Tema IV. PLANTAS TÉRMICAS - … IV. PLANTAS TÉRMICAS UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Tema IV. PLANTAS TÉRMICAS

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CÁTEDRA: CONVERSION DE ENERGIA

ING. CARACCIOLO GÓMEZ

PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR

Definición: Son instalaciones térmicas donde se transforma la energía en forma

de calor en trabajo.

Características: La principal característica de estas instalaciones, es la

producción de energía eléctrica, a partir de la combustión de carbón, fuel-oil, gas natural entre otros; en una caldera

diseñada al efecto. Para producir vapor a partir del agua que

circula por una red de tubos en la caldera, Este vapor hace girar los alabes cuyo eje rotor gira unido a un generador para

producir energía eléctrica. El vapor se enfría en un

condensador, convirtiéndose otra vez en agua que vuelve a la

caldera, para comenzar un nuevo ciclo.



Esquema de las Plantas de Fuerza: Las plantas de fuerza se constituyen de una serie de sistemas esenciales

tanto para los procesos, como para los equipos que lo conforman.

1) Sistema de abastecimiento de Agua:

Para las plantas de vapor, el principal fluido de trabajo es agua, bien

sea para la generación de vapor o para los procesos de enfriamiento.

Las principales fuentes de abastecimiento de agua son: Océanos, ríos,

estanques, reservorios, aguas tratadas entre otros, La selección del

tipo de abastecimiento dependerá de las características geográficas y

ambientales, en las cuales trabaja la planta.


Fuente de abastecimiento

SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA

Descripción: El agua como se encuentra en la naturaleza no es apta para su

empleo como agua de alimentación para las calderas y

sistemas de enfriamiento. Pero se puede usar después de un

tratamiento adecuado, es decir evitar los depósitos de lodos e incrustaciones en la superficie interior de la caldera.

La forma de expresar la concentración de impurezas es en términos

de partes en peso del constituyente por millón de partes del

agua (ppm)


El tratamiento más apropiado y económicamente justificable

depende de las características del suministro de agua.

Entre los tipos de tratamientos tenemos: Eliminación de sólidos suspendidos. Tratamiento químico para eliminación de dureza.

Eliminación de dureza por intercambio cationico.

Desmineralización por eliminación completa de los sólidos disueltos.

Evaporación.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS PARA EL

ABASTECIMIENTO DE AGUA

Bombas: Son dispositivos mecánicos, que ceden energía al fluido de trabajo

para incrementar la presión del mismo. Se utilizan para llevar o

impulsar el agua hacia la caldera.

DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS PARA EL

ABASTECIMIENTO DE AGUA

Tanque de Agua: Son contenedores metálicos, que se encargan del almacenaje del

agua tratada, que será suministrada hacia la caldera.

SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR Objetivo: Tiene por objetivo suministrar tanta energía, al fluido de trabajo (agua), para la obtención de vapor.

Generadores de vapor: Son unidades que se utilizan para colocar a

disponibilidad de un fluido, el calor de un

combustible (fuel-oil, carbón, gas) y todos los

elementos necesarios para transferir tanto calor como

sea comercialmente factible.

SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR Accesorios de los Generadores de vapor: El generador de vapor, consiste de una caldera o

hervidor, un hogar y puede incluir equipos de recuperación de calor como: Sobrecalentadotes, Sistema de Tiro, Economizadores, Precalentadores de Aire, Sistema de refrigeración de agua por aire y agua por agua.

Generadores de vapor.

Caldera o Hervidor: Área donde se transfiere calor al agua para transformarlo en vapor.

Clasificación: Las calderas generalmente son clasificadas en dos (2) grandes grupos,

destacando que de hacer un análisis más riguroso este número puede

aumentar: Tubos de Humo o Pirotubulares.

Tubo de agua o Acuotubulares.


Clasificación: Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares: En esta caldera circulan los gases calientes de la combustión a través de los tubos y el líquido del cual se desea obtener vapor circula en la parte exterior de los mismos.


