realiza un trabajo til. El aire que se mueve es aire fro de mayor densidad que


en el caso de tiro inducido. Esto tambin significa que el equipo mecnico tendr una duracin mayor que en el caso de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire fro y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida, Como inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculacin del aire de salida hacia la zona de baja presin, creada por el ventilador en la entrada de aire.

Figura 1.4. Torre de flujo a contracorriente y tiro inducido. Las torres de tiro inducido pueden ser de flujo a contracorriente o de flujo cruzado. El flujo a

contracorriente significa que el aire se mueve verticalmente a travs del relleno, de manera que los flujos de agua y de aire tienen la misma direccin pero sentido opuesto (Fig. 1.4). La ventaja que tienen este tipo de torres es que el agua ms fra se pone en contacto con el aire ms seco, logrndose un mximo rendimiento. En stas, el aire puede entrar a travs de una o ms paredes de la torre, con lo cual se consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire. Adems, la elevada velocidad con la que entra el aire hace que


Figura 1.5. Torre de flujo cruzado (tiro inducido) exista el riesgo de arrastre de suciedad y cuerpos extraos dentro de la torre. La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran prdida de presin esttica y en un aumento de la potencia de ventilacin en comparacin con las torres de flujo cruzado.

En las torres de flujo cruzado, el aire circula en direccin perpendicular respecto al agua que desciende (Fig. 1.5). Estas torres tienen una altura menor que las torres de flujo a contracorriente, ya que la altura total de la torre es prcticamente igual a la del relleno. El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las torres a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los distintos componentes internos de la torre. La principal desventaja de estas torres es que no son recomendables para aquellos casos en los que se requiera un gran salto trmico y un valor de acercamiento pequeo, puesto que ello significar ms superficie transversal y ms potencia de ventilacin, que en el caso de una torre de flujo a contracorriente.

Circuito del Combustible

Los mecanismos transportadores del combustible tienen por objeto llevar a ste desde el punto de descarga, hasta la sala de calderas o hasta los depsitos de almacenamiento, con el propsito de mantener constantemente una determinada reserva de combustible. Los dispositivos transportadores dependen ante todo, del tipo de combustible empleado (slido, lquido, gaseoso) y, adems, de las condiciones locales de emplazamiento, consumo de las calderas, horas diarias de servicio, cantidad a transportar, recorrido del transporte, etc. Para quemar el combustible que debe utilizarse en la instalacin generadora de vapor, ste se introduce en un recinto especial denominado hogar, cuyas paredes son refractarias y que recibe el aire necesario para la combustin. El combustible slido se introduce en el hogar por medio de una estructura metlica, generalmente constituida por barrotes de hierro, denominada parrilla, destinada tambin a sostener el combustible dentro del hogar y a dar paso al aire de la combustin. Los combustibles lquidos y gaseosos se introducen en el hogar utilizando quemadores, que inyectan y pulverizan el combustible en el interior del hogar.


Combustible slido (carbn)

El transporte se realiza casi siempre por va navegable o por va frrea. Si la central est situada sobre un muelle martimo, resulta posible disponer torres de descarga, que pasan directamente el carbn a los depsitos de almacenamiento de la central. Pero la mayora de las centrales trmicas necesitan ramales de ferrocarril para descargar el carbn, y un equipo especialmente preparado para el transporte de combustible hasta los depsitos de almacenamiento.

El almacenamiento y manipulacin de las grandes cantidades de carbn que se requieren en una planta termoelctrica de generacin de energa, implican una cuidadosa planificacin para evitar posibles interrupciones en el servicio de la misma. La limpieza y preparacin del carbn cubre un amplio campo de actividades, que se extiende desde la reduccin del tamao inicial, cribado, eliminacin de materiales extraos y clasificacin, hasta procesos mucho ms complicados para eliminar la ceniza, el S y la humedad.

Las centrales trmicas que usan como combustible carbn, pueden quemarlo en trozos o pulverizado. La pulverizacin consiste en la reduccin del carbn a polvo finsimo (menos de 1/10 mm de dimetro) para inyectarlo en la cmara de combustin del generador de vapor por medio de un quemador especial que favorece la mezcla con el aire comburente.

