Cuestionario de Plantas

Plantas de conversión térmica Programa de Ingeniería Mecánica

CUESTIONARIO DE PLANTAS DE CONVERSIÓN TÉRMICA X SEMESTRE

CAMARGO SANDOVAL MARCOS ANDRES. Código:702131016 RUGE PEREZ DANIEL FELIPE. Código: 702122209 DE LA HOZ SANCHEZ GUILLERMO ANDRES. Código 702141218

IVÁN LEÓN EUSEBIO CANEVA RINCÓN Ingeniero Mecánico

FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO BARRANQUILLA-ATLÁNTICO 18 DE JULIO DE 2018


1. ¿QUE ES FLUIDO MOTOR? Es considerado fluido motor toda sustancia capaz de entregar su energía química y convertirla convertirl a en trabajo mecánico a través de algún proceso. proc eso. Es la sustancia que se deforma cuando se aplica un esfuerzo cortante, con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente dentro de un motor térmico. El fluido motor puede ser líquido o gaseoso. Las partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene t iene una superficie límite definida, es el caso típico de un combustible combusti ble líquido que arde en presencia del oxígeno. En contraste, un fluido motor gaseoso no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad, como lo es un vapor que se genera en una caldera y transmite su energía a una turbina. 2. ¿MEDIANTE QUE PARÁMETROS SE DETERMINA EL ESTADO TÉRMICO DE UN GAS? UNIDADES DE MEDICIÓN DE LOS PARÁMETRO P ARÁMETROS. S. Los parámetros que definen el estado térmico de un gas son la presión y la temperatura. La primera se expresa en Kpa o psi; mientras la segunda se expresa en ºK o ºF. También definen el estado térmico de un gas la presión y volumen, este ultima expresado en m3 o ft3. 4. ESCRIBA LAS CORRELACIONES ENTRE LAS UNIDADES DE MEDICIÓN DE LA PRESIÓN AT, KGF/M2, N/M2, Y BAR. Las correlaciones son las siguientes:

 = 101 101325 325 /2 = 103 10336. 36.7 /2 /2 = 1.013 1.013  3. ¿CÓMO SE DETERMINA LA PRESIÓN ABSOLUTA DE UN GAS POR LA PRESIÓN DE EXCESO DADA Y POR LA RAREFACCIÓN DADA? El vocablo latino rarefactum llegó a nuestro idioma como rarefacción. Se trata del proceso y las consecuencias de rarefacer, una acción que consiste en lograr que una materia en estado gaseoso pierda densidad, de acuerdo a lo explicado por la Real Academia Española (RAE) en su diccionario. Es posible oponer la rarefacción a la compresión: mientras que, en la rarefacción, se registra baja presión y un número bajo de moléculas en cada espacio, en la compresión hay alta presión y muchas moléculas que se acercan entre sí cada vez más. Puede decirse, por lo tanto, que el proceso de rarefacción lleva a que un cuerpo se dilate, expandiéndose y ocupando un mayor espacio ante la disminución de la densidad. La rarefacción se propaga a través de ondas expansivas y longitudinales que, con el tiempo, van alargándose. El sonido, por ejemplo, se forma mediante la sucesión de numerosas ondas de rarefacción y compresión cuya propagación se desarrolla por el aire. 5. ESCRIBA LA ECUACIÓN TÉRMICA DEL ESTADO DE UN GAS IDEAL PARA 1 KG Y PARA G KG DE UN GAS E INDIQUE EN QUE UNIDADES SE MIDE LAS MAGNITUDES PARÁMETROS QUE DETERMINAN EL ESTADO TÉRMICO DE UN GAS EN LOS SISTEMAS MKgCS Y SI La ecuación de estado de un gas ideal está dada por: PV=nRT


Donde: P: presión V: Volumen n: número de moles de gas R: constante universal de los gases T: Temperatura absoluta Unidades Sistema internacional P: Pascales (Pa) V: metros cúbicos (m3) n: moles (mol) R: Joule/ Kelvin*mol T: Kelvin (K) Unidades Sistema MKGCS P: dina/cm2 V: centímetros cúbicos (cm3) n: moles (mol) R: Joule/ Kelvin*mol T: Kelvin (K) 7. ¿EN QUÉ SE DIFERENCIA UN GAS REAL DE UN GAS IDEAL? Para un gas ideal la variable “z” siempre vale uno, en cambio para un gas real, “z” tie ne que valer

diferente que uno.

La ecuación de estado para un gas ideal, prescinde de la variable “z” ya que esta para un gas

ideal, vale uno. y para un gas real, ya que esta variable tiene que ser diferente de uno, así que la formula queda de esta forma: pv=znrt. La ecuación de Van Der Waals se diferencia de las de los gases ideales por la presencia de dos términos de corrección; uno corrige el volumen, el otro modifica la presión. Los gases reales, a presiones y temperaturas cercanas a las ambientales, actúan como gases ideales. 8. ¿CÓMO SE DETERMINA LA CONSTANTE GASEOSA DE UN GAS, TENIÉNDOSE LA CONSTANTE UNIVERSAL UNIVERSAL DE LOS GASES? La constante gaseosa de un gas (R u), se determina a partir de la siguiente ecuación:

 =  

Donde  , es la masa molecular del gas y R es la constante universal de los gases (8.314472 J/mol*K).


9. ¿CÓMO SE DETERMINA EL VOLUMEN ESPECÍFICO DE UN GAS TENIÉNDOSE EL VOLUMEN DE UN KILOMOL EN CONDICIONES NORMALES?

=

El volumen específico de un gas es: , donde V es el volumen del gas y m la masa del gas. Con lo anterior, si reemplazamos el valor de n en la ecuación de estado de los gases ideales tenemos:

 =→=  →  =  →  =   Debido que se encuentra en condiciones normales tenemos que:

−   )273  (8.20∗10   −   = 1 =2.24∗10   1000  10. ¿CÓMO SE DETERMINA LA DENSIDAD DE UNA MEZCLA GASEOSA AL DARSE ELLA EN FRACCIONES VOLUMÉTRICAS? Considerando que tenemos una mezcla de gases ideales. Entonces para cada gas su ecuación de estado será: P .V N . Ru.T ; donde R = Ru/M y N = m/M; 

P .V



m. R.T

→

P



 . R.T



→

P 

R.T

(1)

Como la Fracción Molar es igual a la Fracción Volumétrica en una mezcla de gases ideales, entonces: yi



N i



N

V i V (2);

La presión parcial viene dada como:  N i   V    P   i   P  N   V  →

pi  

pi



yi  P

(3)

La presión parcial de un gas, en atmósferas, en una mezcla sería aproximadamente la presión de dicho gas si se eliminaran repentinamente y sin que hubiese variación de temperatura todos los demás componentes de la mezcla. La presión total de la mezcla será igual a la suma de todas las fracciones parciales de los gases que intervienen en la mezcla. P   pi

(4)

De lo cual la densidad de una mezcla gaseosa al darse ella en fracciones volumétricas se determina como se muestra en la ecuación (1).


11. ¿CUÁL ES LA DIMENSIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA MÁSICA, VOLUMÉTRICA Y EN KILOMOLES?

í [] = ∗° í Capacidad calorífica volumétrica: [] = ∗° Capacidad calorífica másica:

13. ¿DE QUE PARÁMETROS DEPENDE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UN GAS IDEAL Y DE UN GAS REAL? El calor específico se define como la cantidad de calor que es preciso comunicar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en un proceso determinado un grado. El calor específico, lo mismo que la cantidad de calor depende en primer lugar del proceso. Así, 1 Kg de gas contenido en un cilindro provisto de émbolo puede evolucionar según procesos distintos. Aunque en todos ellos la temperatura aumente (o disminuya) en 1 K la cantidad de calor absorbida (o cedida) en cada uno de estos procesos será en general distinta. El calor específico se denomina según el proceso. Aunque el número de estos es limitado, dos de ellos tienen especial importancia en los cálculos termodinámicos: el calor especifico a volumen constante cv y el calor específico a presión constante cp. El calor específico depende en segundo lugar de los parámetros de estado del gas, generalmente es función tanto de la temperatura como de la presión, de acuerdo con el postulado de estado. Las ecuaciones que rigen el comportamiento de los calores específicos son: cv  fRu / 2 c P  (1  f / 2) Ru

Donde Ru es la constante universal de los gases y f representa los grados de libertad del movimiento molecular. Sin embargo, al reducir la presión de un gas real su comportamiento se aproxima al de un gas ideal, y el efecto de la presión sobre las capacidades térmicas específicas se vuelve despreciable. Debido a lo anterior, las capacidades térmicas específicas de los gases a presiones muy bajas a menudo se le llaman capacidades térmicas específicas de gas ideal, o a presión cero. Como la capacidad calorífica es función solo de la temperatura en los gases ideales, la teoría cinética de los gases como la mecánica cuántica estadística predicen el comportamiento de los mismos de modo que f =3; entonces el valor de cp,o para un gas monoatómico ideal es 5/2 Ru. Este valor que corresponde a 20.8 KJ/ (Kgmol.°C) o a 4.97 Btu / (Lbmol. °F), es característico en todos los gases monoatómicos. El valor de cv,o es igual a 3/2 Ru , por lo tanto el valor es igual a 12.5 KJ/ (Kgmol.°C) o 2.98 Btu / (Lbmol. °F), para los gases monoatómicos en un amplio intervalo de temperaturas. 14. ¿A QUE ES IGUAL NUMÉRICAMENTE LA DIFERENCIA DE CAPACIDADES CALORÍFICAS EN KILOMOLES A P = CONST Y V = CONST EN EL SISTEMA SI? La relación especial entre lo cual produce

c y cv para gases ideales se obtiene al derivar la relación h = u + R T,

ℎ=+ Si se reemplaza dh y du por c dT y cv dT respectivamente, y se divide la expresión resultante entre dT, se obtiene


 =  +     =  Cuando los calores específicos aparecen en base molar, debe reemplazarse R en la ecuación anterior por la constate universal de los gases R  . 15. DE LA DEFINICIÓN DE CAPACIDADES CALORÍFICAS MEDIA Y VERDADERA E INDIQUE CUAL ES LA DIFERENCIA ENTRE ELLAS. La capacidad calorífica verdadera de un gas ideal a presión constante puede determinarse como una función de la temperatura de la siguiente forma: c p Ru



a



bT  cT 2



dT 3



eT 4

Donde los valores de las constantes a, b, c, d, e, ya se encuentran tabulados para la mayoría de los gases a 1 atmósfera; y el valor de cv se puede obtener con la siguiente expresión: c p



cv



R

Ahora cuando se desea conocer el calor transmitido por unidad de masa en un proceso determinado entre las temperaturas T2 y T1 para simplificar los caculos se utiliza el calor específico medio en dicho intervalo de temperaturas y tiene la siguiente expresión:  T T

c dT

T 2

 T

2

c



1

1

16. ¿POR QUÉ LA CAPACIDAD CALORÍFICA A PRESIÓN CONSTANTE ES MAYOR QUE LA CAPACIDAD CALORÍFICA A VOLUMEN CONSTANTE? Tenemos que a volumen constante el calor que se transfiere es igual a Q =ΔU= c v ΔT, y a presión constante Q =Δh= c p ΔT, donde h= u + pv por definición, lo que indica que se necesita transferir

una mayor cantidad de calor para elevar la temperatura en un grado Centígrado o Fahrenheit a presión constante, ya que al sistema se le permite una expansión o compresión. 18. ESCRIBA LA EXPRESIÓN PARA LA CAPACIDAD CALORÍFICA MÁSICA DE UNA MEZCLA DE GASES IDEALES AL DARSE LA MEZCLA EN FRACCIONES MÁSICAS.