Clasificación: Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:


Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:

Tipos: Tubos Horizontales

Tubos Verticales

De Barco

De Locomotora

Compactas

Ventajas: Costos Relativamente bajos.

Ocupa poco espacio

Facilidad de transporte


Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:

Desventajas: Lenta circulación Contenido de agua pequeño en relación a la producción de vapor.

Debe operarse con precaución para evitar explosiones


Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares: En esta caldera el líquido del cual se desea obtener vapor circula a través de una gran cantidad de tubos y rodeando a estos se encuentra los gases calientes de combustión.


Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares:

Tipos: Tubos Rectos Tubos Doblados

Tubos Rectos (Ventajas) Son simples, idénticos y fáciles de quitar Facilidad de mantenimiento por métodos mecánicos

Mayor área de trasmisión de calor a una altura dada

Puede tener varios tambores


Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares:

Tubos Doblados (Ventajas) Mayor economía, en cuanto a fabricación, debido a soldaduras, aceros

mejorados y nuevas técnicas de fabricación.

Mayor accesibilidad, para inspección, limpieza y mantenimiento. Adaptabilidad para operar a mayores tasas de evaporación y producir vapor

mas seco.

Desventajas de las Calderas Acutubulares: Es de difícil realizar mantenimiento por lo incomodo el acceso a la zona de

convección. Mantenimiento más costoso. El coeficiente de evaporación está estrechamente limitado por la circulación

interna. La superficie limitada para la liberación de vapor, dificulta la separación correcta

del aguay el vapor durante los consumos altos. Para su instalación requieren de una extensa área de terreno. Su montaje con puesta en servicio pueden tomarse de uno a dos años.


Caldera unitaria de tubos de agua; paso único del gas

Caldera de tipo de dos domos diseñada para quemar carbón pulverizado


Caldera radiante de circulación natural, alimentación con combustoleo y gas; 4200000 lb (1900t) de vapor por h; presión de 2600 lb/pulg2 (183 kgf/cm2); 1005 ºF (540 ºC) de temperatura del vapor; recalentado




Generadores de vapor. 1.2 Componentes de un Generador de Vapor:

Hogar: Área donde se quema el combustible y se generan los gases

calientes de la combustión.

Fuente de calor Están ubicados

frente a una pared

Tubos de Enfriamiento

Pared Refractaria

refractaria ordinaria,

la cual protegen

parcialmente y de la

cual los tubos reciben calor reflejado y radiante.


HOGARES Generalidades:

El hogar de una unidad generadora de vapor, tiene como finalidad proporcionar:

• Un lugar para que funcione los quemadores y para alimentar el aire.

• Un lugar para que se complete el proceso de combustión.

• Los medios para utilizar, tan completamente como sea posible, la

energía dentro del mismo.

• Una salida para descargar los productos de la combustión.

• El medio para eliminar los residuos.


HOGARES Las consideraciones principales que influyen en el diseño de un hogar:

1. La clase, condición, preparación y características del combustible.

2. Las propiedades de las cenizas o escorias que puedan formarse.

3. Las cargas normales, mínimas y máximas que se mantendrán y sus

respectivas duraciones.

4. El tamaño y la relación del hogar respecto a la caldera.

5. El tipo de parrilla o quemadores a usarse y el método de encendido.

6. El coeficiente de exceso de aire que se desea usar.

7. El arrastre permisible de carbón en las cenizas volantes y los depósitos.

8. Los costos iniciales.

9. Los costos de operación.


SOBRECALENTADORES

Definición: Consisten de tubos a través de los cuales se hace pasar

vapor saturado que sale del tambor para que se calienten con los gases

de escapes que pasan sobre su superficie.

Objetivo: La función de un sobrecalentador es levantar la temperatura

del vapor por encima de su temperatura de saturación con la menor

caída de presión posible.

