T2 Turbinas a Vapor

8/18/2019 T2 Turbinas a Vapor

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El proceso de trabajo en una turbina de vapor es un proceso cíclico, lo que

significa que la transformación de energía se realiza por medio de cambios de

estado periódicos del medio de trabajo (agua-vapor).

En este proceso no tiene importancia que el medio de trabajo sea siempre el mismo

(vapor) o se renueve periódicamente como es el caso en la turbina de gas o en el

motor de combustión interna.

1er principio: calor es una forma de energía que se puede producir desdetrabajo mecánico y transformar a trabajo mecánico.

2do principio: calor nunca puede pasar por si solo desde un cuerpo de bajatemperatura a otro cuerpo de mayor temperatura.

Con el segundo principio se establece una restricción para el primer principio, que es

que la transformación de calor a trabajo mecánico necesita una diferencia de

temperatura para poder ser realizada.

Gas Ideal: el estado de un gas ideal se describe con 3 variables de estado (presión – p,temperatura – T y volumen – v).

Con la constante del gas – R, resulta entonces pv=nRT.

La transformación de calor en trabajo mecánico se realiza por medio de la expansión

de gases y vapores.

Principios de la Termodinámica


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Expansión de gases: si a un gas se le suministra calor con volumen constante, sube la

presión.

Primer principio de la Termodinámica: E_suministrada=∆E_interna+Trabajo

∆q=∆u+p∆v

A un gas con energía interna u se le suministra calor ∆q y se expande por esto y produce el

trabajo externo p∆v. Manteniendo el v=cte. solamente aumentaría la energía interna del gas.

La Entalpía específica (h), es una variable de estado definida por h=u+ pv .

La variación de h expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un

sistema termodinámico.

La suma de la energía entregada será igual a la diferencia entre la energía interna del gas alentrar y al salir de la máquina; esto es válido si no hay intercambio de calor con el medio

ambiente.

u1-u2=W12

h1-h2=W12+p1v1-p2v2=W

Si se deja expandir el gas de v 1 a v 2, el trabajo está representado por la

superficie bajo la línea 1-2. El trabajo externo producido es dependiente del

camino que se sigue desde 1 hasta 2, por lo cual no es una variable de estado.p1

p2

v1 v2

1

2

p

v

La energía interna (u) de un gas solamente depende de la temperatura, pero

mantiene su valor al volver a la temperatura original.

h1-p1v1

h2-p2v2

donde; W : trabajo mecánico de un proceso.

Al no haber intercambio de calor con el medio, W es igual a la diferencia de entalpía.


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La Entropía específica (s) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no

puede utilizarse para producir trabajo. Es una variable de estado que cuantifica la

reversibilidad de una variación de estado.

Si la variación del estado es reversible completamente, la entropía del sistema total permanececonstante.

Si la variación de estado es irreversible como en los procesos reales (roce y estrangulación), la

entropía aumenta. Para el diferencial de estos procesos Clausius definió

ds=(dq/T )=(du+pdv )/T

Procesos para un gas ideal: se debe considerar una variable de estado constante.

1

2

p

v

2

2

21

2

T

s

2

2

2

Isobárico

p=cte

IsotérmicoT=cte

Adiabático

dq=cteIsochoro

v=cte

Adiabático

q12=0

Isobárico

q12=∫Tds

Isotérmicoq12=T(s2-s1)

Isochoro


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Esta constituido por dos procesos isotérmicos (T=cte) y dos procesos adiabáticos(dq=cte).

2-3: expansión isotérmica. Entregamos calor Qs a temperatura TS.

3-4: proceso adiabático (dq=0). Permitiendo la expansión, la temperatura disminuye.

4-1: compresión isotérmica. Se elimina calor QI a temperatura TI.

1-2: aumento de temperatura (dq=0). Al comprimir la temperatura aumenta,

El calor aprovechado en éste ciclo es: q=qin-qout=QS-QI. El rendimiento térmico (calor

aprovechado/calor obtenido)es:

ηthC =[qin-qout]/qin=[Ts(s3-s2)-TI(s4-s1)]/[Ts (s3-s2)]=(Ts-TI)/Ts=1-TI/Ts [1]

El rendimiento será más alto, mientras más grande sea la temperaturas Ts.

Este ciclo es completamente reversible, es decir la entropía del gas de trabajo se recupera

a su valor inicial después de cada ciclo (en la realidad esto es ideal).6

Ciclo de Carnot

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Para gases ideales y vapores (agua), ya no es válida la ecuación térmica de los

gases ideales.

Su comportamiento es muy difícil de expresarlo en una función matemática, pero es

suficientemente conocido por medio de ensayos de laboratorio.

Punto crítico (220,45 bar, 373,86 °C y 0,00311 m3/kg). La densidad del agua esigual a la densidad del vapor / diferencia entre líquido y gaseoso desaparece.

A presiones sobre los 220,45 bar, el agua pasa al aumentar la temperatura,

directamente a vapor sobrecalentado.