 =   Donde

 = ∑  es la fracción molar.

19. ESCRIBA LA ESENCIA DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y ESCRIBA SU EXPRESIÓN MATEMÁTICA. La termodinámica relaciona las distintas formas de energía y describe el cambio de la energía en diversos tipos de sistemas, en término de las interacciones de las fronteras de los mismos. Una de las leyes de la termodinámica más importante conduce a un principio general de conservación de la energía. La ley que se basa en este principio de conservación se llama primera ley de la termodinámica.


Al analizar el proceso de calentamiento de un gas a presión constante nos topamos con el caso que simultáneamente se suministra determinada cantidad de calor, varía la temperatura y en consecuencia también la energía interna del sistema y se realiza un diferencial de trabajo. Lo mismo ocurre en otros procesos cuando al cuerpo de trabajo se le suministra calor y simultáneamente se ha de realizar trabajo. Esta ley se expresa como:

 =  –  Esta afirmación se llama primer principio de la termodinámica y la igualdad anterior es su expresión matemática. Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W). De lo anterior se tienen que cuando el diferencial del trabajo es mayor que el diferencial del calor la magnitud del diferencial de energía interna es negativa de tal manera, si el cuerpo realiza trabajo mayor que la cantidad de calor que se le ha suministrado, entonces la energía interna de este cuerpo disminuye. Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema. En otras palabras: La energía no se crea ni se destruye solo se transforma. (Conservación de la energía). De tal manera, el principio de la termodinámica es un caso particular de la ley general de la conservación y transformación de la energía aplicable a los procesos caloríficos (térmicos). 20. ESCRIBA LA EXPRESIÓN PARA EL CALOR QUE PARTICIPA EN CADA UNO DE LAS CUATROS PRINCIPALES PROCESOS TERMODINÁMICOS. Se tiene que los cuatro principales procesos termodinámicos son: a presión constante (isobárico), a volumen constante (isocórico), a temperatura constante (isotérmico) y adiabático. Ya que la presión es constante, se tiene que: dW = PdV W = P. De la primera ley de la termodinámica tenemos que: Q – W = = CV , Q = W + Cv Entonces: Q = Cv + P

(para proceso isobárico)

Para un proceso isocórico: dW = PdV

(por ser un proceso a v = Cte) W=0

De la primera ley de la termodinámica tenemos que: Q – 0 = CV Entonces Q = CV


Para un proceso isotérmico se tiene que: PV = Cte P.V = P1 * V1 = C Además: dW = PdV W = C Ln Ya que C = P1 – V1 se llega a: W = P1 * V1 Ln De la primera ley de la termodinámica tenemos que: Q – W = = CV T0 Entonces: Q = P1 * V1 Ln Para un proceso adiabático. Debido a que no hay flujo de calor a través de los límites de la frontera, se tiene que la expresión para el calor que participa en este proceso es: Q=0 21. ¿A QUÉ ES IGUAL LA VARIACIÓN DE LA ENERGÍA INTERNA (CINÉTICA) EN LOS PROCESOS ISOCORO E ISOTÉRMICO? En un proceso isocoro, la variación de energía interna es igual a:

   =    

En la expansión isotérmica es un proceso en el cual un gas se expande (o contrae), manteniendo la temperatura constante durante dicho proceso, es decir que T1 = T2 para los estados inicial (1) y final (2) del proceso isotérmico. Aplicando el primer principio de la termodinámica se obtiene: Entonces integrando la expresión anterior, tomando como estado inicial el estado 1 y estado final el estado 2, se obtiene: ..........(1) Por la definición de trabajo dada en mecánica se tiene que:

Pero la fuerza desplazamiento

se puede expresar en función de la presión que se ejerce el gas, y el se puede escribir como dx, entonces:

Pero Adx equivale a dV, el aumento en el volumen del gas durante esta pequeña expansión, entonces el trabajo efectuado por el gas sobre los alrededores como resultado de la expansión es:


..........(2) Ahora reemplazando (1) en (2) se puede integrar: ..........(3) Pero para integrar la tercera integral, es necesario conocer la forma de variación de la presión P con el volumen, durante el proceso tratado. En el caso de tratar con gases ideales, se tendría la relación: ..........(4) Por lo tanto, reemplazando (4) en (3) se tiene que:

Como los valores n y R son constantes para cada gas ideal, y en este caso la temperatura también es constante, éstas pueden salir fuera de la integral obteniéndose:

Ahora integrando:

..........(5) Pero se sabe que la energía interna depende sólo de la temperatura (Ver: La energía interna como función de la temperatura), y como en este proceso ésta se mantiene constante, no hay cambio en la energía interna del gas, por lo que la expresión (5) se reduce a:

Por lo tanto, en una expansión isotérmica de un gas perfecto, el calor de entrada es igual al trabajo efectuado por el gas.


24. ¿EN QUÉ PROCESO TODO EL CALOR APORTADO SE GASTA EN LA REALIZACIÓN DE TRABAJO EXTERNO, Y EN CUÁL EN LA VARIACIÓN DE LA ENERGÍA INTERNA? En un proceso adiabático y a presión constante a lo que esté sometido un gas el calor aportado se gasta en la realización de trabajo externo. Este caso es ideal, el trabajo de expansión del gas para levantar un émbolo. Si tenemos un proceso adiabático y a volumen constante de un fluido gaseoso se puede observar la variación de la energía interna. Estos sistemas no realizan trabajo, sino que incrementan su presión y temperatura . 25. ¿CUÁLES SON LOS INDICADORES DE LA POLITROPA PARA LOS PRINCIPALES PROCESOS TERMODINÁMICOS DE VARIACIÓN DEL ESTADO DE LOS GASES IDEALES? −, el cual es valor de c es  El indicador de politropa es − −. Por lo cual el valor de ϕ para cada proceso termodinámico es:

=

o o

o o

=

Proceso isocoro (v=cte): ϕ=0 Proceso isobaro (p=cte):

φ = 1  

Proceso isotérmico (t=cte): ϕ=1 Proceso adiabático: ϕ =-∞ (durante compresión adiabática) ϕ =∞ (durante expansión adiabática)

26. ¿CUÁL ES LA ESENCIA DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA? La mecánica básica examina algunas formas de energía tales como la energía potencial gravitacional y la energía cinética lineal. En la electromagnética se introducen algunas formas de energía adicionales, asociadas con el campo eléctrico y magnético. Para el químico estudiar las fuerzas atómicas y nucleares de enlace son sumamente importantes. La termodinámica relaciona estas otras formas de energía y describe el cambio de la energía. En diversos tipos de sistemas, en término de las interacciones de las fronteras del sistema. Una de las leyes de la termodinámica más importante conduce a un principio general de conservación de la energía. La ley que se basa en este principio de conservación se llama primera ley de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica postula la existencia de estados de equilibrio estable. Todo sistema que tenga ciertas restricciones especificadas y que tenga un límite superior para su volumen puede alcanzar, partiendo de cualquier estado inicial, un estado de equilibrio estable sin que haya un efecto neto sobre los alrededores. Al examinar un proceso cíclico se utilizan 2 postulados: Para cualquier cuerpo de trabajo la entropía es una función de estado. El calor de no puede pasar directamente de un cuerpo frío a otro directamente. El conjunto de estos 2 postulados constituye una de las formulaciones del segundo principio de la termodinámica. Como conclusión de estos postulados se estableció que en un motor térmico de accionamiento periódico no se puede transformar en trabajo todo el calor suministrado de la fuente caliente al cuerpo de trabajo. La segunda ley de la termodinámica postula que no se puede trasladar calor de una fuente fría a una fuente caliente si no se suministra trabajo del exterior. La segunda ley es extremadamente útil para el ingeniero de las siguientes maneras:




Proporciona los medios para medir la calidad de la energía.



Establece los criterios para determinar el funcionamiento “ideal” de los equipos ingenieriles.



Determinar la dirección de los procesos.



Establece los estados de equilibrio final para los procesos espontáneos.

En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo. 27. DE ALGUNAS FORMULACIONES DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. El contenido de la segunda ley de la termodinámica. En términos más o menos sencillos diría lo siguiente: "No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo". Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionar. 28. ¿CUÁL ES LA RELACIÓN ENTRE LA VARIACIÓN DE LA ENTROPÍA Y LA CANTIDAD DE CALOR SUMINISTRADA EN EL PROCESO ISOTÉRMICO? Si un gas ideal, que tiene parámetros iniciales p0, v0, t0 de resultas de algún proceso pasó al estado con parámetros p, v, t, entonces, como se ve de la ecuación 1, la variación de la entropía estará unívocamente determinada por los parámetros iniciales y finales y no dependerá del tipo de proceso, pues en la ecuación 1 no entran las características del proceso, por ejemplo, el indicador de la polítropa (m a) la capacidad calorífica (c) del proceso dado. s s0 



c p ln

T 

T 0

R ln

P P 0

(1)

En consecuencia, la entropía de un gas ideal es una función de estado, y su valor unívocamente se determina por los parámetros del gas y por la elección del punto de origen del cálculo (punto de origen, de referencia). El sistema de coordenadas en cuyos ejes se trazan la entropía y la temperatura, se llama "diagrama t, s ".