TIPS: Por cada 100 ºF de aumento de la temperatura de sobrecalentamiento se logra un 3% dedisminuciónenelconsumoespecíficodecalordelacaldera.


SOBRECALENTADORES Tipos de Sobrecalentadores:

Separados: requieren de una mampostería especial, espacio adicional y

atención frecuente.

Integrales: se instalan dentro de la mampostería del generador de

vapor, no requieren atención especial y son los que generalmente se

usan en centrales termoeléctricas.

Los sobrecalentadores integrales se dividen en dos grandes grupos: de convección y de radiación. Por Convección

Por Radiación

Combinado o Compensado



Por Convección.



Radiación.



Combinado.

Equipos de Recuperación de Calor

La recuperación de calor de los gases que salen de un generador de vapor, puede

efectuarse por medio de unos intercambiadores de calor llamados economizadores o precalentadores de

aire o ambos en combinación.

Equipos de Recuperación de Calor ECONOMIZADOR

Definición: Este elemento consiste de tubos que se colocan en la

trayectoria de los gases de escape y a través de los cuales se hace

pasar el agua de alimentación en camino hacia la caldera.

Función: el calor recuperado reduce la cantidad requerida de

combustible para convertir el agua de alimentación en vapor, aumentado

así la eficiencia de la unidad.

PRECALENTADORES Con la introducción del calentamiento regenerativo del agua de

alimentación por medio de vapor extraído de varias etapas de la turbina, se redujo la efectividad del economizador, y los gases salían a la chimenea a más alta temperatura. Por eso, a veces se añaden

precalentadores de aire con el objeto de recuperar parte del calor que se

hubiera perdido de otra manera.

Equipos de Recuperación de Calor PRECALENTADORES

Función: En tales aparatos el aire que se usa para la combustión se

calienta por contacto con las paredes de tubos o laminas. El calor así

devuelto al hogar reduce la cantidad de combustible quemado.

Ventajas y desventajas de los economizadores y precalentadores de aire:

La ganancia térmica con su resultante elevación de la curva de

rendimiento y ahorro en combustible. El aplanamiento de la curva de rendimiento en la región de altas

capacidades o la posibilidad de las calderas y hogares de trabajar a mayores capacidades manteniendo un alto rendimiento. Proveen una reserva de suministro de agua caliente para hacer frente a fluctuaciones de demanda o fuertes demandas repentinas.

Protegen a la caldera de recibir agua fría.

Equipos de Recuperación de Calor Desventajas:

Impiden el flujo de productos de combustión y disminuyen su

temperatura de la cual depende el tiro natural. Esto obliga a la

instalación de tiro mecánico con su consecuente costo inicial extra, espacio necesario, costo de potencia absorbida, atención y mantenimiento.

Corrosión que puede ocurrir si los gases se enfrían debajo del punto de roció de los vapores de acido sulfúrico con contenido en

los mismos.

Costo extra del equipo, mantenimiento y reemplazo.


Tipos de Economizadores: En la práctica moderna de centrales

termoeléctricas se usan dos tipos principales de economizadores: El integral y el unitario.

Integral:


Unitario.


Clasificación de los Precalentadores: Los

precalentadores de aire se clasifican en dos grandes grupos: recuperativos y regenerativos.

Recuperativos:


Clasificación de los Precalentadores: Los

precalentadores de aire se clasifican en dos grandes grupos: recuperativos y regenerativos.

Regenerativos:

Sistema de Tiro

Tiro (Definición): Tiro es la diferencia en la presión absoluta del

gas en cualquier punto dado de un conducto y la de la atmósfera a la misma cota (altura).

Función: Esta consiste esencialmente en suministrar la energía necesaria para

mantener el flujo requerido de aire y gas a través del sistema. Esta energía puede

provenir de los ventiladores o los gases calientes de la chimenea.

