CENTRALES TERMOELECTRICAS.pdf

8/18/2019 CENTRALES TERMOELECTRICAS.pdf

1/37

CENTRALES TERMOELECTRICAS

Una central termoeléctrica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de calor. Este calor puede obtenerse tanto de combustibles fósiles (petróleo, gas natural o

carbón) como de la fisión nuclear del uranio u otro combustible nuclear. Dependiendo de cómo se

obtenga el calor estas centrales se clasifican de la siguiente forma:

1 . Centrales térmicas a vapor

2. Centrales térmicas a gas. En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta

utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de esta combustión es que

gases a altas temperaturas movilizan a la turbina, y su energía cinética es transformada en

electricidad.

3. Centrales de ciclo combinado . Utilizan dos turbinas, una a gas y otra a vapor. El gas

calentado moviliza a una turbina y luego calienta agua, la que se transforma en vapor y moviliza

otra turbina.

Centrales térmicas a vapor

En estas centrales, se utiliza agua en un ciclo cerrado. El agua se calienta en grandes calderas para producir vapor, usando como combustible el carbón, gas, biomasa, Energía solar, fisiónnuclear, etc.

La turbina se mueve debido a la presión del vapor de agua, y su energía cinética es transformadaen electricidad por un generador. Estas centrales son consideradas las centrales más económicasy rentables, por lo que su utilización está muy extendida.

Independientemente de cuál sea el combustible fósil que utilicen (fuel-oil, carbón o gas), elesquema de funcionamiento de todas las centrales termoeléctricas es prácticamente el mismo.Las únicas diferencias consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antesde ser inyectado en la caldera y en el diseño de los quemadores de la misma, que varían segúnsea el tipo de combustible empleado.

En una instalación clásica de vapor existen tres flujos fundamentales: el de vapor de agua, el delos gases de combustión y el de agua de refrigeración y cuatro dispositivos básicos: la caldera, laturbina, las bombas de agua de alimentación y los condensadores.

http://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fisi%C3%B3n_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fisi%C3%B3n_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fisi%C3%B3n_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Uraniohttp://es.wikipedia.org/wiki/Uraniohttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Uraniohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fisi%C3%B3n_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leo


2/37

Circuito de vapor de agua:

Procedente del condensador llega el agua, en fase líquida, a la caldera, sobre presionada con unao más bombas y calentada en principio en el economizador por los humos en dirección a lachimenea. En la caldera el agua se vaporiza y el vapor saturado (más bien ligeramente húmedo

pues al desprenderse del líquido arrastra consigo pequeñas cantidades del mismo finamente pulverizadas), se recoge en el tambor superior, o calderín. Pasa luego al sobrecalentador donde, prácticamente a presión constante, se calienta hasta la temperatura máxima prevista; y de allí a laturbina. En la realidad, tanto en el sobrecalentador como en la conducción que lo une a laturbina, el flujo sufre una caída de presión por rozamiento.

Al trabajarse en la actualidad con presiones muy elevadas, están permitidas en las zonas de altas presiones velocidades elevadas, del orden de 50 a 60 m/s que aunque originan mayores caídasde presión por rozamiento además en cierto modo queda contrarrestada por las menores pérdidasde calor a través de las paredes de la tubería, al resultar éstas de menor diámetro. Todo ha decalcularse para que el vapor llegue a la turbina en las condiciones de presión y temperatura

previstas.

En la turbina, el vapor cede energía mecánica, al provocar el giro del rodete y con él el del rotordel generador eléctrico (alternador). El vapor, abandona la turbina y pasa al condensador dondese condensa, cediendo calor al medio ambiente. En el condensador se elimina toda la energíaque recibió el vapor en la caldera y la que se generó a causa de las irreversibilidades internas delflujo. Esta cesión se hace al agua de refrigeración, que circula en gran cantidad por el interior delos tubos que atraviesa el condensador. El condensado se envía de nuevo a la caldera para repetirel ciclo.

Circuito de humos.

Los gases de combustión formados en el hogar de la caldera salen al exterior con la ayuda deltiro natural de la chimenea y la adicional de un soplante de tiro. En su recorrido, pasan primero por el sobrecalentador y por el recalentador de vapor, si lo hubiese, dispositivosintercambiadores de calor, que necesitan mayores temperaturas; a continuación, por el haz detubos que comunica el colector inferior con el superior o calderín-.propiamente el evaporador.-,seguidamente por el economizador (pre calentador de agua) y finalmente por el pre calentador deaire. La misión de este último calentador es aprovechar el calor residual de los humos, precalentando el aire de combustión que estamos mandando al hogar de la caldera con ayuda deuna soplante.

Circuito de agua de refrigeración.

Se ha de disponer de un gran almacenamiento de agua: el mar, un rio, o un embalse. El agua fríase toma mediante bombas de un lugar del embalse y se devuelve caliente en otro lugar losuficientemente alejado para que no caliente el agua que entre de nuevo al condensador. Cuandono se dispone de agua suficiente, hay que recurrir a las torres de refrigeración en donde el agua


3/37

de refrigeración cede el calor al aire ambiente a través de una evaporación parcial de la propiaagua.

- Ciclos termodinámicos de las centrales termoeléctricas con caldera o de vapor.

- Ciclo simple reversible.