Diagrama t, s para el gas ideal.

Sea el estado p 0, v0, t0 el punto de origen de cálculo y en él s = 0. Para cualquier otro estado con parámetros p, v, t corresponde un único punto en el diagrama t, s cuya entropía se determina de las ecuaciones (2) y (3). s



cv ln

T T 0

 R ln

v v0

s



c P ln

(2)

T 

T 0

R ln

P P 0

(3)

En el diagrama t-s se pueden representar los procesos reversibles. El proceso isotérmico se representa por una recta horizontal; el proceso adiabático por una recta vertical; los procesos isocoro y politrópica, por curvas logarítmicas correspondientemente a las expresiones (4), (5) y (6). s2



s1



c P ln

Proceso isobaro

s2



s1

T 2 T 1



(4)

c P ln

Proceso isocoro

s2

Proceso isotérmico



s1



cv ln

v2 v1



R ln

T 2 T 1

(5)

P 2 P 1

6)

Estas curvas son tanto más empinadas, cuanto menor es la capacidad calorífica del gas en el proceso (fig. 1). El área debajo de la línea de variación de estado en el diagrama t, s. corres ponde al calor suministrado, pues 2



Q1 2  Tds 1

(7)

Las propiedades de la entropía se establecen en base al ejemplo del gas ideal. En la termodinámica se adopta como postulado que para cualquier cuerpo físico la entropía es una


función de estado. De esto, en particular se corrige que cada punto en el diagrama t-s corresponde a un único estado no sólo del gas ideal sino de cualquier cuerpo físico. 29. ¿A QUÉ ES IGUAL LA EFICIENCIA TÉRMICA DEL CICLO DE CARNOT? Primero que todo recordaremos los dos enunciados que constituyen el principio de Carnot para posteriormente entender su eficiencia: 1. La eficiencia térmica de una máquina térmica irreversible es siempre menor que la eficiencia térmica de una máquina térmica totalmente reversible que funciona entre los mismos dos depósitos de calor. 2. 2. las eficiencias térmicas de dos máquinas térmicas totalmente reversible que funciona en entre los mismos dos depósitos de calor son iguales. La ecuación que fundamenta la eficiencia térmica de Carnot es: 



1

Tl 

Th

La eficiencia térmica dada por la ecuación anterior se llama eficiencia de Carnot y según el principio de Carnot esta es la máxima eficiencia que cualquier máquina térmica puede tener al funcionar entre depósitos térmicos con temperaturas tl y th. Para mejorar la eficiencia de una máquina térmica totalmente reversible, es necesario elevar el valor de la temperatura th o disminuir el valor de la temperatura tl o ambas cosas a la vez. Las máquinas reales son menos eficientes que las máquinas térmicas reversibles. las instalaciones usuales que producen potencia, tienen eficiencias térmicas que oscilan entre 10% y 40% de estos valores, estos son pequeños en comparación con 100%, sin embargo en la adecuación de la eficiencia, indican que las eficiencias reales no se deben comparar con el100%, sino con un valor t eórico más bajo. Para lograr altas eficiencia térmica en las maquinar reales, la segunda ley indica que la temperatura del th deberá ser tan alta como se pueda, y que las irreversibilidades deberán mantenerse en sus valores prácticos más bajos. 30. ¿POR QUÉ LA EFICIENCIA DEL CICLO DE CARNOT NO PUEDE SER IGUAL A LA UNIDAD? La eficiencia térmica del ciclo de Carnot es función de las temperaturas del depósito y del sumidero, por lo que:  carnot



1

T l 

T H

El enunciado de kelvin y Planck establece que es imposible construir una máquina térmica cuyo único efecto sea el intercambio de calor con una sola fuente inicialmente en equilibrio y la producción de trabajo neto, por lo cual toda máquina térmica debe expulsar parte del calor que se le suministra a otro sistema que se halle a una temperatura inferior. Entonces el término T / T de la eficiencia de Carnot siempre tendrá un valor en el intervalo de mayor que cero a uno, con lo cual se puede entonces demostrar que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia de 100%. l

H


31. ¿CUÁLES SON LAS CONCLUSIONES QUE SE DESPRENDEN DEL ESTUDIO DEL CICLO DE CARNOT? El ciclo de Carnot tiene el más alto rendimiento térmico entre todos los posibles ciclos reversibles, en los cuales la más alta temperatura del cuerpo de trabajo no es mayor que T1 y la más baja temperatura de trabajo no es menor que T2. Además, el rendimiento del ciclo de Carnot sólo de las temperaturas de las fuentes de calor caliente y fría crece con el aumento de T1 y con la disminución de T2 y no depende de las propiedades del cuerpo de trabajo. El ciclo se compone de dos isotermas y dos adiabatas (figura 1). El suministro de calor de la frente caliente se realiza durante la expansión por la isoterma T1. La evacuación de calor hacia la frente fría se realiza durante la compresión por la isoterma T2. Para el ciclo de Carnot el rendimiento es igual:  t



1



q2 q1



1



T 2 ( S 2 T 1 ( S 2





S 1 ) S 1 )



1



T 2 T 1

Ciclo de Carnot en el diagrama T vs S.

32. ¿SON LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE EBULLICIÓN PARÁMETROS INDEPENDIENTES? La presión y la temperatura en el proceso de ebullición no son parámetros independientes, dado que en dicho proceso si unos de estos dos parámetros varia, inmediatamente el otro también para así ajustarse al hecho de que al suministrarle temperatura al líquido su presión de vapor varia, y esta presión de vapor debe superar a la presión de confinamiento (aplicada al líquido externamente) para comenzar su ebullición (presión de confinamiento constante). también se cumple que si la temperatura se mantiene constante (entonces la presión de vapor se mantiene constante), al reducir la presión de confinamiento lo suficiente, el líquido podrá comenzar el proceso de ebullición. 33. MUESTRE EN EL DIAGRAMA P-V LAS REGIONES Y LÍNEAS CARACTERÍSTICAS. En la figura b, se superponen cuatro isotermas en esa parte del diagrama PV de la figura a, que representa regiones de líquido, líquido/vapor y vapor. La línea marcada con T > Tc es una isoterma para una temperatura mayor que la crítica. Los puntos que están a lo largo de las líneas horizontales de la figura b, representan todas las mezclas posibles de líquido y vapor en equilibrio,


las cuales van desde 100 por ciento de líquido en el extremo izquierdo, hasta 100% vapor en el extremo derecho. El lugar de estos puntos extremos se encuentra en la curva en forma de domo que tiene la etiqueta BCD, cuya mitad izquierda (de B a C) representa líquido saturado y la mitad derecha (de C a D) vapor saturado. La región de dos fases se encuentra bajo el domo BCD, mientras que las regiones líquida y gaseosa están en las partes izquierda y derecha respectivamente. Las isotermas en la región líquida son muy pronunciadas, debido a que el volumen de los líquidos cambia muy poco con variaciones grandes en la presión. Los segmentos horizontales de las isotermas en la región de dos fases se vuelven progresivamente más cortos a, temperaturas altas, reduciéndose a un punto en C. En consecuencia, la isoterma crítica, Tc, exhibe una inflexión horizontal en el punto crítico C que está en la parte superior del domo. En él no pueden distinguirse las fases líquidas y de vapor debido a que sus propiedades son las mismas. Figura a: Diagrama PV para una sustancia pura. Figura b: Diagrama PV para las regiones ciclo, líquido/vapor y vapor de un fluido puro.

34. ESCRIBA LAS EXPRESIONES PARA LA ENTALPÍA DEL VAPOR SOBRECALENTADO, SECO Y HÚMEDO La entalpía del vapor sobrecalentado es una función tanto de la temperatura como de la presión. Por lo tanto, la expresión del vapor sobrecalentado se puede escribir como:

ℎ  =, Esta propiedad termodinámica se encuentra tabulada para diferentes valores de P y T, que se han determinado de manera experimental. La expresión que rige a una mezcla saturada líquido - vapor es:

ℎ = ℎ +  ∗ ℎ = ℎ +ℎℎ Donde: h : es la entalpía de la mezcla saturada líquido – vapor hf : es la entalpía de vapor saturado húmedo hg : es la entalpía de vapor saturado seco x : calidad de mezcla En el caso de que se tenga un vapor saturado húmedo se tendrá una calidad igual a 0, por lo cual: h = hf ; que se obtiene de tablas termodinámicas, donde h = f (P ó T)


En el caso de que se tenga un vapor saturado seco, se tendrá una calidad igual a 1, por lo cual: h = hf + (1) . (hg – hf) = hf + hg - hf h = hg; que se obtiene de tablas termodinámicas donde h = f (P ó T) 35. MUESTRE EN EL DIAGRAMA T, S LAS ÁREAS QUE REPRESENTAN LA ENTALPÍA DEL LÍQUIDO, EL CALOR DE FORMACIÓN DE VAPOR, LA ENTALPÍA DEL VAPOR SATURADO SECO Y DEL VAPOR SOBRECALENTADO. En la figura observamos un diagrama T-s que corresponde a un ciclo Rankin con sobrecalentamiento. El fluido se comprime isotrópicamente desde 1 hasta 2 ósea desde una presión hasta la presión de trabajo isobáricamente mediante un calentamiento regenerativo durante ello, la parte del vapor para el calentamiento constituye el 25-35%. El calentamiento regenerativo permite disminuir el gasto de combustible en 12-14%, el área por debajo de la curva 2-2' corresponde al calor agregado para llevar el líquido subenfriado a liquido saturado y corresponde al cambio de entalpía del líquido (área 1).

Diagrama T-s y ciclo para el vapor de agua con sobrecalentamiento.