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Vapor de agua


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Ciclo de Clausius - RankineSe desprecian las desviaciones de la isobárica (p=cte)

y de la adiabática (intercambio de calor dq=0).

1. En el evaporador de la caldera (1) se le suministra

al agua el calor para alcanzar la temperatura de

gasificación [qFL(a-b)], donde luego se evapora

bajo la presión de la caldera y luego el calor de

evaporación [qV(b-c)], hasta alcanzar la

temperatura del vapor necesaria.

2. En el recalentador (2) se le entrega calor [qU(c-d)],

hasta que el vapor sobrecalentado alcance la

temperatura necesaria.

En total al vapor se le entrega [qZU=qFL+qV+qU ].

3. A lo largo de una adiabática (d-ead), se expande el

vapor en la turbina (3), proceso ideal, hasta la zona

del vapor húmedo hasta la presión en el

condensador (4), por ejemplo 0,05 bar.

4. Entre (ead-f), el vapor es condensado

isobáricamente e isotérmicamente. En ese procesose le entrega el calor al agua de refrigeración.

5. Para cerrar el ciclo (f-a), se le sube la presión al

agua hasta alcanzar isocóricamente nuevamente la

presión de la caldera por intermedio de la bomba

(5).

En el diagrama T,s no se puede apreciar la

diferencia entre a y f , pero en el diagrama p,v sí.


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Ciclo de Clausius – Rankine (2/2) En el diagrama T,s, la cantidad de calor aportado

(Qzu) se muestra en la superficie bajo a,b,c, y d . El

calor entregado al condensador, es la superficie bajo

ead y f . Para el cálculo del rendimiento térmico

teórico ηthCR del ciclo es similar al del ciclo deCarnot,

ηthCR =[qZU-qab]/qZU=W /qZU=(hd- he,ad)/(hd - ha) [2]

donde; W : trabajo mecánico

Mientras mayor sea la entalpía absorbida por el

condensador, menor será el rendimiento térmico.

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Para complementar el diagrama de vapor de agua se usan las siguientes tablas:

A: el sector líquido no esta bien representado en el diagrama, por las cercanías de

todas las líneas de presión. La siguiente tabla muestra los valores de entalpía no

indicados.

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La siguiente tabla muestra los valores de entalpía no indicados de los dos lados de la

campana: límite con el sector del líquido y límite con el sector del vapor

sobrecalentado.

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Para mejorar el rendimiento de una central a vapor:

Aumento de la temperatura y de la presión.

Recalentamiento del vapor.

Recalentamiento del agua de alimentación a la caldera.

Combinar la central de vapor con una turbina a gas (ciclo combinado).

1. Aumento de temperatura y aumento de presión

En la ecuación [1], el rendimiento podemos aumentar si aumentamos la temperaturadel vapor a la entrada de la turbina. Las temperaturas y presiones usuales para una

central base están entre 530-550 °C y 180-250 bar (18-25 Mpa), respectivamente.

Las temperaturas y presiones con que se puede operar una central a vapor

depende de los materiales empleados en su construcción; para temperaturas

sobre 550 °C, los materiales deben ser aceros aleados de alta temperatura

(aceros austeniticos – aceros que contienen altos valores de Cr y Ni).

Maneras de mejoramiento del rendimiento

η

año

20

40

60

1920 1960 2000

Precalentamiento regenerativo

del agua de alimentación

Recalentamiento

intermedio

Ciclo

combinado


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Comparación

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Central de vapor con sobrecalentamientoCentral térmica de vapor

Ejemplo: calcular el rendimiento térmico utilizando la ecuación [2], de las tres plantastérmicas de vapor convencionales (a, b, c y d) con los siguientes valores en su proceso.


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2. Recalentamiento del vapor entre 2 expansiones entre dos turbinas

El vapor al salir de la primera turbina y antes de entrar a la segunda turbina, es

llevado nuevamente a la caldera donde se le aumenta la temperatura al vapor.

Ejemplo: calcular el rendimiento térmico del proceso.


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3. Precalentamiento regenerativo del agua de alimentación

Se realiza por medio de purgas (extracciones) y mezcladores (vapor + agua). Las

purgas extraen desde la turbina vapor a cierta temperatura y cierta presión, y se lo

mezcla con el agua de alimentación a otra temperatura pero a la misma presión.

La temperatura de la mezcla será manejada por medio de la cantidad de vapor que

se extrae de la purga.

Cabe hacer presente que en la práctica son mucho más purgas las que se realizan. Lacentral térmica de Ventanas en una de sus unidades tiene 13 purgas.


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En la siguiente tabla se indica la variación del rendimiento en una central térmica de

vapor en función del número de extracciones en funcionamiento continuo.

Valores habituales de las centrales de vapor.

La potencia nominal: es la potencia máxima continua, es decir la potencia con la válvula de

admisión completamente abierta y con el ciclo de vapor en las condiciones normales.