El agua de la caldera se vaporiza a presión constante y es recogido en el calderín, de aquí pasa alsobrecalentador, donde prácticamente también a presión constante se calienta hasta latemperatura máxima prevista en la instalación. Se transporta luego por una tubería a la turbina, adonde llega en el mismo estado si se prescinde en principio de las pérdidas de calor y de la caídade presión a causa del rozamiento del flujo. En la turbina se expansiona teóricamente a entropíaconstante, si prescindimos también de los importantes rozamientos y choques que aquí tienenlugar; en realidad, como la turbina es adiabática, la entropía del vapor tiene que aumentar a su paso por ella. Sale de la turbina ligeramente húmedo

(0,8


4/37

.- Trabajo y rendimiento del ciclo.

1.- Trabajo técnico.

Aplicando a la turbina un balance de energías, para régimen permanente, es decir, caudal másico

constante, y flujo unidimensional, es decir, en cada sección perpendicular al flujo se mantienenconstantes e invariables con el tiempo las propiedades termodinámicas, obtenemos:

como la variación de la energía cinética es despreciable entre la entrada y salida de la turbina, yademás esta es prácticamente adiabática (Q = 0); el trabajo técnico que sale de la misma vendríadada por la expresión:

Si queremos conocer la potencia, simplemente multiplicamos por el caudal másico de vapor quecircula por el circuito:

De la misma manera que la bomba de alimentación:

a nivel potencia:

Estas ecuaciones son válidas si se consideren o no los rozamientos.

2.- Calor recibido por el vapor.

El agua recibe calor en la caldera desde que entra al economizador hasta que sale delsobrecalentador. Puesto que la variación de energía cinética sigue siendo despreciable, laecuación de la energía antes indicada nos lleva para el calentamiento (2-5) a la expresión:


5/37

A nivel potencia:

Esta cantidad de calor, es diferente a la aportada por el combustible en la caldera que la podemosmedir si conocemos el caudal másico de combustible, y el poder calorífico inferior:

Datos fácilmente obtenibles en una instalación.

3.- Calor del condensador.

Sabemos que todas las máquinas térmicas ceden un calor al exterior, por el segundo principio dela Termodinámica o principio de la degradación de la energía. En la central térmica exotérmicade vapor, esta cesión de calor al exterior se realiza en el condensador, en donde el fluido detrabajo (el agua o vapor de agua) cede calor a otro fluido en general agua o aire (es unintercambiador de calor). Por lo que si consideramos las energías cinéticas de entrada y salidaaproximadamente iguales, y sabiendo que el fluido no realiza ningún trabajo sobre el medio;aplicando el balance de energía para un régimen permanente, obtenemos:

Y a nivel potencia:

4.- Rendimiento térmico bruto del ciclo.

Se define como el cociente entre el trabajo suministrado por el vapor en la turbina y el calor querecibe en la caldera:


6/37

5.- Rendimiento térmico neto del ciclo.

Se define como el cociente entre el trabajo neto suministrado por el vapor y el calor que recibe lacaldera.

Características que mejoran el rendimiento del ciclo simple reversible.

Teniendo en cuenta que el rendimiento del ciclo de Carnot es el de máximo rendimiento que puede conseguir una máquina térmica ideal sin irreversibilidades, ni externas ni internas:

En donde TFF es la temperatura del foco frio, y TFC es la temperatura del foco caliente. Seentiende que el rendimiento del ciclo será tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura mediaTFC del vapor mientras recibe calor de la caldera, y cuanto menor sea su temperatura media TFFdurante la cesión de calor en el condensador. Las características que influyen en el rendimientodel ciclo de Rankine, comprobadas experimentalmente y en la práctica, son:

1.- Aumentar la temperatura máxima del ciclo.

Si se aumenta la temperatura máxima del ciclo (T5). Ocurre sin embargo que el rodete de laturbina está sometido a esfuerzos mecánicos importantes, que unidos a temperaturas elevadasson difíciles de soportar, aún con materiales y técnicas constructivas avanzadas. En la actualidadla temperatura máxima está limitada a unos 600ºC.

2.- Disminuir la temperatura mínima y como consecuencia la presión mínima del ciclo.

Cuanto menor sea la presión de condensación será más elevado el rendimiento térmico, ya quedisminuiría la temperatura media TFF .La presión de condensación más baja que puede seralcanzada idealmente será la presión de saturación correspondiente a la más baja temperatura delagua o aire de refrigeración del condensador; como para que se pueda hacer una transferencia decalor en el condensador desde el vapor al agua ó aire de refrigeración necesitamos un salto detemperaturas, la presión de condensación será más alta que la teórica; por lo que está depende de


7/37

la temperatura de agua de refrigeración y caudal, de la superficie de transmisión de calor y de sulimpieza.

Para las grandes y medias instalaciones los condensadores trabajan en depresión, con valoresabsolutos del orden de 0,05bar.Con esta presión, la temperatura de saturación es de 33 ºC.

Una diferencia de temperatura entre la del vapor y la del agua de refrigeración de unos 10ºC puede considerarse económicamente adecuado. El vacio en el condensador sería perjudicado porel aire y otros gases que puedan entrar y acumularse allí. Hay que extraerlos mediante eyectoreso bombas de vacío.

3.- Aumentar la presión máxima del ciclo.