Con el uso del carbn pulverizado, la combustin es mejor y ms fcilmente controlada. La pulverizacin tiene la ventaja adicional que permite el uso de combustible de desperdicio y difcilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la combustin y que van hacia el exterior, hay incremento de efecto invernadero por su combustin, altos costos de inversin, bajo rendimiento y arranque lento.

Combustible lquido

El fuel oil puede recibirse por medio de un oleoducto o utilizando vagones cisterna que se llevan a un apartadero en el que una bomba de trasiego los vaca en un tanque auxiliar cuya capacidad es ligeramente superior a la de un vagn cisterna. De aqu, y por medio de una bomba centrfuga, se lleva el fuel oil al depsito principal, hacindolo pasar previamente por un filtro. El depsito principal es, casi siempre, un gran tanque cilndrico que, normalmente, almacena combustible para el consumo normal de 3 a 6 meses. Este tanque est equipado con respiradero, rebosadero, drenaje y serpentines de calefaccin. Tambin se acostumbra a construir un terrapln alrededor del depsito de forma que, en caso de derrame por rotura de tubera u otras causas, el contenido del tanque quede depositado y no rebase la altura del dique as formado.

Desde el depsito, se conduce el fuel oil a la sala de calderas, por medio de oleoductos, dispuestos de tal manera que, en caso de rotura, no se inunde de combustible el stano de la central. En el interior de la sala de calderas, antes de llevarlo a los quemadores, se hace pasar el fuel oil por un calentador cerrado, en el que alcanza la temperatura de unos 120C para que tengan la fluidez necesaria. Combustible gaseoso


En algunas centrales se utiliza como combustible el gas natural. Con el desarrollo de gasoductos a presin ha podido utilizarse incluso en lugares alejados de los yacimientos llegando, en muchos casos, a eliminar a los dems tipos de combustibles. El gas natural no necesita depsitos y, por lo tanto, el equipo auxiliar para almacenamiento y transporte es ms econmico que el necesario para el fuel oil y mucho ms econmico todava que el carbn. Circuito Calentador de Aire

Se utilizan para el caldeamiento previo del aire de combustin, recuperando parte del calor de los gases de escape que van a la chimenea. El aire caliente, al ser introducido en el hogar, aumenta la temperatura de ste y, por consiguiente, aumenta tambin la transmisin de calor radiante a la caldera, aumentando el rendimiento del conjunto. Por ejemplo, en la central TV de carbn Guohua Ninghai de Shanghai, la temperatura del aire precalentado que entra al hogar es de unos 270C.

Circuito de los Gases de Combustin

El gas de combustin producido en el hogar de la caldera, es empujado por el aire de combustin y obligado a salir por la chimenea. Se distinguen dos clases de tiro:

- Tiro natural provocado, diseo realizado para que los gases naturalmente salgan.

- Tiro mecnico, usando ventiladores, unas veces para la impulsin de los gases, en el tiro forzado (ventiladores propiamente dichos o impulsores), otras veces para la aspiracin de estos gases, en el tiro inducido (aspiradores o extractores). En las centrales trmicas que utilizan el tiro inducido, generalmente se lo combina con una chimenea especial denominada difusor


Planta de tratamiento de agua

Dentro del circuito de reposicin del agua, se encuentra la planta de tratamiento de agua. Aqu se obtiene el agua desmineralizada adecuada para su consumo en la caldera y el ciclo agua-vapor. La obtencin de agua desmineralizada se realiza en dos pasos:

- Ablandamiento o desalacin. En esta fase se eliminan la mayor parte de las sales que contiene el agua. Si la fuente original de agua es un ro o un caudal de agua dulce, el proceso se denomina ablandamiento (eliminacin de la dureza del agua). Si se trata de agua de mar, el proceso se denomina desalacin.

Aunque existen diversos criterios para clasificar los procesos de desalacin, en general se puede hablar de procesos que requieren un cambio de fase y procesos que no lo requieren.