40 kg/cm2

≈3,9 MPa


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Ejemplo: calcular el rendimiento térmico del proceso (2 purgas) considerando el siguientediagrama. Balance de entropías x masa en el mezclador: (∆hvapor *X)=[∆hagua*(1-X)].

En la entrada de la turbina tenemos vapor a 20 MPa con 550 °C y a la salida con 0,01

MPa. Sea “X” la parte extraída en la primera purga a 5 MPa e “Y” la parte extraída en la

segunda purga a 1 MPa.

Entre la entrada del vapor a la turbina y la primera purga tenemos el flujo total=1 p.u.

Entre la primera purga y la segunda purga tendremos solamente (1-x) p.u. de flujo de

vapor por la turbina. Entre la segunda purga y el final de la turbina tendremos (1-x-y)

p.u. de flujo de vapor dentro de la turbina.Se necesitan los siguientes valores de entalpía:

presión vapor agua

5 MPa 3050 1160

1 MPa 2700 770

0,001 MPa 2000 200Balance mezclador de 5 MPa: (∆hvapor *X)=[∆hagua*(1-X)]

(3050-1180)*X=(1180-770)*(1-X) ==> X=0,180

Balance mezclador de a MPa:

(2700-770)*Y=(770-200)*(1-X-Y) ==> Y=0,187

ηthCR =h(útil)/h(empleda)=(3400-3050)*1+(3050-2700)*0,820+(2700-2000)*0,633/(3400-1180)*1=1080,1/2220=48,7%.


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Sistemas necesarios para una central a vapor


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Un parque de alimentación del combustible, con las instalaciones para las descargas y

alimentación del mismo.

Un cuarto de calderas, con los dispositivos relativos a las mismas.

La caldera o el generador de vapor.

El economizador o precalentador de agua.

El alimentador de agua a la caldera.

El depurador del agua de alimentación.

Una sala de máquinas o edificio de turbinas.

El grupo turbo-alternador. El condensador.

Un departamento eléctrico, con los locales para los cuadros de maniobra y medida y la

subestación transformadora elevadora.

Sala de control: son los dispositivos de maniobra, regulación y medida que son necesarios para la

explotación de la central.

El parque de transformadores (cuando se hallan en la central). Conjunto de aparatos que permite el corte, protección y mando de las instalaciones eléctricas de

alta tensión (interruptores, seccionadores, transformadores de medida, pararrayos, etc.).

Los edificios de servicios.

El parque de transformadores de servicios auxiliares.

Conjunto de aparatos que permite el corte, protección eléctrica y mando de las instalaciones

eléctricas de media y baja tensión.

Centrales térmicas de turbinas de vapor


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Circuitos principales


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Funciones:

1) Recepción y almacenamiento del combustible.

2) Preparación del combustible para ser quemado en condiciones óptimas.3) Transporte del combustible hasta el hogar o cámara de combustión.

4) Evacuación y filtrado de gases.

5) Evacuación de cenizas y residuos de la combustión.

1. Circuito aire-combustible-gases-cenizas


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Tipos y propiedades de los combustibles

Los combustibles empleados en las centrales térmicas convencionales se clasifican de la

siguiente forma:

Combustibles sólidos: turba (desechos de madera), lignito, hulla y antracita.

Combustibles líquidos: fuel-oil, gas-oil y petcoke. Combustibles gaseosos: gas natural y gas licuado de petróleo.

Análisis inmediato: consiste en la determinación del carbono fijo, de las materiasvolátiles, de la ceniza y de la humedad .

Carbono fijo: cantidad de carbono (C) contenida en el combustible.

Volátiles: es el porcentaje de pérdida de peso que experimenta un combustible al calentarlo a

925 °C en ausencia de aire.

Cenizas: es el residuo sólido que queda después de la combustión completa del combustible.

Humedad: porcentaje de agua que contiene un combustible.

Análisis elemental: se determinan además, los porcentajes de carbono, hidrógeno,nitrógeno y azufre por métodos analíticos y directos. Con este análisis se determina el

poder calorífico, y la temperatura de inflamación e ignición del combustible.

Poder calorífico: es el calor desprendido por la combustión completa de 1 kg de combustible

sólido o líquido, o un 1 m3 a 0 °C y 1 atm de presión si se trata de un gas.

Temperatura de inflamación: es la temperatura a la que empiezan a desprenderse vapores

inflamables del combustible.

Temperatura de ignición: es la temperatura a la cual la velocidad de desprendimiento de los

vapores inflamables del combustible iguala a la velocidad de combustión (estable).


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Carbones naturales: después de secados al aire.

Cada una de las variables son los pesos unitarios, o fraccionarios.

La turba, la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono y un

alto índice de humedad. El lignito, el carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono

mayor. El carbón bituminoso (hulla) tiene un contenido aún mayor, por lo que su poder calorífico

también es superior. La antracita es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo

poder calorífico.