Como se puede apreciar en el diagrama T-s, el área interna del ciclo corresponde al trabajo netoque nos produce la central térmica; si a igualdad de presión de condensación, aumentamos la presión en la caldera, indefectiblemente aumentará el área interna del ciclo y por lo tanto su

trabajo neto; por otra parte también aumentaría la temperatura media TFc, con lo que se cumpletambién la premisa expuesto en el punto anterior; estando también limitada la presión máxima por su correspondiente temperatura de entrada a la turbina; ya que al aumentar la presiónaumenta también la temperatura de saturación, pero estando limitada la temperatura desobrecalentamiento como habíamos dicho en el apartado anterior; por otra parte las condicionesde presión y temperatura a la entrada de la turbina se debe calcular para que a la salida de esta notengamos más de un 12% de agua en estado líquido Por lo tanto, la presión de vaporización debeser lo más elevada posible.

En general se utilizan presiones elevadas para plantas de gran potencia, ya que el costo deinstalación al utilizar este rango de presiones (>80 bar) es muy elevado, y en este tipo de

instalaciones una mayor inversión queda económicamente compensado con el mejor rendimiento

4.- Aumentar la temperatura del agua de alimentación de la caldera. (Ciclo regenerativo).

Se habla de ciclo de Rankine con regeneración, cuando el agua de alimentación en su caminohacia el evaporador se precalienta con vapor de la turbina (2-2"), y el economizador sólo seutiliza para la última fase de calentamiento (2"-3); en consecuencia, el vapor recibe calor en lacaldera a partir del estado 2".

Con lo que se eleva la temperatura media TFC de absorción de calor en la caldera al quedareliminado las temperaturas correspondientes al economizador tradicional.

Existen dos tipos de centrales termoeléctricas que utilizan esta filosofía:


8/37

SIN MEZCLA;

CON MEZCLA:


9/37


10/37

El ciclo de regeneración con mezcla y sin mezcla el precalentamiento del agua 2-2" se hace conel vapor procedente de varias extracciones de vapor en diferentes puntos de la turbina, que van aotros tantos calentadores o mezcladores por los que pasa el agua de alimentación. Cada

extracción se condensa y enfría en su calentador o en el mezclador correspondiente, y con elcalor desprendido se realiza el precalentamiento deseado.

Este procedimiento presenta además la gran ventaja de evitar que todo el vapor que entró a laturbina llegue al condensador (aproximadamente 1/3 parte del vapor de entrada), ya que la potencia de la turbina viene limitada por la cantidad de vapor que puede fluir por las últimasruedas de la misma, donde el volumen específico del vapor es muy elevado (aproximadamente25 m3/kg). El diámetro de la última rueda y la altura radial de las paletas están limitados porconsideraciones de orden mecánico, esto determina el área de la corona circular por donde pasael vapor. Por tanto, cuanto menor sea la cantidad de vapor que sale en relación al que entra,mayor podrá ser este último y mayor potencia tendrá la turbina.

A la salida de un calentador, las temperaturas de extracción (ya condensada) y del agua dealimentación teóricamente son iguales, en realidad, la de la última, que es la que está recibiendoel calor es de 2 ó 3 ºC inferior.

El condensado de una extracción se puede mandar al calentador anterior ó podemos inyectarlomediante una bomba en el circuito primario de agua de alimentación, en un punto inmediato posterior al calentador en cuestión, donde la temperatura es de sólo 2 ó 3ºC menor que la de lainyectada, y por tanto la exergía destruida es pequeña. La exergía es una magnitudtermodinámica que indica el máximo trabajo teórico que se puede alcanzar por la interacciónespontánea entre el sistema cerrado y entorno

La primera opción tiene un menor coste de instalación, pero implica una gran exergía destruida,debido a la expansión libre de la primera extracción sobre el segundo calentador, al haber unagran diferencia de presiones.

Para conseguir una máxima eficiencia en una planta de este tipo, los incrementos de entalpíadeberán, ser los mismos en todos los calentadores y el economizador (si la planta no poseerecalentamiento)


11/37

Formulation matemática:

Sin mezcla:

En las válvulas, se pueden considerar adiabáticas, y como además no se produce trabajo, el proceso que ocurre es isoentálpico (a entalpía constante).

Calentadores:

Condensador:

Al haber una mezcla posterior se cumple, para este supuesto:


12/37

Con mezcla:

Calentadores:

Condensador:


13/37

Diagrama de flujos de la central termoeléctrica indicando las medidas disponibles

Aunque el incremento del consumo de combustible de una central termoeléctrica con relación auna referencia puede cuantificarse a partir de las medidas, esto no basta para inferir las causasque lo han originado. Un buen diagnóstico de la operación debe ser precedido por un desarrolloconceptual que explique el origen de dicho incremento. Las primeras causas, a excepción de loque puedan suponer los efectos de las condiciones ambientales o la programación defectuosa delos sistemas de control, son el mal funcionamiento de los equipos de proceso. Por ello pararealizar el diagnóstico de la central es necesario definir unos parámetros de eficiencia de losequipos, que pudiendo ser calculados a partir de las medidas, caractericen su malfunción.