Entre los procesos que implican un cambio de fases estn: a) Destilacin en mltiple efecto b) Flashing en mltiple efecto c) Congelacin d) Compresin de vapor.

Los procesos que no implican un cambio de fases son: a) smosis inversa. b) Electro dilisis.

- Afino. El agua obtenida en el proceso anterior puede ser almacenada como agua desalada o ablandada, o pasar directamente al proceso siguiente sin un depsito intermedio. El afino es el proceso final de ajuste de la calidad del agua de alimentacin a la caldera. En l se eliminan las diversas sales que pudieran quedar an. El proceso se realiza con resinas de intercambio inico. Puede realizarse en dos fases, con resinas catinicas y aninicas por separado, o en un solo paso, haciendo pasar el agua a tratar por un nico depsito en el que se encuentran las resinas aninicas y catinicas mezcladas. A estos depsitos se les denomina lechos mixtos.

Una vez que ha atravesado estos lechos, el agua debe tener las caractersticas qumicas necesarias para su consumo en la caldera. Esta agua desmineralizada suele almacenarse en un depsito pulmn, desde donde se bombea hacia el punto del ciclo agua-vapor en el que se adiciona al circuito (generalmente el condensador o el tanque de agua de alimentacin). Antes de ingresar en l se realizar control qumico del agua, para ajustar el pH y su contenido en oxgeno disuelto, fundamentalmente.

La importancia del control qumico:

Definimos como control o tratamiento qumico a la alteracin de las caractersticas fsico-qumicas de una sustancia hasta adecuarlas a unos patrones predefinidos y deseados.

El objetivo principal de un tratamiento qumico en una planta es preservar la integridad de los materiales constituyentes de los diversos circuitos, manteniendo la operacin de los sistemas de la planta en el nivel ptimo de disponibilidad, seguridad, fiabilidad, economa y eficiencia durante la vida til de la instalacin.


Para llevar a cabo los tratamientos qumicos adecuados necesitaremos conocer dos condiciones fundamentales:

-Patrn qumico deseado: Viene dado por el tipo de material utilizado en la construccin de los distintos elementos del proceso tratado. Los valores de pH, por ejemplo, para el agua de caldera varan segn la composicin de las aleaciones utilizadas para la construccin de haces tubulares. Estos valores generalmente son aportados por los fabricantes de los equipos.

-Caractersticas fsico-qumicas originales de agua a tratar: La composicin fsico-qumica del agua vara segn la procedencia del abastecimiento, algunos de sus parmetros a tener en cuenta son la dureza, cantidad de slidos disueltos, materia orgnica disuelta, iones metlicos, productos qumicos utilizados en fases anteriores del proceso, etc.

Fundamentalmente la accin del agua sobre los distintos sistemas tiene dos efectos perjudiciales: corrosin y formacin de depsitos.

-Incrustaciones:

Una de las causas ms comunes de problemas en una planta es el fallo de tubos tanto de caldera, condensadores, intercambiadores o turbina de vapor, por operar con los parmetros qumicos de control fuera de las especificaciones de funcionamiento. Los mayores problemas en el rendimiento del circuito agua/vapor de las centrales estn relacionados con la acumulacin de depsitos porosos en la zona de agua de los tubos de caldera.

Una parte de los depsitos provienen del arrastre de los productos de corrosin generados en los sistemas previos a la caldera; otra parte proviene de la corrosin de los propios tubos de la caldera; y una ltima parte proviene de compuestos que arrastra el propio vapor por utilizar un agua de alimentacin al sistema que no cumple con los requerimientos deseables. Las incrustaciones adems de ser un problema por si mismas, aumentan las posibilidades de que se produzca corrosin en las zonas donde se adhieren.

Las incrustaciones se deben fundamentalmente a las sales de Calcio y Magnesio que al calentarse se concentran y precipitan dando lugar a depsitos que forman una capa aislante que dificulta el intercambio de calor. Los efectos directamente ocasionados son:

-La reduccin del coeficiente de transmisin de calor -La reduccin de la seccin libre de paso de fluido -La rotura de tubos por sobrecalentamiento, al ser menor el intercambio de calor.