Análisis elemental: se puede calcular el poder calorífico pcal

=8080*C+34460*(H-O/8)+2250*S

[kcal/kg] - Dulong.

La combustión espontánea del carbón se debe al proceso de oxidación del mismo.

La oxidación de los carbones sólo aumenta lentamente con la temperatura hasta los 50 °C, a

partir de dicha temperatura, si las condiciones son favorables para la oxidación y desfavorables

para la evacuación del calor generador, la temperatura puede aumentar produciendo una

oxidación más enérgica y un aumento consiguiente de la temperatura, pudiendo llegar a alcanzar

la temperatura de encendido, que en la mayoría de carbones bituminosos es de 150 °C.


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Gas-oil: se emplea como combustible para turbinas de combustión interna y paramotores diesel. Las características medias son:

Fuel-oil: se emplea como combustible para calderas industriales. Las característicasprincipales de varios tipos de fuel-oil son:

La combustión del azufre contenido en los combustibles anteriormente citados, si bien produce

calor, da como resultado óxidos de azufre que son perjudiciales (punto de vista ecológico).


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Gas natural: es un combustible excelente para motores de combustión interna y turbinasde gas. El gas natural está compuesto básicamente por metano.

La composición del gas seco (procedente de los pozos de petróleo seco) y el gas húmedo

(procedentes de los pozos productores de petróleo) después de la separación del propano ybutano es: Metano (68-96%) y Etano (3-30%).

Su poder calorífico superior varía de 8900-11600 kcal/m3, y es muy superior a la mayor parte de

combustibles gaseosos: gas de hulla (4450), gas de agua (2760), y gas de gasógeno (1340).


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Almacenamiento de los combustibles: se debe realizar por razones de seguridadfrente a posibles restricciones o irregularidades en su suministro y cuando la calidad de la

composición del combustible no es homogénea.

El combustible sólido se transporta hasta la central por tren o barco cuando se trata decombustibles de cierta calidad.

Para calidades inferiores (lignito, turba, etc.) de bajo poder calorífico, el transporte a gran

distancia resulta antieconómico y la central se debe construir a boca de mina (cinta

transportadora).

Los combustibles líquidos se transportan por vía férrea, marítima o incluso por oleoducto.

Para combustibles gaseosos se utilizan gasoductos.

Se lo realiza en dos etapas:

1) Parque de combustible: con una capacidad de almacenamiento de varios meses de

funcionamiento de la central, y

2) Depósitos o tolvas: en donde se almacena el combustible que va a consumir la central

en un período más corto, del orden de varias horas.

El combustible sólido es llevado a través de cintas transportadoras. El combustible líquido se almacena en depósitos y se envía a la caldera o generador de vapor

por medio de bombas.

Cuando se trata de fuel-oil, se han de prever dos etapas de calentamiento. Una para que pueda

ser bombeado con más facilidad del depósito, y otra más próxima a la caldera para facilitar la

pulverización y la combustión del mismo.

M li d t it ió d b


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Molinos de trituración de carbones

Actualmente todo el carbón que se quema en las centrales térmicas es de forma de

carbón en polvo.

El carbón pulverizado presenta las siguientes ventajas:

Combustión más completa.

Menor costo de la mano de obra.

Mayor potencia calorífica por unidad de volumen de hogar.

Equipos de combustión adaptables a otros combustibles.

Posibilidad de utilizar carbones más baratos y de peor calidad.

Fácil control de aire y combustibles suministrados.

Extracción de escorias más sencilla.

“Ausencia” de humos.

Rendimiento más elevado.

Como desventaja debe señalarse:

Mayor costo de la instalación.

Mayor costo de preparación del combustible. Mayor emisión de cenizas por la chimenea.

Existen dos esquemas fundamentales para el sistema de molienda y trituración del

combustible (la alimentación separada y la alimentación directa).


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Alimentación separada: el carbón sehace llegar a los molinos, desde donde es

transportado a unos silos de carbón

pulverizado, en donde se almacena hastaque es inyectado a los quemadores. El carbón se pulveriza y mezcla

simultáneamente con el aire (aire primario)

en los molinos y se transporta por medio de

un ventilador hasta el interior del hogar.

Alimentación directa.


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Los molinos de trituración de carbones se pueden clasificar según el método que utilicen

para pulverizar el carbón:

Molinos tubulares: Hardinge, Foster-Wheler, Kennedy van Saun.

Molinos de percusión: Erie City, Combustion Engineering, atrita, Riley Stoker. Molinos de rodillos: Babcock & Wilcox, Raymond, Combustion Engineering.

Molino de bolas-Hardinge.

El aire caliente, para secar el carbón mientras se pulveriza, entra por un extremo y arrastra el

carbón pulverizado, introduciéndolo, a través del otro extremo, en un clasificador espiral. Debido a la considerable cantidad de carbón que tiene en su interior responde muy bien con

aumentos de carga; incluso en caso de corte total de alimentación de carbón, es capaz de seguir

suministrando a la caldera durante unos 6-10 min.