Del segmento 2'-3 ocurre el fenómeno de traspaso de líquido saturado a vapor saturado agregando calor procedente de un combustible quemado en el hogar del generador de vapor, el área existente debajo de la isoterma es el calor saturado seco (área 2). Por último, en la curva 3-3' se muestra el proceso para convertir el vapor saturado seco a vapor sobrecalentado el área bajo la curva 3-3' es el calor agregado al vapor para convertirlo en sobrecalentado con el fin de reducir la humedad del vapor por debajo del 10% y teniendo en cuenta las limitaciones metalúrgicas de los materiales con que se construyen los equipos esta área (3) muestra el cambio de entalpía isobáricamente que sucede en el vapor o vapor sobrecalentado. 36. REPRESENTE EN EL DIAGRAMA I-S EL PROCESO ADIABÁTICO DE EXPANSIÓN DEL VAPOR DE AGUA DESDE LOS PARÁMETROS INICIALES P1 Y TSB HASTA LA PRESIÓN FINAL P2. Procesos de trabajo de vapor a diferentes parámetros iniciales en la turbina en el diagrama entrópico. En el diagrama entrópico del proceso de trabajo del vapor en la turbina, se ve que medida que aumenta la presión inicial del vapor la caída de calor Ha primero aumenta, alcanza su valor máximo, y luego disminuye. La caída de calor Ha alcanza su máximo en el punto en el cual la tangente a la curva limítrofe es paralela a la isoterma final (que es también la isobara).


Diagrama I-s: Proceso adiabático de expansión del vapor de agua

39. REPRESENTE EN LOS DIAGRAMAS PV Y TS EL CICLO PRINCIPAL DE UNA INSTALACIÓN DE VAPOR DE FUERZA, SI EL ESTADO INICIAL ES VAPOR SOBRECALENTADO Y DÉ LAS EXPLICACIONES NECESARIAS.

Diagrama T vs S En la práctica, es deseable que el contenido de humedad en una instalación termoeléctrica se mantenga por debajo del 10% en el extremo de baja presión de la turbina. Además, al aumentar la temperatura promedio a la cual se suministra el calor aumentará la eficiencia del ciclo. El aumento de la eficiencia del ciclo mediante la elevación de la temperatura del fluido que entra en la turbina y la eliminación del problema de la humedad en la turbina se pueden lograr de forma simultánea mediante la adición de un sobre calentador al ciclo de vapor simple ya presentado. El proceso de sobre calentamiento lleva una temperatura mayor en la entrada de la turbina sin que aumente la presión máxima del ciclo. Después de que el vapor saturado abandonada caldera, el fluido pasa a través de otra sección de entrada de calor, en donde la temperatura aumenta, teóricamente, a presión constante. El vapor sale del sobre calentador a una temperatura restringida sólo por los efectos de carácter metalúrgico. El área sombreada en el diagrama Ts representa el trabajo neto adicional y el área debajo de la curva 3- 3’ representar calor agregado en la sesión del sobre calentador, observe que la temperatura promedio a la cual suministra calor durante el proceso 3- 3’ es mayor que la temperatura existente durante el proceso adición de calor en la sección de la caldera, mientras que la temperatura de condensación sigue siendo la misma.


Con base en un análisis de la máquina de Carnot cabe esperar que la eficiencia del ciclo haya aumentado. El otro punto importante es que la calidad del estado 4’ es considerablemente mayor que la del estado 4. Por tanto, el problema de la humedad de la turbina se ha atenuado. 40. ¿CUÁL ES LA INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS INICIALES Y FINALES DEL VAPOR EN LA EFICIENCIA TÉRMICA DEL CICLO PRINCIPAL DE UNA INSTALACIÓN DE VAPOR DE FUERZA? El rendimiento térmico de una instalación de vapor se ve afectada por los parámetros iniciales de la siguiente manera. El valor del rendimiento térmico crece al elevarse los parámetros iniciales del vapor, la temperatura y la presión, así como al bajar la presión final. Para elevar el rendim iento térmico del ciclo se emplea el recalentamiento intermedio del vapor. En la figura 4 en forma punteada se muestra el ciclo con presión supercrítica inicial del vapor y con recalentamiento intermedio del vapor. El vapor se expande isentrópicamente hasta determinada presión intermedia y de nuevo se recalienta por la isobara hasta la temperatura inicial, después de lo cual se expande isentrópicamente hasta la presión final. El recalentamiento intermedio del vapor baja su humedad final.

Ciclo de instalación de turbina de vapor en el diagrama T vs S. La expresión para el rendimiento térmico obtiene el siguiente aspecto:  t



i1



i2



(i4



i3 )

i1



i3



(i4



i3 )

Si no se considera el trabajo de la bomba, tenemos:

 t



i1



i2

i1



i3


41. ¿QUÉ CLASES DE INTERCAMBIO TÉRMICO CONOCE USTED? Existen tres tipos de intercambio térmico: La Conducción La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo a mayor temperatura a otro a menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el intercambio de energía interna, que es una combinación de la energía cinética y energía potencial de sus partículas microscópicas: moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia depende de su estructura microscópica: en un fluido se debe principalmente a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres (principalmente en metales) o de los modos de vibración de sus partículas microscópicas (dominante en los materiales no metálicos). Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor :2

donde: es el calor transmitido por unidad de tiempo. (o ) es la conductividad térmica. es el área de la superficie de contacto. es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frio. es el espesor del material. La Convección Es una de las formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente.


La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida). En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido. La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Donde es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), es el área del cuerpo en contacto con el fluido, es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo. La Radiación Es la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que entre ellos exista contacto ni conexión por otro sólido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto. El ejemplo perfecto de este fenómeno es el planeta Tierra. Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin calentarla y se transforman en calor en el momento en que entran en contacto con la tierra.  

 

La radiación térmica tiene básicamente tres propiedades: Radiación absorbida. La cantidad de radiación que incide en un cuerpo y queda retenida en él, como energía interna, se denomina radiación absorbida. Aquellos cuerpos que absorben toda la energía incidente de la radiación térmica, se denominan cuerpos negros. Radiación reflejada. Es la radiación reflejada por un cuerpo gris. Radiación transmitida. La fracción de la energía radiante incidente que atraviesa un cuerpo se llama radiación transmitida.

42. ESCRIBA LA EXPRESIÓN PARA LA LEY DE LA TERMOCONDUCTIVIDAD (LEY DE FOURIER). DÉ EL ANÁLISIS DE ESTA LEY. La ley de Fourier se desarrolla a partir de los fenómenos observados más que derivarse de los principios básicos. Por ello vemos el modelo como una generalización que se basa en numerosas pruebas experimentales.


Transferencia unidimensional de calor por conducción (Ley de Fourier)

Es posible cuantificar los procesos de transferencia de calor en términos de las ecuaciones o modelos apropiados. Estas ecuaciones o modelos sirven para calcular la cantidad de energía que ''

q x





k

dT dx

Se transfiere por unidad de tiempo. Para la conducción de calor, la ecuación o modelo se conoce como ley de Fourier. Para la pared plana unidimensional que se muestra en la figura 4., la cual tiene una distribución de temperatura T(x), la ecuación o modelo se expresa como q ' x '

El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área (W/m 2) es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia, y es proporcional al gradiente de temperatura, dT/dx en esta dirección. Esta ecuación define la conductividad térmica y que k tiene las unidades de vatios por metro y por grado Celsius (W/m K) en un sistema de unidades en el que el flujo de calor se exprese en vatios. La constante de proporcionalidad, k, es una propiedad de transporte conocida como conductividad térmica y es una característica del material de la pared. El signo menos es una consecuencia del hecho de que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura decreciente. En las condiciones de estado estable que se muestran en la figura 4. q x''





k

T 2



T 1

L

Donde la distribución de temperatura es lineal, el gradiente de temperatura se expresa como dT dx



T 2



T 1

L

Y el flujo de calor entonces es q x''



k

T 1  T 2 L



k

T

L

Se puede observar que esta ecuación proporciona un flujo de calor, es decir, la velocidad del calor transferido por unidad de área. El calor transferido por conducción por unidad de tiempo, qx (W), a través de una pared plana de área A, es entonces el producto del flujo y el área. 43. ESCRIBA LA ECUACIÓN PARA LA CANTIDAD DE CALOR TRANSMITIDO POR CONVECCION (ECUACIÓN DE NEWTON). DE EL ANÁLISIS DE ESTA ECUACIÓN. Cuando un fluido a T f se pone en contacto con un sólido cuya superficie de contacto está a una temperatura distinta T pf , el proceso de intercambio de energía térmica se denomina transmisión de calor por convección. Existen dos tipos de convección: a) Convección libre o natural b) Convección forzada Independientemente de que la convección sea libre o forzada, la cantidad de calor transmitida Qc, se puede escribir (Ley de Newton):


Qc



hcf A(T pf



T f )

En la que h cf es la conductancia convectiva térmica unitaria o coeficiente de transmisión del calor por convección en la interface líquido-sólido, en W/m 2°K; A es el área superficial en contacto con el fluido, en m 2; Tpf es la temperatura de la superficie, en °K y T f es la temperatura del fluido no perturbado, en °K. En esta igualdad el coeficiente de proporcionalidad h cf se llama coeficiente de emisión térmica desde el medio calentador a la pared o desde la pared al medio calentado. El coeficiente de emisión térmica hcf es igual a la densidad del flujo calorífico a una diferencia de temperaturas de un grado y depende tanto de las propiedades físicas del fluido y del material de la pared, como del carácter del movimiento y de la forma de la superficie. En el sistema SI la potencia del flujo calorífico se mide en vatios, la temperatura en grados y el área en metros cuadrados. Se puede anticipar que la transferencia de calor por convección tiene una dependencia respecto a la viscosidad del fluido, además de la dependencia con relación a las propiedades térmicas del fluido (conductividad térmica, calor específico, densidad). Esto se anticipa debido a la influencia de la viscosidad en el perfil de velocidad y, de igual manera, en la razón de transferencia de energía en la región cercana a la pared. Si una placa caliente fuera expuesta al aire ambiente sin una fuente externa de movimiento, se experimentaría un movimiento de aire como resultado de los gradientes de densidad próximos a la placa. A esto se le llama convección natural o libre, opuesta a la convección forzada, la cual se experimenta en el caso de aire soplado con abanico sobre una placa. Los fenómenos de ebullic ión y condensación están también agrupados bajo el tópico general de transferencia de calor por convección. 44. ¿QUÉ FACTORES INFLUYEN EN LA MAGNITUD DEL COEFICIENTE DE IRRADIACIÓN DE CALOR? El coeficiente de emisión térmica por radiación, r, depende de la densidad del flujo calorífico y de la variación de la temperatura. r

= r/(T1 – T2)

Dónde: T1: es la temperatura del cuerpo más caliente. T2: es la temperatura del cuerpo menos caliente. 45. ESCRIBA LA ECUACIÓN DE STEFAN-BOLTZMAN PARA LA IRRADIACIÓN TÉRMICA DE UN CUERPO. La capacidad de radiación por m 2 de superficie de un cuerpo calentado en 1 segundo a temperatura T se calcula por la fórmula de Stefan – Boltsman  T  E   C o    100 

4

Co = constante de radiación del cuerpo absolutamente negro  =

Grado de negrura del cuerpo radiante igual a la razón de su capacidad de radiación y la capacidad de radiación del cuerpo absolutamente negro.