Aparatos para producir Tiro: Estos se constituyen en gran variedad de formas entre las cuales hay que seleccionar las apropiadas para cada

planta particular. Para tiro natural se emplean las chimeneas y para tiro mecánico, los ventiladores de tiro forzado y lo de tiro inducido, según se trate de suministrar aire para la combustión o extraer los gases de escape, respectivamente.

Sistema de Tiro

Tipos

Naturales

Sistema de Tiro

Tipos

Tiro Forzado (Ventiladores): Cualquier aparato que produce una

corriente de aire, se podría llamar ventilador. Un ventilador consiste en

una rueda o impulsor giratorio rodeado de una envolvente estática o carcasa. En los ventiladores se comunica energía al gas trasegado mediante el impulsor o rodete, con lo cual se crea una diferencia de presión y se produce una corriente de gas.

Sistema de Tiro

Ventiladores

Clasificación: Una de las características para clasificar un ventilador es

la naturaleza del flujo por los conductos de las paletas del impulsor.

De tipo axial (de hélice, tubo-axial, deflector axial),

De flujo radial o centrífugos,

De flujo mixto y de flujo transver

Sistema de Tiro

Ventiladores

Clasificación: De tipo axial (de hélice, tubo-axial, deflector axial)

Sistema de Tiro

Ventiladores

Clasificación: De flujo radial o centrífugos.

Turbomaquinas

Definición: El papel de la turbina de vapor consiste en transformar

en energía mecánica la energía contenida en el vapor de agua bajo la

forma de energía térmica y de energía de presión la suma de estas dos formas de energía, expresada en kilocalorías por kilogramo de fluido, se caracteriza por la entalpía del vapor, función de la presión y de la temperatura. El principio de funcionamiento de las turbomáquinas se basa en la interacción entre un rotor o impulsor que está constituido por álabes (fijos y/o móviles), y un fluido específico (compresible o incompresible). Tipos

Turbomáquinas Hidráulicas

Turbinas Térmicas

Turbomaquinas

TURBINA HIDRAULICA

Turbomaquinas

TURBINAS KAPLAN

Turbomaquinas

TURBINA PELTON

Turbomaquinas

Turbina Pelton

Turbomaquinas

Turbina de Vapor

Turbomaquinas

Turbinas de Gas

Turbomaquinas

Turbinas de Gas

Turbomaquinas

SISTEMA DE COMBUSTIBLE

Definición: Su función es suministrar combustible al quemador (Fuel oil, carbón, gas natural), para producir vapor, que es el medio utilizado para generar

calor y transformar el agua de la caldera en vapor.

Quemador: S función es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire al sistema, de manera de asegurar el encendido rápido y la combustión completa.

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Función: Se utiliza con la finalidad de disminuir la temperatura del fluido de trabajo y refrigeración de los equipos.

Condensador: Es un intercambiador de calor, que utiliza agua fría (de una corriente natural o

enfriada por una torre de enfriamiento) para enfriar y condensar el vapor

de escape de la turbina.

Tipos: Superficie

Mezcla


Condensador Eyector


Tipos de Condensadores: Superficie: El agua fría circula por tubos y el vapor por el exterior de los tubos (mayor área de transmisión de calor). El diseño busca minimizar las pérdidas de carga debidas al paso del vapor y aprovechar el intercambio

entre el liquido ya condensado y el vapor. Parte del vapor puede utilizarse para volver a calentar el condensado a la salida, creando así un poco de regeneración ( el agua que retorna a la caldera esta menos fría que lo estaba al condensar).

Mezcla: Cuando, aparte de la turbina, hay otros usos del vapor que hacen necesario reponer una cantidad sustancial de agua, pueden utilizarse condensadores de mezcla, en los que el vapor condensa por contacto con el agua fría.


CONDENSADORES


Torre de Enfriamiento: Tiene como finalidad enfriar una corriente de agua por

vaporización parcial de esta con el siguiente

intercambio de calor sensible y latente de una corriente

de aire seco y frió que circula por el mismo aparato. Pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido.

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