La potencia eléctrica absorbida por el molino, para una finura óptima (tamiz de 80 mallas por

pulgada) del 70-85%, varía entre 11-30 kWh/ton y la potencia absorbida por el alimentador 0,5-1

kWh/ton y por el extractor 4-7 kWh/ton

Es un molino muy simple, adecuado

para antracitas, ruidoso, de velocidad

limitada, y que no controla muy bien lafinura del polvo. Consta de un cilindro

horizontal con bolas de acero en su

interior, que gira a velocidad constante.

Ci it i


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Circuito aire-gases

El aire tomado de la atmósfera es enviado a la caldera por los ventiladores de tiro

forzado, a través de los precalentadores de aire.

Las funciones del precalentador son:

Recuperar el calor contenido en los gases a la salida de los intercambiadores (agua y vapor).

Elevar la temperatura del aire que se empleará en la combustión para mejorarla.

1. En la cámara de combustión (hogar) el

combustible se quema desprendiéndose

calor y gases.

2. Los gases son conducidos a lossobrecalentadores y recalentadores. Los

gases, han cedido la mayor parte de su

energía al agua y al vapor de agua.

3. Los gases pasan por un intercambiador

de calor -precalentador de aire, antes de

introducirse en los colectores de polvo.

4. A la salida de los precalentadores, el airese envía a la cámara de combustión de

diferentes maneras (aire primario

mezclado con el combustible, alrededor

de los quemadores, como aire

secundario, y a lo largo del recorrido de

la llama como aire terciario).

Q d b tibl l i d


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Quemadores para combustible pulverizado

Los quemadores son dispositivos que inyectan aire y combustible pulverizado a la cámara

de combustión. Deben estar diseñados para:

El ajuste y control del punto de ignición.

La estabilidad de la ignición y la estabilidad de la llama.

La combustión completa.

Distribución uniforme del exceso de aire y de la temperatura a la salida del hogar.

Fácil acceso para limpieza y mantenimiento.

Evitar la formación de depósitos locales de escorias.

Prevenir su calentamiento y combustiones en su interior y el desgaste excesivo del quemador.

Quemadores de carbón pulverizado

Funcionalmente los quemadores de carbón pulverizado se pueden clasificar en: quemadores

de tipo laminar y quemadores de turbulencias.

Quemadores de Turbulencias: se imprime un movimiento rotativo al flujo de carbón-aire

primario y a la corriente de aire secundario (quemadores circulares de Rosencrants).


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Quemadores tipo laminar: las turbulencias en la mezcla de aire y polvo de carbón se

producen espontáneamente por la propia velocidad de la mezcla, por el uso de los

deflectores (quemadores circulares de Babcock & Wilcox), el paso a través de los tubos

pantalla (quemador inter-tubes de Babcock & Wilcox) y por la entrada de aire secundarioy terciario.


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En las calderas de gran potencia suele emplearse el encendido por ángulos.

En tal caso los mecheros se pueden inclinar respecto al plano horizontal, con lo que la

posición de la región de combustible turbulenta del hogar se puede bajar o subir para

mantener una temperatura constante de vapor sobrecalentado.

Quemadores para combustibles líquidos


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Quemadores para combustibles líquidos

Todos los quemadores constan de un cuerpo en forma de tubo alargado, cuyo extremo

anterior queda fuera del hogar, mientras que el otro extremo se sitúa en la parte interior,

con el fin de llevar el combustible al lugar requerido.

Atendiendo a la manera de lograr la pulverización del combustible, se clasifican en:

a) Quemadores de pulverización hidráulica: de inyección total y con retorno de combustible.

b) Quemadores con pulverización por medio de fluido auxiliar: con vapor de agua y con aire.

c) Quemadores de copa rotativa.


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a) Quemadores con pulverización hidráulica

Inyección total La presión del fuel-oil a la entrada (5 a 20 atm) no tiene influencia sobre la finura del pulverizado

sino sobre el caudal, y éste no varía linealmente con la presión. Además, con el inconveniente deque cuando la presión es baja se produce una mala pulverización del combustible.

Pulverizador de plato conorificio central

Pulverizador centrífugo Pulverizador de cámara deturbulencia

Esquema de lainstalación


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Retorno de combustible Una mejora de la pulverización se consigue con los sistemas de pulverización que utilizan

quemadores con retorno de combustible.

En los quemadores una parte del caudal que llega a la cámara de turbulencias se pulveriza en el

hogar y otra parte se puede hacer recircular de nuevo a través de una válvula de regulación.

Cuando la válvula de regulación está cerrada el caudal que se pulveriza en el hogar es máximo.

Con este sistema se logra una buena pulverización y una relación casi lineal entre fuel-oil

inyectado y la presión.


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b) Quemadores de inyección total con auxilio de vapor Combinan la acción de la pulverización mecánica con la acción emulsionante del vapor.