C 

C o

46. ¿QUE GÉNEROS DE COMBUSTIBLE SE EMPLEA PARA EL QUEMADO EN LAS INSTALACIONES DE CALDERA? Combustible se llama la sustancia carburante quemada a propósito para obtener calor. No toda sustancia, que en la combinación química con el oxígeno desprende calor puede llamarse combustible. El combustible es en sí una sustancia de origen orgánico, prioritariamente de origen vegetal; la energía química de esta sustancia durante la oxidación se convierte en calor de los productos gaseosos de la combustión. La fuente de energía química del combustible es la energía solar acumulada. De acuerdo con el estado físico, el combustible se divide en estado sólido líquido y gaseoso. Combustible sólido: La antracita (carbón de antracita), la hulla (carbón mineral, carbón de piedra), el lignito (carbón lignitoso, carbón pardo), la turba, la leña, el carbón esquistoso, los desechos de aserraderos, los desechos de la producción agrícola (paja, cáscaras), etc. Combustible líquido: El petróleo sus diferentes derivados como la gasolina, la querosina, la ligroina, variedades de aceites y el producto residual de la elaboración del petróleo (el mazut). En las instalaciones de calderas no se emplean el petróleo crudo en calidad de combustible. En los hogares de las calderas de vapor se quema el mazut (fuel oil, aceite solar). Del procesamiento de combustible sólido se obtienen combustibles líquido sintético y resina carburante, así como aceites. Combustibles gaseosos: Gas natural, extraído de las entrañas de la tierra, gas de petróleo, de entubación, desechos gaseosos de la producción metalúrgica (gas de coque, gas de alto horno), gas de craqueo, así como gas de gasógeno (gas de generador, gas de aire) que se obtienen artificialmente de combustible sólido en unas instalaciones generadoras especiales. En lo que se refiere a los recursos energéticos del mundo (exceptuándose las reservas de madera y la hidroenergía), al combustible nuclear le corresponden el 95.6% y al combustible orgánico solo el 4.4% de las reservas generales. 47. ¿CUÁL ES LA COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE UN COMBUSTIBLE? Combustible se llama a la sustancia carburante quemada a propósito para obtener calor. No toda sustancia que en la combinación química con el oxígeno desprende calor. El combustible es en sí una sustancia de origen orgánico, prioritariamente de origen vegetal; la energía química de esta sustancia durante la combustión se convierte en calor. De los productos gaseosos de combustión. La energía o mejor, la fuente de energía química del combustible es la energía solar acumulada. De acuerdo con el estado físico, el combustible se divide en sólido, líquido y gaseoso. Un combustible sólido podemos mencionar la antracita, el lignito, la leña, el carbón etc. Como combustible líquido tenemos el petróleo, sus diferentes derivados como la gasolina la querosina, variedades de aceite y el producto residual de la elaboración del petróleo que es el mazut. En las instalaciones de caldera no se emplea petróleo crudo en calidad de combustible. En los hogares de las calderas de vapor se quema mazut. Como combustible gaseoso tenemos el gas natural extraído de las entrañas de la tierra, gas de petróleo, desechos gaseosos de la producción metalúrgica etc. En lo que se refiera a los recursos energéticos del mundo el combustible nuclear le corresponden aproximadamente 96% y al combustible orgánicos sólo 4% de la reserva en generales. La composición elemental del combustible sólido y líquido en la forma o aspecto en


que ingresa para la combustión en los hogares o a los motores de combustión interna y otros aparatos especiales se les llama composición de trabajo. En el caso general, en la composición del combustible (sólido o líquido) entra el carbono C, el hidrógeno H, el oxígeno O, el nitrógeno N y azufre volátil Sv, así como impurezas minerales no carburantes como la ceniza A y la humedad W. Para la masa de trabajo del combustible se da la siguiente igualdad: Ct + Ht + Ot + Nt + St+ At+ Wt = 100% Donde el índice “t” nos indica de trabajo. La característica del combustible en cuanto a la

composición de su masa de trabajo es muy inestable pues para una misma clase de combustible en función del método de extracción, transporte y almacenamiento el contenido del de azufre y cenizas y humedad puede variar considerablemente. Una característica química más estable del combustible es la composición de su masa orgánica, que se determina como la suma de los elementos carbono hidrógeno y oxígeno y nitrógeno los cuales se repiten en todos los combustibles y que caracteriza su misma naturaleza orgánica. Co+ Ho + Oo + No = 100% Donde el índice “o” indica que la composición porcentual másica de los diferentes elementos está

referida a la masa orgánica. La humedad contenida en el combustible junto con las cenizas se llama lastre y se simboliza por la letra Lt: At + Wt = Lt El lastre baja considerablemente el valor del combustible disminuyendo su calor de combustión. La humedad en el combustible es perjudicial por el hecho de que, primero: para su vaporización durante la combustión se gasta calor y segundo: disminuye la cantidad relativa de sustancia carburante en el combustible. La existencia, la presencia de cenizas no sólo baja el calor de combustión, sino que dificulta considerablemente el proceso de combustión en el hogar y su operación (explotación). En las especies naturales de combustible sólido fósil se haya azufre de tres variedades azufre orgánico, ligado con otros elementos del combustible carbono e hidrógeno nitrógeno y oxígeno bajo la forma de combinaciones orgánicas complejas; azufre piritoso bajo la forma de pirita, que es el sulfuro de hierro; azufre sulfúrico bajo la forma de sales de ácido sulfúrico. Los sulfatos son en sí óxidos fuertes de azufre, por eso el azufre que se halla en ellos no puede arder. El azufre orgánico y piritoso que está presente en el combustible arde formando anhídrido sulfuroso. El azufre orgánico y el azufre sulfuroso forman juntos azufre volátil carburante de tal manera, el contenido total de sufren el combustible es: Stot = So +Sp + Ssulf = Sv + Ssulf Por consiguiente, en la parte carburante del combustible entra sólo azufre volátil; el azufre restante no participa en la combustión y puede ser referido al lastre que es la ceniza del combustible. Por cuanto la masa orgánica, debido a la ausencia en ella de azufre no da una idea suficientemente correcta sobre las propiedades térmicas del combustible, por tanto, se adopta el concepto de masa carburante para la cual, se tiene la siguiente expresión:


Cc + Hc + Oc + Nc + Scv = 100% Donde el índice “c” indica que la composición porcentual de los diferentes elementos está referida

a la masa carburante. La denominación masa carburante tiene un carácter convencional porque en realidad sus elementos carburantes son sólo el carbono, el hidrógeno y el azufre. El carbono es el componente predominante de los combustibles sólidos y líquidos; en los combustibles se contiene carbono comúnmente de 50% hasta 95% mientras que el contenido de hidrógeno consiga los límites del 1% al 11% y el del azufre de 0% al 8%. La masa carburante se puede caracterizar como el combustible que no contiene ceniza y se halla en estado absolutamente seco. La determinación de la composición de la masa de trabajo del combustible por la composición de su masa carburante se realiza de acuerdo a la fórmula: Ct = Cc( 1 – (Lt//100)) Para el combustible que contiene gran cantidad de humedad (lava, la leña) en algunos casos es cómodo utilizar el concepto de masa seca, que caracterizara la composición de un combustible absolutamente seco por medio de la suma de los elementos. Presenta la siguiente ecuación: Cs + Hs + Os + Ns + Ss+ As = 100% Donde el índice “s” indica que la composición porcentual de los diferentes elementos está referida

a la masa seca. En lo que se refiere a los recursos energéticos del mundo (exceptuándose las reservas de madera y la hidroenergía), al combustible nuclear le corresponden el 95.6% y al combustible orgánico solo el 4.4% de las reservas generales. 48. ¿QUÉ ES COMBUSTIBLE CONVENCIONAL? El combustible convencional es un término comúnmente usado para describir los combustibles fósiles tales como el petróleo, el carbón y el gas natural, los cuales se formaron hace millones de años, a partir de restos orgánicos de plantas y animales muertos. Durante miles de años de evolución del planeta, los restos de seres que lo poblaron en sus distintas etapas se fueron depositando en el fondo de mares, lagos y otros cuerpos de agua. Allí fueron cubiertos por capa tras capa de sedimento. Fueron necesarios millones de años para que las reacciones químicas de descomposición y la presión ejercida por el peso de esas capas transformasen a esos restos orgánicos en gas, petróleo o carbón. Los combustibles convencionales o fósiles son recursos no renovables ya que no se reponen por procesos biológicos como por ejemplo la madera. En algún momento, se acabarán, y tal vez sea necesario disponer de millones de años de una evolución y descomposición similar para que vuelvan a aparecer. 49. ¿CÓMO SE OBTIENE LA COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LA MASA DE TRABAJO DE UN COMBUSTIBLE A PARTIR DE LA MASA ORGÁNICA DE DICHO COMBUSTIBLE? La determinación de la composición de la masa de trabajo del combustible por la composición de su masa carburante se realiza de acuerdo con la fórmula: t

C



c

C

100



( At W t ) 

100


Para el combustible que contiene gran cantidad de humedad (la turba, la leña, algunos desechos vegetales) en algunos casos es cómodo utilizar el concepto de masa seca, o sea caracterizar la composición de un combustible absolutamente seco por medio de la suma de sus elementos: S

C

,

H

S ,

O

S ,

N

S ,

S

S ,

A

S

En este caso C S  H S  O S , N S  S S  A S 100%

Donde el índice “s” indica que la composición porcentual de los diferentes elementos está referida a la masa seca. A una humedad del combustible de trabajo Wt, la fórmula de conversión del contenido porcentual de carbono, en la masa de trabajo al contenido porcentual de carbono en la masa seca, tiene el siguiente aspecto: C