Las incrustaciones o depsitos tambin pueden afectar a partes en movimiento, principalmente vlvulas y alabes de turbina de vapor. En este caso, no solo se producen incrustaciones por sales clcicas y magnsicas, sino tambin por deposicin de slice y diversos compuestos de hierro. Esto provoca falta de estanqueidad en vlvulas, degradacin acelerada de alabes y desequilibrios en el rotor de la turbina de vapor.

-Corrosin: Podemos definir la corrosin como la reaccin qumica o electroqumica que se produce entre un metal y el medio, que provoca su degradacin y la prdida de sus propiedades. El ataque


qumico comienza en la superficie y se propaga hacia el interior, pudiendo presentar el aspecto de pequeos puntos de corrosin en la superficie, pero gran profundidad en el elemento atacado. Diferentes zonas de la superficie metlica actan como nodo y ctodo debido a la no homogeneidad inherente de los materiales metlicos, que causa pequeas diferencias de potencias entre zonas adyacentes. Los iones metlicos por difusin a travs de la matriz metlica se oxidan en la zona andica y los electrones, difundidos de igual modo, reaccionan en el oxigeno disuelto en la zona catdica.

El resultado de la corrosin es la perdida de espesor y de cualidades mecnicas, as como el desprendimiento de material que puede acumularse en ciertos puntos de la instalacin, expandiendo a otras zonas los problemas de corrosin.

En caldera y ciclo agua-vapor, las partes ms afectadas de la instalacin sern las partes "fras", es decir, el circuito de alimentacin y economizadores, ya que en las partes calientes se forma de manera natural una capa superficial de xido de hierro denominado magnetita, que impide que la oxidacin progrese al interior del metal, formando as una capa protectora. Sin embargo estas partes calientes si se vern afectadas por los desprendimientos de las partes fras.


Turbina de Vapor

La TV recibe el vapor generado en la caldera y produce energa mecnica. Est dividida en etapas, generalmente en tres cuerpos: turbina de alta presin, turbina de media y turbina de baja. En cada una de ellas recibe vapor en condiciones de presin y temperatura determinadas. Se consigue con esta divisin un mayor aprovechamiento del vapor generado en caldera y se evitan problemas derivados de la condensacin en las ltimas etapas de la turbina.

Una turbina de vapor se puede dividir en dos partes fundamentales:

- El rotor o parte mvil

- El estator o carcasa o parte fija

El conjunto mecnico se apoya sobre cojinetes, elementos que soportan los esfuerzos y el peso del eje de la turbina. Pueden ser radiales (soportan los esfuerzos verticales y el peso del eje) o axiales (soportan el esfuerzo en la direccin longitudinal del eje). Algunos de los elementos presentes son:

- Cuerpos de turbinas de baja, media y alta. La presin de vapor en la turbina de alta suele ser superior a los 100 bares y 500C. En la turbina de media el valor de temperatura es similar y la presin est en torno a los 25 bares. En baja se tiene una temperatura prxima a la de saturacin y una presin algo superior a 3 bares.

- Vlvulas reguladoras de entrada de vapor a turbina: a) Vlvulas de parada, que actan por seguridad de la turbina y en situaciones de emergencia, para cortar el flujo de vapor


de entrada. b) Vlvulas de vapor de entrada, que proporcionan el caudal de vapor deseado para dar la potencia requerida por la turbina.

- Sistemas auxiliares (lubricacin, vapor de sellos, aire de control, etc.). Se incluyen los sistemas de estanqueidad, que presentan sistemas de cierre situados a ambos extremos del eje de la turbina que evitan que escape el vapor de la turbina al exterior. Hay tambin sistemas de estanqueidad interior, que evitan la fuga de vapor entre los labes mviles y fijos en las etapas sucesivas de la turbina.

Clasificacin de TV segn:

- Tipo de escape de vapor: turbinas de condensacin (se condensa el vapor que sale de la turbina) y turbinas de contrapresin (el vapor de escape se usa posteriormente en un proceso).