En ellos la presión con la que llega el fuel-oil al quemador es mucho menor y las secciones de

paso mayores.

En el atomizador por vapor, el combustible llega a la tobera a través de un tubo central y pasa a

través de la tobera atomizante adquiriendo un movimiento de rotación por efecto de los surcos

tangenciales que desembocan en una cámara de turbulencia.

El chorro pulverizado fluye en el emulsor.

El vapor de atomización, conducido por el tubo externo, atraviesa la tobera atomizante, después

la pastilla y llega al emulsor, en donde se mezcla con el combustible.

La emulsión homogénea restante atraviesa la cámara de mezcla y sale a través de los taladros

de la tobera distribuida hacia el hogar.

La expansión del vapor en la tobera distribuida provoca la atomización final del combustible.

Estos quemadores pueden funcionar con

fuel-oil pesado de gran viscosidad gracias

al calentamiento que produce el propio

vapor. Además la mezcla de vapor y

aceite es muy detergente y resulta muy

eficaz en la limpieza de tubos y orificios.


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c) Quemadores de copa rotativa En estos pulverizadores, el combustible se envía a una pieza en forma de copa que gira a gran

velocidad. Dicha pieza suele estar accionada por el motor del ventilador del aire primario.

El fuel-oil se mueve en el interior de la copa hasta llegar a su borde de salida, donde laabandona y sale proyectado por centrifugación hacia el exterior creando grandes turbulencias.

Vaporizadores y sobrecalentadores


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Vaporizadores y sobrecalentadores

La temperatura en las distintas zonas de la caldera es variable debido a diferencias en la

transmisión de calor.

En el extremo del dardo de la llama se pueden superar los 1.700 °C y en las paredes de la

caldera los 1.200 °C. Para proteger las paredes de la caldera contra estas temperaturas, sedesarrollan las pantallas de agua, que a la vez sirven como vaporizadores.

Para no dañar las paredes de la caldera es necesario que la combustión se realice por completo

en el hogar, para lo que se habrá de suministrar en cada instante, a la temperatura adecuada, el

aire necesario para la misma.

La temperatura externa de los tubos de ebullición no

rebasa los 410 °C, por que suelen ser de acero al carbono

con un espesor del orden de los 4 mm para 40 ata

(atmósferas absolutas) y de 7 mm para 180 ata.

La temperatura del vapor sobrecalentado puede llegar a los

580 °C a 180 ata, por lo que los sobrecalentadores y

recalentadores se suelen construir con aceros especiales,

con espesores de 3,3 mm para 40 ata y de 6 mm para 180

ata.

Según donde se ubiquen y protejan los sobrecalentadores,

la transferencia de calor en ellos puede ser por convección,

por radiación o por una combinación de ambos procesos.

Precalentadores de aire


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Precalentadores de aire

Son calentadores regenerativos que se sitúan en la parte final del recorrido de los gases,

a continuación del economizador o precalentador del agua de alimentación a la caldera.

Su misión es recuperar parte del calor que todavía poseen los gases de la combustión para

volver a introducirlo en la caldera, aumentando de esa forma el rendimiento del conjunto (unareducción de la temperatura de los gases de escape en 56 °C elevara la eficiencia general de la

planta entre un 2,3 y un 2,6%). Los ahorros totales de combustible atribuibles al

precalentamiento del aire no derivan solamente del calor que se recupera de los gases de

escape, sino también de las condiciones de combustión, que son mejoradas.

a) Precalentadores recuperativos

Los gases y el aire están separados por una

pared metálica a través de la cual

intercambian calor. Dentro de este tipo los que

mas se utilizan son: precalentadores tubulares(ver figura) y precalentadores de placas.


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b) Precalentadores regenerativos En este dispositivo la superficie metálica es calentada por los gases y enfriada por el aire de

modo alternante.

El precalentador de Ljugstrom está constituido por un rotor cilíndrico formado por sectores dechapa ondulada, que permiten el flujo axial del aire y los gases separadamente, y que giran

lentamente a velocidad constante. Cuando las chapas pasan enfrente de la corriente de gases

calientes toman calor en éstos, para cederlos posteriormente a la corriente de aire fresco de

entrada que los atravesará cuando el rotor haya girado media vuelta.

El precalentador de Rothemuhle difiere del anterior por el hecho de que los elementos

cambiadores de calor son fijos y que, por el contrario, son los conductos del aire los que están

dotados de un movimiento de rotación lenta (1 rpm).


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El tiro en las calderas


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El tiro en las calderas

Tiene la misión de proporcionar aire necesario para la combustión y evacuar los gases

que se producen en la misma. El tiro se puede crear de manera natural o artificial.

a) Tiro natural Los gases de la combustión se evacuan a la atmósfera a través de la chimenea gracias a la

diferencia entre la densidad de los gases calientes dentro de la chimenea y la del aire frio del

exterior, que dependerá de las condiciones meteorológicas.