S

t



C

100 100



W

t

50. ¿QUÉ VENTAJAS TIENE EL COMBUSTIBLE GASEOSO FRENTE AL COMBUSTIBLE LÍQUIDO Y SÓLIDO? La principal ventaja que poseen los combustibles gaseosos es que se encuentran ya listos y/o preparados para la realización del proceso de combustión, es decir solamente tienen que combinarse con la cantidad de aire necesaria (estequiometria) para la iniciación de este proceso que convierte la energía térmica en energía mecánica, pues como la combustión se realiza en la fase gaseosa no hay la necesidad de consumir trabajo en la preparación de este tipo de combustible, como ocurre en los casos de los combustibles líquidos que necesitan ser atomizados y en de los sólidos que hay que pulverizarlos. Otra ventaja radica en que los combustibles gaseosos arden a un no muy grande exceso de aire, formando productos de combustión completa sin humo ni hollín lo que lo hace menos contaminante que los demás tipos de combustibles. La formación de carbonilla o de cualquier sedimento sólido es casi nula por lo que la vida útil de los aceites lubricantes es mayor, además que no existe corrosión al no tener al azufre tanto como impureza como en los productos de la combustión. Los combustibles gaseosos son cómodos para transporte por gasoductos a grandes distancias y permite por los medios más sencillos realizar el quemado en instalaciones de los más diferentes diseños y potencias. 51. ¿QUÉ ES LA COMBUSTIÓN DEL COMBUSTIBLE? La combustión es una reacción química en la que un elemento combustible se combina con otro comburente (generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso), desprendiendo calor y produciendo un óxido; la combustión es una reacción exotérmica debido a que su descomposición en los elementos libera calor y luz. Los tipos más frecuentes de combustible son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrógeno. El producto de esas reacciones puede incluir monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y cenizas. El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como incineración. Para iniciar la combustión del butano es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada ignición o de inflamación.


52. MENCIONE LAS CONDICIONES DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA.     

Para que la mezcla aire combustible se de manera correcta se debe tener en cuenta que: Para la combustió n del carbono: (V0 oxígeno)’ = 0.0186 Ct Para la combustión del hidrógeno: (V0 oxígeno)’’ = 0.056Ht Para la combustión del azufre: (V0 oxígeno)’’’ = 0.007 St org + pir De oxígeno: (V0 oxígeno)’’’’ = 0.007Ot

Luego, la cantidad teórica sumaria de oxígeno, en m3, necesaria para la combustión completa de 1 kg de combustible es igual a: V0 oxígeno = (V 0 oxígeno)’ + (V0 oxígeno)’’ + (V0 oxígeno)’’’ – (V0 oxígeno)’’’’ El gasto teórico volúmico de aire para la combustión completa: (1/0.21 veces mayor que el gasto de oxígeno puro –m3/kg –). V0 aire = 0.0889 (C t + 0.375 S t org + pir) + 0.265Ht + 0.0333Ot  =

(V aire real/V0 aire teórico): coeficiente de exceso de aire.

Si queremos aprovechar toda la energía de un combustible es necesario que la combustión se realice en las mejores condiciones posibles. Hablaremos de la corrección en la realización de la combustión. Incluimos en la combustión la caldera, que es el lugar donde se produce la combustión. Para aprovechar bien la energía que se desprende en la reacción de oxidación de los elementos combustibles es necesario que se realice en las mejores condiciones posibles. Para ellos deberemos hacer que todo el carbono se transforme en CO2, que no haya inquemados sólidos o gaseosos, que no haya pérdidas de calor por la formación de inquemados, que el aire sea bien empleado en todo el proceso de combustión. Cumpliendo todos estos requisitos tendríamos la combustión completa. La caldera en este proceso es fundamental para la buena marcha del mismo; en general, todos los equipos empleados en la combustión van a ser importantes para la buena marcha de la misma. El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las cuestiones más importante es la de suministrar una cantidad exacta de oxigeno por unidad de peso del combustible para que se realice la combustión completa. Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire - combustible”, se debe dar el tiempo necesario para que la mezcla sea íntima y para que el combustible arda completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión. 53. ¿QUÉ ES EL COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE? Indica la relación entre el realmente introducido en la cámara de combustión y el aire necesario para quemar la totalidad del combustible que entra en esta. Se puede expresar como Exceso de Aire (EA) o como Coeficiente Lambda (λ), indicando si existe un exceso de aire en la combustión (mezcla pobre EA>0 o λ>1) o un defecto de aire (mezcla rica: EA<0 o λ<1). EN las formulas

siguientes, A0 y A1 representan los cocientes respectivos del aire realmente introducido y del aire estequiométrico por el caudal del combustible húmedo introducido, ambos en m3N/Kg


Merece la pena destacar que cada combustible requiere un exceso de aire diferente y que este depende en gran parte de la tecnología que se está utilizando. En las tecnologías actuales no se consigue una combustión ideal estequiométrica, de hecho, la realización de una combustión con el aire estequiométrico conlleva a la generación de inquemados, de modo que siempre se opera con cierto exceso de aire. 55. ¿EN QUÉ SE DIFERENCIA LA COMBUSTIÓN COMPLETA DE LA COMBUSTIÓN INCOMPLETA? La diferencia entre la combustión completa y la combustión incompleta es: Cuando una sustancia orgánica al reaccionar con el oxígeno el producto resultante es sólo CO2 (g) y H2O (l); esto es, la combustión completa se produce cuando el total del combustible reacciona con el oxígeno. La ecuación puede balancearse, los productos de esta combustión son solamente CO2, H2O, O2 y N2. Entonces la combustión se denomina completa o perfecta, cuando toda la parte combustible se ha oxidado al máximo, es decir, no quedan residuos de combustible sin quemar. Por otro lado una combustión se considera una combustión incompleta cuando parte del combustible no reacciona completamente por que el oxígeno no es suficiente. Cuando una sustancia orgánica reacciona con el oxígeno de manera incompleta formando además de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) otros subproductos de la combustión los cuales incluyen también hidrocarburos no quemados, como Carbono (C), Hidrógeno (H) y monóxido de carbono (CO). Esta reacción no puede ser balanceada. 56. ¿DE QUÉ ELEMENTOS CONSTA LA INSTALACIÓN DE CALDERAS? Una instalación de caldera consta de las unidades de caldera y de los dispositivos (aparatos) auxiliares. Unidad de caldera. Incluye la propia caldera, que es un intercambiador de calor. El sobrecalentador de vapor, el economizador acuoso, el calentador de aire, la estructura del hogar, así como el revestimiento, los ductos de gas, la armazón y los accesorios. La caldera de vapor: elemento principal de la unidad de caldera y es en sí un intercambiador de calor a través de cuya superficie metálica ocurre la transmisión de calor de los productos de la combustión del combustible al agua para la obtención de vapor saturado. La productividad de vapor de una caldera se determina por medio de la cantidad de kilogramos o de toneladas de vapor, producido en una hora, se simboliza por medio de la letra D y se mide en kg/h o ton/h o en kg/s. El sobrecalentador de vapor: El sobrecalentador es intercambiadores que tienen como objeto recalentar el vapor que ya ha hecho un cierto trabajo en la turbina, esta transferencia de calor aumenta Su energía y su volumen; es preferible recalentar y no tratar de elevar bastante la temperatura inicial debido a los inconvenientes de pérdidas térmicas y tecnología de materiales. El economizador acuoso: sirve para el calentamiento del agua de alimentación que entra en la caldera por medio del calor de los productos de la combustión. Y el hecho de elevar la temperatur a


del agua incrementa la eficiencia de la unidad al eliminar el uso del combustible adicional para esta operación. Economizadores y calentadores de aire: Está destinado para el calentamiento del aire que entra al hogar mediante el calor de los gases de escape. Para aprovechar la mayor cantidad posible del calor de los gases de combustión se acostumbra a instalar un equipo de recuperación en donde quiera que los ahorros en la operación de la caldera prometan la justificación de los costos de instalación. Un economizador no es más que un intercambiador de calor convenientemente colocado. Este instrumento funciona como un recuperador de calores residuales (también se puede usar el calor extraído por el condensador) y se llama economizador cuando calienta el agua de alimentación y se le denomina calentador de aire cuando calienta el aire para la combustión. El economizador permite aumentar la capacidad de una caldera ya instalada o reducir el tamaño de la caldera en su diseño. Se pueden obtener unos ahorros hasta del 1% por cada 16° C. su uso sólo se justifica si el costo del combustible es bajo, sí el trabajo de la unidad es por temporadas o si la unidad está diseñada como equipo auxiliar. Cámara de combustión: Espacio en la que se quemarán combustible propiamente dicho. Quemadores: Son los directos responsables de hacer la mezcla de aire combustible y por ende mantener la llama. Casco y soportes: Es el cuerpo, apoyo y aislante de la caldera y contiene todos los demás componentes. Haz de tubos: Estos son los verdaderos racimos de tubos y constituyen el punto real de intercambio de calor entre los humos de la combustión y el fluido a calentar ya sea esta agua o mercurio en el caso centrales termoeléctricas de altísimas presiones. Bafles para defección: Son láminas metálicas que se usan para alternar el sentido de flujo del fluido externa (agua o humos según sea el caso) y conseguir entonces una mejor eficiencia en el intercambio de calor, al ser los dos flujos perpendiculares. Dispositivo de preparación del combustible: dependiendo del combustible hay trituradoras, secadores, molinos, alimentadores y ventiladores. Dispositivo para la eliminación de la ceniza y escoria: consta de accesorios hidráulicos y mecanismos. Dispositivo para la preparación del agua de alimentación: Consta de las bombas de alimentación para el suministro de agua a la unidad de caldera bajo presión y de la tubería.


Dispositivo de tiro y soplado: se encarga del suministro de aire al hogar y del movimiento de los productos de la combustión en los tubos y en la salida de los mismos. Equipo de control térmico y de regulación: Consta de instrumentos de control y medición y automáticos, que aseguran el funcionamiento continuo y coordinado de diferentes elementos de la instalación de caldera para la generación de vapor de parámetros dados en la cantidad necesaria.