14/37

Componentes principales de una Central térmica

1. Caldera:

2. Parque de almacenamiento de combustible descarga y alimentación

3. Turbina de vapor

4. Alternador

5. Transformador


15/37

6. Red de transporte

7. Condensador

8. Bomba Circulación agua de refrigeración

9. Equipo de reducción de emisiones

10. Chimenea Envío de gases (CO2) a atmósfera

11. Torre de refrigeración Enfría el agua del circuito de refrigeración (puede ser de caudalabierto)

Otros componentes

Departamento eléctrico

Cuadros de maniobra y medidas Subestación transformadora elevadora Edificio de servicios auxiliares Parque de transformadores de servicios auxiliares Aparamenta de media y baja tensión. Sistema de tratamiento de agua Sistema de tratamiento de aceite Sistema de protección contra incendios.

Sistemas de almacenamiento y de tratamiento de combustible

Si se trata de una central termoeléctrica de carbón (hulla, antracita, lignito,...) este es previamente triturado en molinos pulverizadores hasta quedar convertido en un polvo muy fino para facilitar su combustión. De los molinos es enviado a la caldera de la central mediante chorrode aire precalentado.Si es una central termoeléctrica de fuel-oil, éste es precalentado para que fluidifique, siendoinyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de combustible.Si es una central termoeléctrica de gas los quemadores están asimismo concebidos especialmente para quemar dicho combustible.Existen centrales termoeléctricas clásicas cuyo diseño les permite quemar indistintamentecombustibles fósiles diferentes (carbón o gas, carbón o fuel-oil, etc.). Reciben el nombre decentrales termoeléctricas mixtas.


16/37

Turbina de vapor

Las turbinas pueden considerarse como la parte mas importante de la central ya que son lasencargadas de mover el generador para producir la electricidad.

Una turbina de vapor es una turbomáquina , que transforma la energía de un flujo de vapor enenergía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo(entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con álabes los cualestienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético.

Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vaporen una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En laturbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, esaprovechada por un generador para producir electricidad.

En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado porruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator tambiénestá formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.

Las turbinas están diseñadas para soportar una temperatura de unos 600º C y una presión deunos 350 bares.

Hay que advertir, por otro lado, que el vapor, antes de entrar en la turbina, ha de sercuidadosamente deshumidificado. En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua ensuspensión que transportaría serían lanzadas a gran velocidad contra los álabes, actuando como sifueran proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles.

Clasificación

Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 hp (0.75Kw) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hastaturbinas de 2,000,000 hp (1,500,000 Kw) utilizadas para generar electricidad. Hay diversasclasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por ser turbo máquinas son susceptibles alos mismos criterios de clasificación de éstas. Por otro lado, es común clasificarlas de acuerdo asu grado de reacción:

• Turbinas de Acción: La diferencia fundamental es que en las turbinas de acción no hay

cambio de presión en la rueda móvil, obteniéndose el intercambio de energía por elcambio de velocidad absoluta del fluido. El cambio o salto entálpico o expansión esrealizada en los álabes directores o las toberas de inyección si se trata de la primera etapade un conjunto de turbinas, estos elementos están sujetos al estator. En el paso del vapor por el rotor la presión se mantendrá constante y habrá una reducción de la velocidad.

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_de_movimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labehttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Estados_de_la_materiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(artefacto)http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Generadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(artefacto)http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Estados_de_la_materiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labehttp://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_de_movimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quina


17/37

• Turbinas de Reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete .La expansión, es decir, el salto entálpicodel vapor puede realizarse tanto en el rotor como en el estator, cuando este salto ocurreúnicamente en el rotor la turbina se conoce como de reacción pura.

Se las puede clasificar según el salto térmico o presión del vapor a la salida de la turbina en:

• Turbinas de condensación: Cuando el vapor de descarga se encuentra a una presiónligeramente superior a la atmosférica .Son las de mayor tamaño, utilizadas encentrales térmicas para general electricidad. La presión de descarga puede ser inferiora la atmosférica debido a la condensación del vapor de salida.

• Turbinas de descarga atmosférica: son generalmente de baja potencia,antieconómicas si utilizan agua tratada. No utilizan condensador de salida.

• Turbinas de contrapresión: Cuando el vapor de descarga se encuentra a una presión

superior a la atmosférica .Se utilizan como expansoras para reducir la presión delvapor generando al mismo tiempo energía. Descargan el vapor a una presión aúnelevada, para ser utilizado en procesos industriales.

Por la dirección del flujo de vapor en el interior de la turbina

Una clasificación de las turbinas de vapor puede desarrollarse haciendo referencia amovimiento de la corriente de vapor dentro de cuerpo de la turbina. Según este criterioexisten dos tipos de turbinas:

• Radiales. La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la

turbina.• Axiales. La circulación de vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina.

Elementos de una turbina de vapor

Los elementos principales de una turbina de vapor son:

• Rotor. Es el elemento móvil del sistema. La energía desprendida por el vapor en la turbina seconvierte en energía mecánica en este elemento. Dado que la turbina está dividida en un ciertonúmero de escalonamientos, el rotor está compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por

cada escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de laturbina moviéndose con él.

Estator. El estator está constituido por la propia carcasa de la turbina. Al igual que el rotor, elestator está formado por una serie de coronas de alabes, correspondiendo cada una a una etapa oescalonamiento de la turbina.


18/37

Toberas. El vapor es alimentado a la turbina a través de estos elementos. Su labor es conseguir

una correcta distribución del vapor entrante/saliente al/desde el interior de la turbina.