Además, para que la circulación de los gases tenga lugar con una cierta velocidad, se habrán de

vencer las pérdidas por carga que se producen en su recorrido.

Por tanto, se intuye que las instalaciones de tiro natural estarán limitadas a pequeñas centrales

térmicas, si no se requiere llegar a alturas de chimenea inviables desde el punto de vista

económico-técnico, o serán complementarias de las instalaciones de tiro artificial.

En la figura se representa la presión relativa a lo largo del circuito aire-gas.


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2 Circuito agua vapor


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• El objetivo principal de este circuito es el de suministrar vapor.

Los principales elementos del circuito son:

1) Economizador: recibe el agua de alimentación de la caldera para un calentamiento previo.

2) Calderín: junto con las pantallas vaporizadoras constituyen el sistema generador de

vapor. Este dispositivo sirve de reserva de agua para los circuitos generadores de vapor y

como cámara de mezcla del agua de alimentación y la de recirculación que procede de

las paredes de agua.

3) Sobrecalentadores primario y secundario: su misión es elevar la temperatura de vapor

producido, aumentando su contenido energético.4) Recalentador intermedio: recibe el vapor que ha pasado por la etapa de alta presión de la

turbina elevando de nuevo la temperatura del vapor. A su salida alimenta el cuerpo de la

turbina de media presión y baja presión.

el circuito agua-vapor consta, por lo tanto, de la caldera con sus etapas de

vaporización, sobrecalentamiento, recalentamiento, turbina, condensado y de

drenaje, desgasificador y economizador.

2. Circuito agua-vapor


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La caldera


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Las funciones de las calderas son: precalentar/evaporar y sobrecalentar.

El agua que produce el economizador se calienta hasta la temperatura de ebullición. Atendiendo

a la manera en que el agua circula, éstas se pueden clasificar en:

a) Circulación natural Funcionan aprovechando el efecto de termosifón.

Esta turbina funciona bien hasta aprox. los 160 bar.

En la caldera los tubos de caída están, están alejados del lugar de combustión y estánconectados con los tubos de ascensión que están en la parte caliente de la caldera.

En efecto, al calentarse los tubos de la pared fría, básicamente por radiación, la densidad del

agua en su interior disminuye y se pone en circulación natural (desde el hogar de combustión

hacia el domo acumulador de vapor) por la diferencia de peso entre el agua de los tubos

bajantes A y los de la pared de tubos B.

Desde el domo de vapor pasa por el sobrecalentador y luego a la turbina.

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La caldera


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Los tubos de la pared de agua llevan ésta desde el colector inferior al colector superior y de allí

va a parar al calderín. Dependiendo la velocidad de circulación solamente del flujo térmico del

circuito.

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En el calderín se lleva a cabo la separación del vapor

seco de las gotas de agua líquida que vuelven a

recircular por los tubos bajantes (downcorners).

El gasto de agua en forma de vapor seco que sale del

calderín se compensa con un aporte de agua al mismo

procedente del economizador.

http://www.babcock.com/library/Documents/e1013185.pdf


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b) Circulación asistida A medida que aumenta la presión de la mezcla vapor-agua, disminuye la diferencia de

densidades entre las ramas caliente y fría, y por lo tanto la circulación en la caldera se ve

dificultada.

A partir de las presiones del orden de los 200 bar apenas existe circulación natural, por lo que el

sistema deja de funcionar correctamente.

Para hacer frente a éste inconveniente, se utilizan sistemas de circulación asistida, que permiten

trabajar con presiones más elevadas y mayor flexibilidad de funcionamiento, sobre todo durante

los períodos de arranque y de variación de carga.

En éstos sistemas, se mantiene la circulación en el circuito dentro de los límites de

funcionamiento por medio de bombas de agua instaladas en los tubos bajantes.

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c) Circulación forzada Se denominan también generadores de vapor o calderas de circuito abierto. En ellas el agua es

impulsada únicamente por una bomba de alta presión, y conforme va recorriendo los tubos de la

pared de agua, ésta se calienta, se evapora y se sobrecalienta.

Pueden trabajar a presiones superiores a la crítica (alrededor de los 230 bar) y, dado que el

vapor que sale se encuentra en estado seco, no necesita calderín. Sin embargo, para el proceso

de arranque, disponen de un separador de vapor como el que se muestra en la figura.

Generalmente no se emplean calderas de circulación forzada para presiones inferiores a los 80

bar.

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Caldera de circulación forzada (Marca: Bobcock-Wilcox) Puede quemar gas natural y petróleo pesado para 465 ton/h, 210 bar y 540 °C.