FIGURA. Instalación de caldera de baja productividad. Una idea general acerca de la estructura de la instalación de una caldera se puede apreciar en la figura 5, donde podemos observar los siguientes elementos: Vagoneta.

Rejilla.

Tolva.

Mecanismo de empuje de combustible.

Parrilla.

Hogar.

Caldera.

Sobrecalentado.

Tubo de sobrecalentado.

Tubo de vapor para el usuario.

Trampas de polvo y ceniza.

Economizador acuoso.

Tubo de agua de alimentación al economizador Calentador de aire. acuoso.


Ventilador.

Bomba de alimentación.

Chimenea.

Boca de chimenea.

Carril.

Manhall.

Solera.

Tolva de ceniza.

Tolva de escoria.

Vagoneta.

57. ¿CUÁL ES LA FUNCIÓN DEL SOBRECALENTADOR DE VAPOR? Los sobrecalentadores reciben el vapor saturado procedente del domo y tiene como función elevar la temperatura por encima de la T de saturación correspondiente a la presión que se encuentra este, es decir sobrecalentar el vapor. En los sobrecalentadores, el vapor sufre una pequeña caída de presión como consecuencia de la fricción que se opone a su flujo por los tubos que lo componen. El uso del vapor en un estado sobrecalentado es muy deseable, pues proporciona varias ventajas, entre otras: 1. Aumenta la eficiencia de las máquinas, especialmente de las turbinas, ya que las reciprocantes tienen limitado el sobrecalentamiento que admiten. 2. Limita la corrosión y las pérdidas térmicas en las tuberías conductoras, pues no se producen condensaciones de vapor. 3. Se elimina el peligro de que se produzcan golpes de agua en las máquinas, que pueden acarrear grandes consecuencias. 4. Si se opera en un ciclo de potencia, con aumentos de la temperatura se incrementa la eficiencia del ciclo. Los sobrecalentadores de vapor pueden colocarse en diferentes puntos de las calderas, pero siempre en una zona en que los gases estén a altas temperaturas. Las posiciones típicas de colocación son: a) Entre los haces de la caldera, generalmente detrás del primero; b) En la zona o eje convectivo detrás del festón; c) En el horno, entre las pantallas de agua o colgando del techo. Los sobrecalentadores de vapor, de acuerdo al modo de admisión de calor (transferencia de calor de los gases al vapor) se clasifican en 3 tipos: 1. Sobrecalentadores convectivos: son aquellos que reciben la gran mayoría de calor por convección pues dada la temperatura a la que se encuentran los gases cuando llegan a ellas, el calor que puede ser trasmitido por radiación es demasiado bajo. Estos se


encuentran colocados de tal forma que no ven en ningún momento las llamas del horno. Los sobrecalentadores convectivos pueden utilizarse en todos los tipos de calderas, desde las más pequeñas hasta las más grandes. 2. Sobrecalentadores radiantes: son aquellos que reciben la gran mayoría de calor por radiación pues están directamente expuestos a las llamas del horno, no obstante como los gases calientes también están en contacto con ellos, se transfiere un poco de calor por convección pero esto resulta insignificante. Los S. Radiantes pueden ser colocados de dos formas: colgando del techo o cubriendo las paredes del techo y del horno. 3. Sobrecalentadores mixtos: son los que reciben cantidad equivalente de calor por radiación y convección, para lograr esto se colocan inmediatos a la salida del horno, generalmente detrás del festón.

1- Sobrecalentador mixto vertical. 2- Sobrecalentador vertical.

convectivo

3- Sobrecalentador horizontal.

convectivo

4- Atemperador.

FIGURA 3. Sobrecalentadores convectivos en calderas radiantes. 58. ¿CUÁLES SON LAS FUNCIONES DEL ECONOMIZADOR ACUOSO Y DEL CALENTADOR DE AIRE? El economizador acuoso sirve para el calentamiento del agua de alimentación que entra a la caldera por medio del calor de los productos de la combustión, que salen de la caldera. El calentador de aire está destinado para el calentamiento de aire que entra al hogar mediante el calor de los gases de escape.


59. ¿CÓMO SE REALIZA EL TIRO EN LA INSTALACIÓN DE CALDERA? ¿CUÁLES PROCEDIMIENTOS DE TIRO CONOCE USTED? El tiro provee la presión diferencial en el hogar para asegurar el flujo de gases. Sin tiro, se producirá una estratificación en el proceso de combustión muere por falta de aire. El tiro empuja o impulsa el aire y los gases resultantes de la combustión a través de la caldera y por el interior de la chimenea. El tiro vence la resistencia al flujo presentada por las obstrucciones de tubos, paredes del hogar, bafles (directores), compuertas y revestimientos de chimenea (y también escoria). "El tiro natural" se produce por una chimenea por lo que la caldera evacua los gases. El aire frío admitido por el hogar (por medio de las compuertas de entrada) empuja para desplazar los gases calientes más ligeros del hogar (por diferencia de densidad). Así, los gases calientes suben (como los globos, por efecto chimenea) produciendo el tiro natural. El tiro mecánico se produce artificialmente por medio de ventiladores de tiro inducido (aspirado) o forzado (soplado). La chimenea es necesaria incluso en las instalaciones de tiro mecánico para ventilar los productos de combustión de manera que no sean dañinos para los alrededores. Los ventiladores de tiro inducido impulsan los productos de la combustión de una caldera y los dirigen a la chimenea para su descarga a la atmósfera. el ventilador de tiro forzado toma aire de la atmósfera y lo entrega a través de conductos y precalentadores de aire a los quemadores, e incluso los introduce directamente en el hogar, dependiendo del tamaño de la caldera y su disposición. Los ventiladores de tiro forzado producen alguna presión de aire y, si la envolvente de la caldera no es estanca, los gases del hogar pueden escapar a la sala de calderas a través de juntas o grietas no estancas. En las plantas calentadas por carbón, la sala de calderas puede comenzar a estar cubierta por carbón inquemado y cenizas. Esto puede ser una penalización para la operación con una presión positiva en el hogar (sobrepresión). En un hogar en depresión (presión negativa), el ventilador de tiro inducido crea unas condiciones de vacío parcial en el hogar y el aire atmosférico penetra en él a través de juntas defectuosas o grietas de la cubierta del hogar. Esto reduce la eficiencia o rendimiento de combustión introduciendo exceso de aire en el hogar. Para hacer menores los efectos de las fugas se usa el tiro equilibrado en los sistemas grandes de calderas; esto mantiene un ligero vacío en el hogar del orden de 0,1" (0,25 cm) vacío en columna de agua. El control automático de tiro es la regulación automática de ventiladores y compuertas para aumentar o disminuir el caudal de aire para mantener la presión del vapor constante en la caldera a medida que cambia la carga, y también para mantener buenas condiciones de combustión. Los dispositivos para controlar tiro, velocidad de ventilador y posición de compuerta frecuentemente emplean diagramas. Los cambios de aire o presión de vapor actúan los diafragmas sensibles para abrir o cerrar contactos eléctricos, válvulas accionadas por fluidos o válvulas de vapor que controlan la velocidad del ventilador o posición de la compuerta.

Esquemas de ventilador centrífugo curvado hacia atrás tiro forzado.


Trayectoria de las partículas sólidas golpeadas por los álabes de los ventiladores centrífugos para tiro inducidos. 60. ESCRIBA LA ECUACIÓN DEL BALANCE TÉRMICO DEL GRUPO DE CALDERA. ¿CUÁL PÉRDIDA EN EL BALANCE TIENE EL MAYOR VALOR? Qt  Qit = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 Ecuación del balance térmico de 1 kg o 1 m 3 de combustible quemado, donde: Qt: calor disponible de 1 kg de combustible sólido o líquido, o 1m 3 gaseoso, en condiciones normales. Qit: calor inferior de combustión del combustible. Q1: calor empleado útilmente en la caldera, en el sobrecalentador y en el economizador. Q2: pérdida de calor de los gases de escape. Q3: pérdida de calor debido a la combustión química incompleta. Q4: pérdida debido a la combustión mecánica incompleta del combustible. Q5: pérdida de calor por medio de todos los elementos de la unidad de caldera al medio circundante. Q6: pérdida con el calor físico de las escorias. La pérdida de mayor valor es la de Q 2 (gases de escape) ya que su porcentaje está entre 4 y 8% cuando se utilizan sobrecalentadores, economizadores y calentadores de aire, y aumentan del 8 al 30 % cuando no se utilizan. 61. ESCRIBA LA EXPRESIÓN PARA EL RENDIMIENTO DEL GRUPO DE CALDERA Es necesario definir con exactitud los valores de la eficiencia de la caldera. Y está definida por:

Además


La salida de calor Q out es definida como la suma de los flujos de vapor del sobrecalentador y recalentador con las respectivas diferencias de entalpía. Por ejemplo, la salida de calor de una caldera con un sobrecalentador SH y una estación de recalentamiento RH (usando agua de alimentación FW como agua rociada SW en el sobrecalentador y en recalentador) es

La entrada de calor es (simplificada)

Donde PCS es el poder calorífico superior del combustible utilizado. Ahora bien, para calcular Q p se debe calcular una serie de pérdidas producidas en el interior de la caldera por diferentes factores las cuales se muestran a continuación: 1. Pérdida debida a los gases secos o humos (kJ / kgcomb)

Donde,

2. Pérdidas debidas al agua procedente de la combustión del hidrógeno (kJ / kgcomb)

Donde,


3. Pérdidas debidas a la humedad del combustible (kJ / kgcomb)

Donde,

4. Pérdidas debidas al combustible sin quemar (kJ / kgcomb)

Donde,

5. Pérdidas de combustible sin consumir (kJ / kgcomb)

6. Pérdidas debidas a la humedad del aire suministrado (kJ / kgcomb)

Donde,

7. Pérdidas debidas a radiación y otras pérdidas (kJ / kgcomb)


Entonces Qp viene a ser la sumatoria de todas las pérdidas calculadas anteriormente y así de esta manera se procede a calcular la eficiencia de la caldera. 62. ¿QUÉ ES LA CAPACIDAD (PODER) DE VAPORIZACIÓN DEL COMBUSTIBLE? ¿CÓMO SE DETERMINA EL CONSUMO HORARIO DE COMBUSTIBLE? La capacidad de vaporización del combustible es un indicador importante de la calidad de un combustible líquido, ya que representa la capacidad de pasar al estado gaseoso. Está capacidad se caracteriza por las temperaturas a las cuales se evapora el 10, el 50 y el 90% del volumen del combustible y para las gasolinas se indica como la temperatura de fin de ebullición. La capacidad de vaporización identifica si un combustible es ligero o pesado. Un combustible ligero se refiere a la gasolina, ligroína y queroseno. Por ejemplo, la gasolina es un combustible ligero, su capacidad de vaporización del 10% de su volumen, según los Estándares de la URSS, ha de ser destilada a una temperatura no superior a los 70 y 55ºC, el 50% a 115 y 100ºC, el 90% a 180 y 160ºC y el fin de la ebullición no tiene que superar los 195 y 185ºC Consumo Horario del combustible, g e. g e