- Tipo de transformacin de energa trmica en energa mecnica:

. Turbinas de accin, la transformacin se realiza en los labes fijos (sirven para darle la direccin adecuada al vapor para que incida sobre los labes mviles, estn ensamblados en los diafragmas que forman parte del estator).

. Turbinas de reaccin, la transformacin se realiza a la vez en los labes fijos y mviles.

- Tipo de vapor de suministro y presiones dentro de ella, con extracciones, con recalentamientos, etc.

- Tipo de carcasa, con una sola carcasa, compuesta en tndem.

- Nmero de etapas.

- Direccin del flujo de vapor. Axial (caso ms normal), radial o tangencial.

- Expansin que se produzca, simple o mltiple. Escalonamientos en la TV

El objetivo es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los labes prxima al valor ptimo con relacin a la velocidad del chorro de vapor. Dependiendo de la presin y temperatura de entrada, la velocidad del chorro puede ser demasiado elevada si toda la energa se transformase en trabajo til con un solo escalonamiento. En este caso sera necesario que la turbina girase a una velocidad comprendida entre 20000 y 40000 rpm. Mecnicamente no es viable por las dimensiones que debera tener el reductor

El escalonamiento de presin tiene por objetivo dividir el salto entlpico total disponible en n saltos ms pequeos. En este caso la cada de presin se produce en grupos de toberas, de forma que la velocidad resultante del vapor es suficientemente baja para ser absorbida por una velocidad razonable del rodete. Este proceso se repite tantas veces como sea necesario para expansionar el vapor completamente. Para cada salto de presin debe disearse un par tobera-rodete.

El escalonamiento de velocidad consiste en producir una gran cada de presin en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de labes como sea necesario. Hay que tomar el vapor de salida del rodete y hacerlo pasar por un juego de


enderezadores reorientndolo para que entre en un segundo rodete.

La etapa de una TV es la conjuncin de una fila de labes mviles y de toberas fijas. El trabajo de la turbina se produce cuando a travs de las toberas se impulsa un chorro de vapor hacia los labes mviles.


Turbina de accin con tres escalonamientos de presin

Grfico de presiones y de velocidades absolutas en una turbina de accin con rueda Curtis y cuatro escalonamientos de presin


La turbina de accin de una etapa es descendiente directa de las turbomquinas hidrulicas, en particular de la turbina Pelton. En su forma ms sencilla consiste en una o ms toberas (convergentes si son subsnicas, convergente-divergentes si son supersnicas) y una rueda de paletas.

Turbina de accin: La cada de presin o expansin se realiza en las toberas (labes fijos) y en la rueda (labes mviles) solo hay un cambio de direccin de la vena de vapor. En los alabes no hay variacin de

presin, en los sucesivos cambios de direccin va entregando la energa cintica del vapor, por salto parciales. Las caras de las ruedas mviles se encuentran a igual presin. Se trata de un tipo de TV que ofrece particular interes cuando se las construye con un nmero reducido de


ruedas (mximo 4 ruedas). Trabaja con baja presin y no requiere sellos especiales de hermeticidad entre alabes fijos y mviles.

Turbina de reaccin: La cada de presin o expansin se realiza parte en la toberas y parte en la rueda mvil. En los labes se combina el cambio de direccin de la vena de vapor, con la cada de presin. En la tobera se produce un gran aumento de velocidad debido a la cada de presin y en la rueda mvil por las transformaciones que ocurre baja la velocidad. Conviene un nmero importante de ruedas, para disminuir saltos de velocidad y presin entre ruedas sucesivas. El principal inconveniente esta dado por el hermeticidad que debe observarse entre alabes mviles y fijos por el salto depresin existente. Se usa para grandes volumenes de vapor. La presin de entrada es > que la de salida, produciendo un empuje axial por la diferencia de presin, lo que obliga a emplear disposiciones constructivas especiales de compensacin ( colocacin de cojinetes axiales,en el eje)


Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes prxima al valor optimo con relacin a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presin de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, seria necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sera viable mecnicamente por las dimensiones que debera tener el reductor (caja de engranajes que ajustara la velocidad final del eje a la deseada).

Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, adems pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presin, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de accin y las finales de reaccin.


Regulacin de la turbina de vapor: En todo momento debe existir un equilibrio entre la potencia que entrega la turbina (unidad motriz) y la resistencia o potencia del alternador (mquina accionada), con el fin de que la velocidad sea constante aunque vare la carga ( frecuencia =cte). Se puede controlar:

- La cantidad de vapor producido[Tn/h] o la admisin a la TV (vlvula).

- Variando i (la calidad del vapor) por medio de p y T. Las condiciones mnimas a cumplir son las siguientes:

A carga constante, la variacin de la velocidad debido a la variacin del estado de vapor no debe ser mayor que el 0,5% Velocidad nominal.

La variacin de carga del 100% (prdida brusca de carga) no debe modificar la velocidad en ms 3% de la velocidad nominal.

Si la velocidad excede a la nominal en ms 12% debe actuar la proteccin de sobre velocidad, la cual de inmediato ordena el cierre de la vlvula principal de vapor, de esta manera la mquina queda sin vapor y entra a perder velocidad hasta su parada total. El Virador hace que la mquina gire a muy baja velocidad y se enfre en forma normal sin producir deformaciones en el eje de TV. El sistema virador consiste en un motor elctrico o hidrulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no est en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansin trmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razn este sistema se detiene (avera del rotor, avera de la turbina, inspeccin interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estar girando varias horas con el sistema virador.

Prdidas en una TV

- Roce del vapor dentro de la tobera

- Roce del vapor al pasar a travs de los labes mviles

- Roce del vapor al pasar por enderezadores

- Prdidas por friccin al girar el disco del rotor en el espacio que queda en la carcasa

- Prdidas mecnicas en el rotor Las TV empleadas en los ciclos combinados son en esencia similares a las empleadas en centrales convencionales, aunque presentan particularidades especficas. En la mayora de las centrales de ciclo combinado gas-vapor existe, como parte del equipo bsico, un cambiador de calor de mezcla denominado desgasificador. Este cambiador se instala no tanto con el objetivo de calentar el agua a la entrada del economizador, como para eliminar los gases disueltos en el agua y evitar fenmenos de corrosin en los tubos de la caldera. Despus que el sistema de control de la central manda seal de cierre, las vlvulas de control de las turbinas son cerradas y la potencia elctrica del generador se reduce hasta un valor


prefijado. En este punto se procede a desconectar la excitacin de campo y a abrir luego los interruptores del generador, desconectando la unidad del sistema. CENTRAL de Biomasa

Central de biomasa

La biomasa es la fraccin biodegradable de productos de desechos y residuos procedentes de la agricultura, silvicultura y de las industrias relacionadas, as como de la fraccin biodegradable de residuos industriales y municipales.

Una central termoelctrica de biomasa es una planta de generacin elctrica que aprovecha la energa qumica contenida en una cantidad determinada de biomasa y que es liberada como ener5ga trmica mediante un procesos de combustin. Una planta de valorizacin de BM debe disponer de un sistema de pretratamiento de BM, cuyo fin es la disminucin de la humedad que contiene y la adecuacin del tamao de la BM, con el fin de uniformizar las condiciones de entrada en la caldera y conseguir la mayor eficiencia del sistema de combustin.

El alto contenido de potasio y cloro de la BM, provoca incrustaciones y corrosin en diversas partes de la caldera, por lo que debe seleccionarse con mucho cuidado estas calderas.

El agua condensada, se bombea mediante bombas centrfugas colocadas a la salida del condensador, (bomba de condensado), hasta el desgasificador trmico. Este se encarga de eliminar los gases disueltos en el agua y que resultan perjudiciales para el circuito. La desgasificacin se produce por la adicin de calor proveniente de una extraccin de la turbina, con lo que por un lado se consigue elevar la temperatura del agua antes de entrar en la caldera, y por otro, se consigue liberar los gases disueltos (CO2, O2 y N2 principalmente) por la menor solubilidad de estos gases en caliente.