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Planta de generación térmica de 600 MW a carbón subbituminoso

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3. Circuito agua de circulación


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El condensador y el circuito de agua de circulación

El vapor de agua con un pequeño contenido de humedad procedente de la etapa final de

la baja presión de la turbina pasa a través de un recipiente vacio de aire denominado

condensador. Su misión es licuar el vapor de agua que llega a él y devolverlo por medio de bombas de

circulación de condensado a la caldera. El condensador constituye el foco frío del ciclo

termodinámico. Las ventajas son:

Disminuir la temperatura final del vapor con lo que aumenta el rendimiento.

Disminuir la presión de escape del vapor con lo que aumenta la energía utilizable (aumenta el

salto entálpico en la turbina). Recuperar el vapor condensado para utilizarlo como agua de alimentación de la caldera.

Condensador de superficie

Es el tipo más utilizado en las grandes centrales térmicas.

En ellos el vapor se condensa en la parte externa de unos tubos por los que fluye el agua de

circulación que actúa como agente refrigerante del condensador. Es decir que en ellos no se

produce mezcla, ni contacto directo, entre el agua de refrigeración y el vapor a condensar, por lo

que el condensado es de gran pureza.

La presión absoluta del condensador suele ser del orden de los 33 mbar. Este vacío se produce

por medio de eyectores de aire que son bombas de chorro (efecto Venturi) que aspiran el aire y

los gases no condensables y los evacuan a la atmósfera. Los eyectores (bombas de chorro)

actúan utilizando como elemento impulsor vapor a presión conveniente extraído del proceso.

Para obtener un funcionamiento adecuado de un condensador de superficie ha de extraerse el

condensado en forma continua. Para tal fin se utilizan bombas centrífugas (bombas de

condensado). 61

3. Circuito agua de circulación


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Este eyector consta de dos escalones, con sus respectivos condensadores (el intermedio y el

posterior), para recoger y recircular hacia el circuito principal el vapor de agua condensable.

Los gases no condensables que entran por la boca del primer eyector son comprimidos y

arrastrados al condensador intermedio. Allí se enfrían y son lanzados a través del segundo

eyector siendo nuevamente comprimidos y enviados al condensador posterior, en el que la

presión es superior a la atmosférica por lo que ya pueden ser expulsados fácilmente a la

atmósfera.

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Instalaciones refrigeradoras del agua de circulación del condensador El agua de circulación debe evacuar el calor que se desprende en la condensación del vapor de

escape en el condensador. Asimismo, se puede dar el caso de que el agua de circulación se utilice

para satisfacer las necesidades de refrigeración de otros equipos auxiliares de la central.

Circuito abierto: se toma agua fría de un río, lago o mar y por medio de bombas de circulación se envía

al condensador. El agua que sale del condensador se descarga, en el caso de río, en un punto situadoaguas debajo de la toma, y en el caso de un lago o del mar, en un punto suficientemente alejado como

para considerar que esta agua no es recirculada.

Cuando el río o lago no tiene capacidad suficiente para evacuar el calor que se desprende de la

central térmica sin que se produzca aumentos excesivos de la temperatura del condensador o del

agua del río o lago, se recurre a circuitos cerrados y mixtos. En este caso, que se presenta

frecuentemente, en las centrales de lignito por ejemplo, que por razones de economía deben instalarse

a boca de mina, donde no siempre existen cursos de agua de capacidad suficiente, el calor extraído

del condensador debe ser cedido a la atmósfera por medio de una torre de refrigeración. 63

Para que el circuito de agua de circulación cumpla dicho

cometido se puede adoptar las siguientes disposiciones básicas:

circuito abierto, circuito cerrado y circuito mixto.


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Layout


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Es la ubicación física relativa de los diferentes componentes entre si de una central.

Se distingue el suministro de carbón por barco fluvial, la cancha de carbón, la cinta

transportadora hacia las carboneras, el edifico de la caldera con un filtro encima del edificio, acontinuación la sala eléctrica y siguiéndole la sala de máquinas con la turbina y el generador.

Debajo de la turbina se ubica el condensador.

Fuera del edificio están los transformadores de potencia y finalmente algo alejado se ve una torre

de refrigeración de agua.

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y


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Layout y comparación de tamaño de plantas con distintos tipos de combustibles.


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Bibliografía


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1. M. Aguilar , “Criterios de diseño de plantas termoeléctricas”, Ed. Limusa,México, 1981.

2. C. Mataix, “Termodinámica técnica y máquinas térmicas”, Ed. ICAI, Madrid,

1978.3. A. Orille, “Centrales Eléctricas I ”, Ediciones UPC, España, 1993.

4. V. Rizhkin, “Centrales termoeléctricas: primera y segunda parte”, Ed. Mir,Moscú, 1979.

5. G. Stoltz, “Centrales Térmicas”, UTFSM, Chile, 2007.

6. V. Wylen, R. Sonntag, C. Borgnakke, “Fundamentos de Termodinámica”, Ed.Limusa-Wiley, México, 2000.

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Bibliografía


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MUCHAS GRACIAS!!!

Dr. Víctor Hugo Hinojosa

[email protected]

CENTRALES ELÉCTRICAS TÉRMICAS

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