19/37

Ciclo de Rankine

El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico en el que se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo. Como otros ciclos termodinámicos, la máxima eficiencia termodinámicaes dada por el cálculo de máxima eficiencia del Ciclo de Carnot. Debe su nombre a sudesarrollador, el físico y filósofo escocés William John Macquorn Rankine.

El ciclo Rankine es un ciclo de planta de fuerza que opera con vapor. Este es producido en unacaldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde produce energía cinética, donde

perderá presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder ingresarlo a la caldera.

Existen algunas mejoras al ciclo, como por ejemplo agregar sobrecalentadores a la salida de lacaldera que permitan obtener vapor sobrecalentado para que entre a la turbina y aumentar así elrendimiento del ciclo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnothttp://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fil%C3%B3sofohttp://es.wikipedia.org/wiki/Escoc%C3%A9shttp://es.wikipedia.org/wiki/William_John_Macquorn_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Calderahttp://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Condensadorhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sobrecalentadores&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Calderahttp://es.wikipedia.org/wiki/Rendimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Rendimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Calderahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sobrecalentadores&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Condensadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Calderahttp://es.wikipedia.org/wiki/William_John_Macquorn_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Escoc%C3%A9shttp://es.wikipedia.org/wiki/Fil%C3%B3sofohttp://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnothttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1mico


20/37

Diagrama T-s del ciclo

]

El diagrama T -S de un ciclo de Rankine, mostrando el proceso no-ideal .

Existen cuatro procesos distintos en el desarrollo del ciclo, los cuales van cambiando el estadodel fluido. Estos estados quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s. Los procesos que tenemos son los siguientes (suponiendo ciclo ideal con procesos internamentereversibles):

• Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presiónde la caldera hasta la presión del condensador.

• Proceso 2-3: Transmisión de calor desde el fluido de trabajo al refrigerante a presiónconstante en el condensador hasta el estado de líquido saturado.

• Proceso 3-4: Compresión isoentrópica en la bomba. En él se aumenta la presión delfluido mediante un compresor o bomba, al que se le aporta un determinado trabajo.

• Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en lacaldera.

En la realidad, los procesos no son internamente reversibles, pues tenemos distintasirreversibilidades y pérdidas, lo que se refleja en que los procesos 1-2 y 3-4 no son isoentrópicos.

Variables

Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo)

Flujo de masa (masa por unidad de tiempo)

potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo)

eficiencia termodinámica del proceso (potencia absorbida por la turbina de entradade calor, adimensional)

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_isentr%C3%B3picohttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Condensadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Calderahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Flujo_de_masa&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:CR-Prozess_T-s-Diagramm.jpghttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Flujo_de_masa&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Calderahttp://es.wikipedia.org/wiki/Condensadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_isentr%C3%B3picohttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura


21/37

, , ,Estas son las "Entalpías específicas" a los puntos indicados en el diagrama T-S

Ecuaciones

Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtienen del balance de energía y del balance demasa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la eficiencia termodinámica orendimiento térmico del ciclo y se define como la relación entre la potencia de salida conrespecto a la potencia térmica de entrada.

Aumentar la eficiencia del Ciclo Rankine

La idea para mejorar un ciclo Rankine es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor seañade en la caldera o disminuir la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza en el

condensador. Estas ideas se pueden reflejar en: 1-Reduccion de la presión del condensador: Eneste procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando unmayo trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedaddel vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los alabes de la turbina. 2-Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura ala cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. Ladesventaja es la humedad excesiva que aparece. 3-Sobrecalentar la temperatura de entrada de laturbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayo trabajo de laturbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura estálimitado por las materiales a soportar altas temperaturas.

Ciclo Rankine con recalentamiento

En esta variación lo conseguimos es un aumento del rendimiento total. Esto es debido a que podemos tener una presión de caldera más alta sin que suponga una reducción del título de vapora la salida de la turbina. En ella el vapor no se expande directamente hasta la presión delcondensador, sino que lo hace en dos etapas. En la primera el vapor se expande hasta una presiónintermedia entre la de la caldera y la del condensador. Posteriormente, se vuelve a introducir en

http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Balance_de_masa&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Balance_de_masa&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Eficiencia_termod%C3%ADnamica&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmicohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Eficiencia_termod%C3%ADnamica&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Balance_de_masa&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Balance_de_masa&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Balance_de_masa&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa


22/37

la caldera, se recalienta. Después del recalentamiento se vuelve a expandir en la segunda etapade la turbina hasta la presión del condensador. A la primera etapa de la turbina se le denominaturbina de alta presión y a la segunda etapa turbina de baja presión. En esta variación del ciclo deRankine, encontramos ventajas respecto al ciclo simple como un aumento del título de vapor enla turbina y aumentar la potencia de esta. Pero por otro lado también encontraremos

inconvenientes como una instalación más compleja y un aumento minucioso del rendimiento.

Ciclo Rankine regenerativo

En esta variación se introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto. Este elementoconsiste en un intercambiador de calor por contacto directo en el cual se mezclan dos corrientesde agua para dar una corriente de temperatura intermedia. De las dos corrientes que entran alcalentador una proviene de una extracción de vapor de la turbina y la otra del condensador (sufrela expansión total). Como las presiones en el calentador han de ser iguales, se añade una bombadespués del condensador para igualar la presión de la parte del vapor que ha sufrido la expansióncompleta a la de la extracción. En esta variación del ciclo de Rankine, encontramos ventajas

respecto al ciclo simple como un aumento del rendimiento y una reducción del aporte de calor ala caldera. Pero por otro lado también encontraremos inconvenientes como una reducción de la potencia de la turbina y un aumento de la complejidad de la instalación, ya que añadiremos a lainstalación una bomba más y un mezclador de flujos.