Las bombas de alimentacin de caldera, de alta presin, toman el agua contenida en el desgasificador, que acta como tanque pulmn de agua para la caldera y la impulsan hasta la entrada de la caldera a una presin ligeramente superior a la presin existente en el caldern de evaporacin.


Circuitos Elctricos Circuito de Conexin del Generador y Transformador de potencia por medio de una barra colectora simple.

Circuito Servicios Auxiliares Alimentacin a bombas de la playa de descarga, almacenamiento y provisin de combustible a quemadores de caldera, alimentacin a bombas de circulacin de agua de refrigeracin y ventiladores de torre, alimentacin a planta de tratamiento de agua, alimentacin a bombas de circulacin de agua, bombas de agua de alimentacin y ventiladores de caldera, alimentacin a bombas de sistema contra incendio, alimentacin a equipos asociados a la turbina y generador, iluminacin externa e interna, etc


Circuito de corriente continua

Alimenta los circuitos de control, protecciones elctricas, comando de interruptores y sealizacin

Circuito de mediciones elctricas

Por ejemplo para medir un generador de energa elctrica trifsico


Condensers. All power cycles must reject a large percentage of the heat added in order to produce mechanical work. For a Rankine cycle, this heat rejection occurs in conjunction with condensation of the working fluid vapor leaving the turbine at low pressure. The lower the heat rejection temperature, the greater the cycle efficiency as indicated in Equation (12.1). Heat rejection from the condenser to the surroundings can be either direct or through an intermediate heat-transfer fluid loop (usually water). The types of condensers commonly used in solar power systems are shown in Figure 12.7. The most common condenser, a tube-and-shell heat exchanger, requires a supply of cooling water that comes from either a natural source (river, well, or ocean) or water that has been cooled by a cooling tower. The three cooling towers pictured could be designed either to condense the engine working fluid directly or to reject heat from an intermediate cooling water loop that also circulates through a tube-and-shell condenser.

Figure 12.7 Types of condenser and/or heat rejection used in Rankine cycle solar power systems: (a) tube-and-shell condenser; (b) dry cooling tower; (c) wet cooling tower; (d) natural-draft cooling tower.

Each of these heat rejection schemes requires electrical power for operation. This power, considered a parasitic loss from the cycle's output, must be kept to a minimum. Highest parasitic power requirements are usually associated with dry cooling towers since they make use only of the sensible temperature of the air for cooling. This type of cooling is often selected for solar power systems because these systems are often located in hot, arid regions with minimal water resources.

Water evaporation may be utilized to provide additional cooling for the cycle as in examples c and d in Figure 12.7. These units typically provide lower-temperature cooling for less parasitic power than do dry cooling towers. The amount of water resource required may be roughly estimated by assuming that most of the heat rejected by the cycle provides latent heat for evaporation. The rate of water usage by a wet cooling tower may be estimated by


(12.7)

where is the rate of heat rejection by the cycle and hfg the enthalpy of vaporization for water (2450 kJ/kg or 1054 Btu/1b).

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EL CICLO RANKINE El ciclo Rankine es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. El ciclo ideal Rankine, Figura 2.28, no incluye ninguna irreversibilidad interna y est compuesto por los siguientes cuatro procesos reversibles:

1-2 Compresin isoentrpica en una bomba.

2-3 Adicin de calor apresin constante en una caldera.

3-4 Expansin isoentrpica en una turbina.

4-5 Rechazo de calor a presin constante en un condensador.


Fig. 2.28 El ciclo ideal Rankine simple.

ANLISIS DE ENERGA DEL CICLO IDEAL RANKINE

Los componentes del ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y condensador) son dispositivos de flujo estacionario. Los cambios en la energa cintica y potencial del vapor suelen ser pequeos respecto de los trminos de trabajo y de transferencia de calor y, por consiguiente, casi siempre se ignoran. Por lo tanto, se aplican las ecuaciones 2.62 y 2.63 que corresponden a la ecuacin de conservacin de la masa y a la de conservacin de la energa para flujo estacionario.