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbina_de_alta_presi%C3%B3n&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbina_de_baja_presi%C3%B3n&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Bombahttp://es.wikipedia.org/wiki/Bombahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbina_de_baja_presi%C3%B3n&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbina_de_alta_presi%C3%B3n&action=edit&redlink=1


23/37


24/37


25/37

Centrales térmicas a gas.

En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles

(gas, petróleo o diesel). El resultado de esta combustión es que gases a altas temperaturas

movilizan a la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad.

Turbina de gas

Esquema de un ciclo Brayton. C representa al compresor, B al quemador y T a la turbina.

Una Turbina de Gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como lacompresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbomáquina

térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunquefuncionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y,cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambiocuando se habla de vapores sí.

Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunosciclos de refrigeración .

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_de_potencia&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Braytonhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_refrigeraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Gasturbine_principle.PNGhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_refrigeraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Braytonhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_de_potencia&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quina


26/37

Montaje de una turbina de gas.

Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero estoes un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otrascosas, contienen una turbina de gas.

Análisis Termodinámico

Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero le entrega energía ala segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye su temperatura. Podemoshacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo un balance de energía:

Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, pero a diferenciade otras nomenclaturas el trabajo L es considerado positivo si sale del volumen de control, elcual en este caso contiene al fluido en su paso a través de la turbina; c es la velocidad, u es laenergía interna, p es la presión, z es la altura, q es el calor transferido por unidad de masa y v es

el volumen específico. Los subíndices s se refieren a la salida y e se refieren a la entrada. Parasimplificar nuestro trabajo haremos las siguientes consideraciones:

• Consideraremos este proceso como adiabático.

• El cambio de energía potencial es despreciable debido a la baja densidad de los gases.

q = 0

http://es.wikipedia.org/wiki/Turborreactorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Primera_ley_de_la_termodin%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Propiedades_espec%C3%ADficas&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Gasturbine_Montage01.jpghttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Propiedades_espec%C3%ADficas&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Primera_ley_de_la_termodin%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turborreactor


27/37

gze − gzs

• Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión paraobtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de laturbina del fluido de trabajo:

= 0

• El termino h es la entalpía la cual se define como h = u + pv.

Ciclo Brayton

Se denomina ciclo Brayton a un ciclo termodinámico de compresión, calentamiento y expansiónde un fluido compresible, generalmente aire, que se emplea para producir trabajo neto y su posterior aprovechamiento como energía mecánica o eléctrica. En la mayoría de los casos elciclo Brayton opera con fluido atmosférico o aire, en ciclo abierto, lo que significa que toma elfluido directamente de la atmósfera para someterlo primero a un ciclo de compresión, después aun ciclo de calentamiento y, por último, a una expansión.

Diagrama del ciclo Brayton en una turbina de gas , en función de la entropía S y la temperatura T.

Este ciclo produce en la turbina de expansión más trabajo del que consume en el compresor y seencuentra presente en las turbinas de gas utilizadas en la mayor parte de los aviones comercialesy en las centrales termoeléctricas, entre otras aplicaciones.

http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Airehttp://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Airehttp://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sferahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Avi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Brayton.PNGhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Avi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sferahttp://es.wikipedia.org/wiki/Airehttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Airehttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa


28/37

Al emplear como fluido termodinámico el aire, el ciclo Brayton puede operar a temperaturaselevadas, por lo que es idóneo para aprovechar fuentes térmicas de alta temperatura y obtener unalto rendimiento termodinámico.

Sobre el ciclo básico existen variantes que lo complican para mejorar alguna de sus prestaciones,

como la potencia o el rendimiento. Ejemplos de estas variantes son el ciclo Brayton conregenerador, el ciclo Brayton de múltiples etapas (de compresión u expansión), o la combinaciónde un ciclo Brayton con un ciclo Rankine para dar lugar al denominado ciclo combinado.

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.

sin embargo notamos que,

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Rendimiento_termodin%C3%A1mico&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Potenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Rendimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_combinadohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_combinadohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Rendimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Potenciahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Rendimiento_termodin%C3%A1mico&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura


29/37

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una función de la relaciónisentrópica de presión. El rendimiento aumenta con la relación de presión, y esto es evidente enel diagrama T-s ya que al ir aumentando la relación de presión, se cambiará el ciclo de 1-2-3-4-1 a 1-2´-3´-4-1. El último ciclo tiene mayor suministro de calor y la misma cantidad de calorcedido, que el ciclo original, y por tanto, tiene mayor rendimiento; advierta, sin embargo, que

el último ciclo tiene una temperatura máxima (T3´) más alta que la del ciclo (T3). En la turbinade gas real, la temperatura máxima del gas que entra a la turbina es determinada porconsideraciones metalúrgicas. Por lo tanto si fijamos la temperatura T3 y aumentamos larelación de presión, el ciclo resultante es 1-2´-3"-4"-1. Este ciclo tendrá un rendimiento másalto que el del ciclo original, pero, de esta manera, cambia el trabajo por kilogramo desubstancia de trabajo.

CICLO DE UNA TURBINA DE GAS SIMPLEMENTE CON REGENERADOR

El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede mejorarse con la adición de unregenerador. Se puede observar el ciclo en la gráfica siguiente

Gas-turbine with regeneration

Observe como el intercambiador de calor utiliza la energía en forma de calor de los gases deescape para calentar el aire de entrada a la cámara de combustión.

Note que el ciclo 1-2x3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado4, es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto puedetransmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresor; siesto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido como regenerador, latemperatura de los gases que salen del regenerador T x´ pueden tener en el caso ideal, unatemperatura igual a T4, es decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En estecaso la transmisión de calor de la fuente externa sólo es necesaria para elevar la temperatura


30/37

desde Tx hasta T3 y esta transmisión de calor está representada por el área x-3-d-b-x; el área y-1-a-c-y y representa el calor cedido.

La influencia de la relación de presión en el ciclo simple de una turbina de gas con regenerador,se ve al considerar el ciclo 1-2´-3´-4-1; en este ciclo, la temperatura de los gases de salida de laturbina es exactamente igual a la temperatura de los gases que salen del compresor; por lo

tanto, aquí no hay posibilidad de utilizar un regenerador. Esto puede verse mejor al determinarel rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador.

El rendimiento de este ciclo con regeneración se encuentra como sigue, donde los estados son:

η térmico = W neto/qH = (Wt - Wc)/q

q

H

H = Cp.(T3 - Tx

W

)

t = Cp.(T3 - T4

)

Pero para el regenerador ideal, T4 = Tx y por lo tanto qH = wt; de donde,

Vemos, así, que para el ciclo ideal con regeneración el rendimiento térmico depende no sólo dela relación de presión, sino también de la relación de la mínima a la máxima temperaturas.También notamos que, en contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al

aumentar la relación de presión. El rendimiento térmico contra la relación de presión, para esteciclo.

Ciclos de turbinas de gas:

Sistemas de cogeneración con turbinas de gas a ciclo abierto:

La mayoría de los sistemas de turbina de gas disponibles para cualquier aplicación son operados

con el ciclo Brayton.

Un compresor toma el aire de la atmósfera y lo entrega a mayor presión a la cámara decombustión. La temperatura del aire es incrementada debido a la compresión. Las unidades más

viejas y pequeñas operan a una relación de presiones de 15:1, mientras que las grandes unidades

operan en rangos de relaciones de presiones de 30:1.

El aire comprimido es enviado a través de un difusor a una cámara a presión constante, donde se

inyecta combustible, el cual se quema. El difusor reduce la velocidad del aire a valores

aceptables en la cámara. Existe una caída de presión a través de la cámara en un rango del 1 al


31/37

2%. La combustión se realiza con elevado exceso de aire. La temperatura de salida de los gases

de la cámara es elevada y las concentraciones de oxígeno llegan hasta 15 a 16%. La más alta

temperatura del ciclo se encuentra en este punto. Cuanta más alta sea la temperatura del ciclo,

mayor es su eficiencia. El límite superior de temperatura depende de lo que puedan soportar

materiales de la turbina de gas, así como por la eficiencia en la refrigeración de los álabes. Con la

actual tecnología, la temperatura máxima se encuentra alrededor de los 1300 °C.

Los gases a alta presión y temperatura ingresan a la turbina de gas produciendo trabajo mecánico

para el accionamiento del compresor y para la carga. Los gases de escape dejan la turbina a una

temperatura considerable (450 a 600 °C), que hace ideal la recuperación de calor a alta

temperatura.

Esto se realiza con una caldera de recuperación de una o dos presiones, para mayor eficiencia en

la recuperación de calor. El uso de tres presiones es también posible pero poco usual, debido a

que hace al sistema más complejo y caro, lo que no siempre se justifica.

El vapor producido puede tener alta calidad, es decir, presión y temperatura, lo que lo hace

apropiado no sólo para proceso térmicos, sino también para accionar turbinas de vapor,

produciendo así una energía adicional. En este caso, se denomina ciclo combinado.

Gases a

chimene

Agua de

alimentació

Vapor

Energía

eléctrica

Combustible

Turbina

Com resor

Aire

Caldera de

recu eración

Cámara de

Genera


32/37

En lugar de producir vapor, los gases de escape pueden usarse directamente en ciertos procesos

térmicos, tales como calentamientos de alta temperatura y secado.


33/37

En cualquiera de las aplicaciones mencionadas, es posible incrementar el contenido energético y

temperatura de los gases de escape mediante el quemado suplementario. Para este propósito, se

instalan quemadores en la caldera de recuperación o en el conducto, usando combustible

adicional. Usualmente no hay necesidad de aire adicional, puesto que el contenido de oxígeno de

los gases es elevado.

Los sistemas de cogeneración de turbinas de gas con ciclo abierto tienen un rango de potencia

usual entre 100 Kw y 100 Mw, pudiendo ser mayores estos valores de potencia.

Se usa una cierta variedad de combustibles:

Gas natural, destilados livianos de petróleo (gas oil, diesel oil), productos de la gasificación del

carbón.