Para la caldera:

Para la turbina:

Para el condensador:

Para la bomba:

Por ser el proceso en la bomba, adiabtico reversible, se puede utilizar la ecuacin 2.120, resultando sencilla la integracin ya que el volumen especfico del fluido en una bomba, se puede considerar constante. Se escoge como volumen especfico el volumen del lquido saturado a la entrada de la bomba:

CICLO DE POTENCIA DE VAPOR REAL En el ciclo real se consideran las irreversibilidades en diversos componentes. La friccin del fluido y las prdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes ms comunes de irreversibilidades. De particular importancia son las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina. Una bomba requiere una entrada de trabajo mayor, y una turbina produce una salida de trabajo ms pequea como consecuencia de las irreversibilidades. En condiciones ideales, el flujo por estos dispositivos es isoentrpico. La desviacin de las bombas y turbinas reales de las isoentrpicas se compensa exactamente empleando eficiencias adiabticas, definidas como Para la bomba


Para la turbina

Donde los estados 1r y 3r son los estados de salida reales de la bomba y la turbina respectivamente, 1i y 3i son los estados correspondientes para el caso isoentrpico. Figura 2.29.

Fig. 2.29 Efecto de las irreversibilidades en el ciclo ideal Rankine

EFICIENCIA TERMICA DEL CICLO

La eficiencia trmica del ciclo es la eficiencia para una mquina trmica


INCREMENTO DE LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE La eficiencia trmica del ciclo Rankine se incrementa elevando la temperatura promedio a la cual se aade calor al fluido de trabajo y/o disminuyendo la temperatura promedio a la cual se rechaza el calor hacia el medio de enfriamiento, como un lago o un ro. La temperatura promedio durante el rechazo de calor se reduce bajando la presin de salida de la turbina. En consecuencia, la presin del condensador esta bastante por debajo de la presin atmosfrica es decir corresponde a presin de vaco. La temperatura promedio durante la adicin de calor se incrementa elevando la presin de la caldera o sobrecalentando el fluido altas temperaturas. Sin embargo, hay un lmite para el grado de sobrecalentamiento, puesto que no se permite que la temperatura del fluido exceda un valor metalrgicamente seguro.

CICLO IDEAL RANKINE CON RECALENTAMIENTO El sobrecalentamiento tiene la ventaja adicional de disminuir el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina. Sin embargo, al disminuir la presin de escape o elevar la presin de la caldera se aumenta el contenido de humedad. Para aprovechar las mejores eficiencias a presiones ms altas en la caldera y presiones menores en el condensador, el vapor suele recalentarse despus de que se expande parcialmente en la turbina de alta presin, como nuestra la Figura 2.30. Esto se logra recalentando el vapor nuevamente en la caldera, despus de haberse expandido en la turbina de alta presin. El vapor recalentado sale de la caldera y se expande en la turbina de baja presin hasta la presin del condensador. El recalentamiento disminuye el contenido de humedad a la salida de la turbina.

CICLO IDEAL RANKINE CON REGENERACION Otra manera de aumentar la eficiencia trmica del ciclo Rankine es por medio de la regeneracin. Durante un proceso de este tipo, el agua lquida (agua de alimentacin ) que sale de la bomba se calienta mediante algo de vapor extrado de la turbina a cierta presin intermedia en dispositivos denominados calentadores de agua de alimentacin. Figura 2.31. Las dos corrientes se mezclan en calentadores de agua de alimentacin abiertos, y la mezcla sale como un lquido saturado a la presin del calentador. En calentadores de agua de alimentacin cerrados, el calor se transfiere del vapor al agua de alimentacin sin mezcla. Por tanto, un calentador de agua de alimentacin abierto es, en esencia, una cmara de mezcla, y un calentador de agua de alimentacin cerrado es un intercambiador de calor. Figura 2.32


Fig. 2.30 El ciclo ideal Rankine con recalentamiento.


Fig. 2.31. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentacin abierto.


Fig. 2.32. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentacin cerrado.

Las torres de refrigeracin son enormes hiperboloides de revolucin, que emiten de forma


constante vapor de agua, no contaminante, a la atmsfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustin sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros voltiles de la combustin. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construccin, donde se mezclan con el cemento.

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