El uso de destilados pesados de petróleo (fuel oil) en mezclas con otros livianos se encuentra en

etapa de investigación y puede ser exitoso en el futuro.

También se usan en turbinas de gas fuel gases no comerciales producidos en refinerías de

petróleo durante el crácking catalítico de hidrocarburos. Sin embargo, se debe prestar atención a

que los álabes de la turbina están expuestos directamente a los gases de combustión. En

consecuencia, los productos de combustión deben carecer de constituyentes que provoquen

corrosión (tales como el sodio, potasio, calcio, vanadio, azufre), o erosión (partículas sólidas

mayores que un cierto tamaño).

Para prevenir estos efectos, puede ser necesario el tratamiento de los gases de salida antes de que

entren a la turbina.

El tiempo de instalación de sistemas de cogeneración con turbinas de gas de hasta 7 Mw, está

entre los 9 a 14 meses y puede llegar a dos años en sistemas mayores. La confiabilidad y

disponibilidad anual de sistemas de turbina de gas que queman gas natural son comparables a los

sistemas de turbinas de vapor. Los sistemas que queman combustibles líquidos o subproductos

gaseosos de procesos químicos, pueden requerir inspecciones y mantenimiento más frecuentes,

lo que resulta en menor disponibilidad. El ciclo de vida útil es de 15 a 20 años y puede ser

afectado por una baja calidad del combustible o mantenimiento pobre

Ventajas de una central de gas

• Mecánicamente más sencilla que la de vapor

• Menor contaminación.

• Apenas consume agua de refrigeración.

• Tiempo de arranque ≤ 50 segundos.

• Puesta en marcha en 15-20 segundos tras arranque.


34/37

Centrales termoeléctricas de ciclo combinado

En la generación de energía se denomina ciclo combinado a la co-existencia de dos ciclostermodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyofluido de trabajo es un gas producto de una combustión.

En una central eléctrica el ciclo de gas genera energía eléctrica mediante una turbina de gas y elciclo de vapor de agua lo hace mediante una o varias turbinas de vapor. El principio sobre el cualse basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor ala caldera o generador de vapor de recuperación, la que alimenta a su vez de vapor a la turbina devapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienenrendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores que losde una de turbina de gas.

Esquema de funcionamiento de una central de ciclo combinado con turbina de gas (CCTG

Consiguiendo aumentar la temperatura de entrada de los gases en la turbina de gas, se obtienenrendimientos de la turbina de gas cercanos al 60%, exactamente 57,3% en las más modernasturbinas. Este rendimiento implica una temperatura de unos 1.350ºC a la salida de los gases de lacámara de combustión. El límite actualmente es la resistencia a soportar esas temperaturas por parte de los materiales cerámicos empleados en el recubrimiento interno de las cámaras decombustión de esas turbinas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinas_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(artefacto)http://es.wikipedia.org/wiki/Vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Eficienciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Eficienciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(artefacto)http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinas_de_vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa


35/37

Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo simple y permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuyarecuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina decontrapresión.

Centrales de ciclo abierto

En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. Laselección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gasy vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Porello se requiere la existencia de experiencias previas e "imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidadque posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño.


36/37

Normalmente en estas centrales, solo funciona la turbina de gas, a este modo de operación se lellama ciclo abierto. Si bien la mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar decombustible (entre gas y diesel) incluso en funcionamiento. Al funcionar con petróleo diesel venafectada su potencia de salida (baja un 10% aprox.) y los intervalos entre mantenimientosmayores, y fallas, se reducen fuertemente.

Como la diferencia de temperaturas que se produce entre la combustión y los gases de escape esmás alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muysuperiores, del orden del 55%.


37/37

Cogeneración

Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción en los que se obtiene simultáneamenteenergía eléctrica y energía térmica útil partiendo de un único combustible.

Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el aprovechamiento de la energía primaria del combustible es del 25% al 35%, lo demás se pierde. Al cogenerar se puede llegar aaprovechar el 70% al 85% de la energía que entrega el combustible. La mejora de la eficienciatérmica de la cogeneración se basa en el aprovechamiento del calor residual de los sistemas derefrigeración de los motores de combustión interna para la generación de electricidad.

El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales decogeneración de electricidad y calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. Noobstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa oresiduos que se incineran.

Además, esta tecnología reduce el impacto ambiental debido al ahorro de energía primaria queimplica. Si se tiene en cuenta que para producir una unidad eléctrica por medios convencionalesse necesitan 3 unidades térmicas, mientras que en cogeneración se necesitan 1,5 unidades, lacantidad total de agentes contaminantes emitidos se verá disminuida en un 50%.

Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos edificios singulares enlos que el calor puede emplearse para calefacción u obtención de agua caliente sanitaria como por ejemplo ciudades universitarias, hospitales, etc.

Con estos sistemas se mejora la eficiencia energética, consiguiendo con el mismo combustiblemás energía, con lo que se consigue un ahorro de éste y también una disminución de lasemisiones de CO2.
http://es.wikipedia.org/wiki/Cogeneraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustiblehttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Biomasahttp://es.wikipedia.org/wiki/Hospitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Eficiencia_energ%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Eficiencia_energ%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Hospitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Biomasahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustiblehttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cogeneraci%C3%B3n

CENTRALES TERMOELECTRICAS.pdf

Documents

Transcript of CENTRALES TERMOELECTRICAS.pdf