3600 

H u  e

 e   i M

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Pe = Pi – Pm g i

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63. ¿CUÁLES SON LAS CAUSAS DE LAS PÉRDIDAS Q4 POR IMPERFECCIÓN MECÁNICA DE LA COMBUSTIÓN Y Q 3 POR IMPERFECCIÓN QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN DEL COMBUSTIBLE? La pérdida q 4 es debida a la combustión mecánica incompleta del combustible. Esta pérdida es la suma de las pérdidas de calor con la escoria, con la que cae al foso y con el arrastre: Q4



Q4esc  Q4caida  Q4arr (1)

Estas pérdidas, sin embargo, es necesario considerarlas sólo cuando se emplea combustible de alto contenido de ceniza (ceniciento). Las pérdidas de calor debidas a la combustión mecánica incompleta dependen de la clase de combustible y de sus propiedades (poder aglutinante, cantidad de menudencias, composición te la masa carburante, desprendimiento de volátiles, calidad del coque, vusibilidad de la ceniza), del método de quemado, del tipo de hogar y de las condiciones de operación (de explotación). La pérdida de calor Q 3 debida a la combustión química incompleta del combustible, provocada por la presencia en los gases de humo que salen de la unidad de productos de la combustión incompleta (CO, H2, CH4, etc.) o sea de gases carburantes no combustionados (no quemados). 64. ¿DE QUÉ DEPENDE LA MAGNITUD DE LA PÉRDIDA DE CALOR CON LOS GASES DE HUMO DE ESCAPE? Dependen de la temperatura de los gases de escape y del coeficiente de exceso de aire α.

Además, estas pérdidas dependen del exceso de aire, que ingresa al hogar, y de las infiltraciones de aire a través de las estanqueidades de los pasos de gas de la unidad de caldera. 65. MENCIONE LOS MÉTODOS DE QUEMADO DE COMBUSTIBLE EN LOS HOGARES DE LAS CALDERAS Y EXPLIQUE BREVEMENTE LA ESENCIA DE CADA UNO DE ELLOS. En la técnica de hogar se suele emplear tres métodos principales de quemado de combustible sólido (Fig. 6): de capa, de dardo, y de turbulencia (turbulento). Cada uno de ellos tiene sus particularmente, referentes a los principios básicos de organización de los procesos aerodinámicos que se desarrollan en la cámara de hogar. Para el quemado de combust ible líquido y gaseoso se emplea sólo el método de dardo. Proceso de capa: (Fig. 6,a). Este proceso se realiza en los hogares de capa, que tiene varios diseñados (construcciones). El proceso de quemado de capa. Se caracteriza por el hecho de que en él la corriente de aire encuentra en su movimiento una capa de combustible inmóvil o que se mueve lentamente, e interactuando con ella, se convierte en una corriente o flujo de gases de hogar. Una importante particularidad de los hogares de capa es la presencia de una reserva de combustible en la parrilla, ligada con su gasto horario, lo que permite realizar la prim era regulación de la potencia del hogar sólo variando la cantidad de aire suministrado. La reserva de combustible en la parrilla asegura también determinada estabilidad del proceso de combustión.


En la técnica de hogar moderna el método de quemado de capa es obsoleto, pues sus diferentes esquemas y variantes son inadecuados o de difícil adaptación para las instalaciones energéticas grandes, para una completa mecanización del servicio del proceso y para el mando (dirección) completamente automático. Sin embargo, es de esperarse que los métodos de quemado de capa todavía largo tiempo se emplearan en calderas de la pequeña y media energética. Proceso de dardo: (Fig.6, b). A diferencia del de capa, este proceso se caracteriza por la continuidad del movimiento, en el espacio de hogar, de las partículas de combustible junto con la corriente de aire y de productos de la combustión, espacio en el cual ellas se encuentran en estado de suspensión. Para asegurar la estabilidad y homogeneidad del dardo ardiente, y por consiguiente, también de la corriente aerogaseosa con el combustible suspenso en ella, las partículas de combustible sólido se muelen hasta el estado de polvo, hasta dimensiones medidas en micrones (del 60 al 90% de todas la partículas miden menos de 90 micrones). El combustible líquido previamente se pulveriza en los inyectores en gotas muy diminutas, para que las gotitas no caigan de la corriente (del flujo) y alcancen a quemarse completamente en el breve tiempo que permanecen en el hogar. El combustible gaseoso se suministra al hogar por medio de los quemadores y no requiere especial preparación previa. Una particularidad de los hogares de dardo es la insignificante reserva de combustible en la cámara de hogar, por lo cual el proceso de combustión es inestable y sumamente sensible a la variación del régimen. Se puede regular la potencia del hogar sólo variando simultáneamente el suministro de combustible y de aire a la cámara de hogar. Las dificultades que se presentan en el caso del método de dardo de quemado de polvo de combustible sólido (desgaste, por acción de la ceniza, de las superficies de calentamiento y la obstrucción de éstas con la ceniza volátil, la escorificación en la cámara de hogar, insatisfactoria del volumen del hogar está ocupada por turbulencias parásitas), obligaron a buscar otros métodos de quemado del combustible y de organización del proceso de hogar. Como resultado del estudio de la base aerodinámica del proceso de hogar y de la organización durante su desarrollo de movimiento turbulento, fue realizado un nuevo principio turbulento de quemado de combustible. Proceso turbulento: (Fig. 6, c) En el método turbulento de quemado del combustible, en la cámara de combustión se crea un movimiento turbulento estable de la corriente de aire, junto con la cual forzadamente se mueve el combustible. En esta corriente aerogaseosa turbulenta organizadamente creada, las partículas de combustible, arrojadas por las fuerzas centrífugas hacia la periferia de la cámara de combustión, alcanzan a arder completamente. La creación de la corriente turbulenta en la cámara de combustión se logra mediante el movimiento giratorio del aire introducido. En el método turbulento de quemado del combustible, a diferencia del de dardo, el tiempo de combustión de las partículas grandes de carbón no está limitado por el tiempo de permanencia de los gases de hogar en la cámara de ciclón. La rotación de las partículas grandes de combustible con la corriente tiene lugar hasta tanto ellas no ardan completamente o no ardan hasta tales dimensiones que el flujo de gases pueda arrastrarlas a través del orificio de salida a los pasos de gas de la caldera. Por eso en los hogares turbulentos se puede quemar no sólo polvo de carbón, sino también carbón triturado ordinariamente de 5-6 mm y más. Puesto que el proceso turbulento permite el quemado de combustible con diferentes medidas de las fracciones, él ocupa una posición intermedia entre los procesos de capa y el proceso de dardo.


Figura 6. Esquemas de los procesos de quemado de combustible: a) de capa; b) de dardo; c) de turbulencia.

66. ¿QUÉ TIPOS DE HOGARES MECÁNICOS CONOCE USTED Y CUÁL ES EL CAMPO DE SU APLICACIÓN DE ACUERDO CON EL GÉNERO DEL COMBUSTIBLE Y LA PRODUCTIVIDAD DE VAPOR DE LA UNIDAD DE CALDERA? El hogar es el principal elemento de la unidad de caldera y sirve para quemar el combustible por el método más económico y para transformar la energía química de aquel en calor. En el hogar ocurren los fenómenos de combustión del combustible, la transmisión de parte del calor de los gases a la superficie de calentamiento que se encuentran en la zona de combustión y también la parte de recolección y captura determinante de residuos de hogar. En los hogares mecánicos de capa, la mecanización del proceso de hogar abraca el suministro del combustible, su desplazamiento a lo largo de las parrillas y eliminación de escoria a la tolva de escorias (parrillas de cadena) o los mismos procesos y complementariamente el atizaje mecanizado (parrillas inclinadas empujadoras y parrillas con listón de atizaje). La mecanización del proceso de hogar eleva considerablemente el rendimiento económico de la utilización del combustible, baja los gastos de la instalación de calderas y facilita el trabajo del fogonero. Hogar con parrilla de cadena: (fig. 7) Representa en sí una hoja sinfín con barrotes superpuestos, colocados sobre varillas transversales o sobre baos, los cuales están sujetos a dos o más cadenas. El esquema de una parrilla de cadena para el quemado de carbón se muestra en la figura 7. Hogar con parrilla de cadena ciega: Se utiliza para el quemado de carbones y se ilustra en la figura 8. La combustión en la parrilla de cadena es de fase, o sea, transcurre de tal manera que en cada momento de tiempo en la parrilla tiene lugar todas las fases de la combustión.


1. Cadena sinfín. 2. Ruedas dentadas. 3. Cojinetes en la bancada.

FIGURA. Esquema de una parrilla de cadena

4. Árboles.

FIGURA. Emparrillado de cadena. 1. Tolva de carga

2. Compuerta sectorial

3. Compuerta para regular el espesor de la capa de 4. Panel lateral combustible 5. Boca de horno

6. Bastidor de la parrilla

7. Polea conducida

8. Desalojador escoria

9. Tolva para sedimento

10. Canal entrada de aire

de

11. Estrella conductora Hogar de cuba y cadena: Este se muestra en la figura 10. Está destinado para el quemado de turba en pedazos con humedad de hasta 50% para calderas tanto de media como de gran potencia (hasta 200 ton/h). A diferencia de otro tipo de hogares de capa, los hogares con parrilla


de cadena sirven para el quemado de los más diversos combustibles: de los moderadamente húmedos y cenicientos, por ejemplo la turba, hasta aquellos como la antracita. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Hoja de la parrilla Entrada de aire Cuba Pantalla anterior Pantalla lateral Pantalla posterior Panel de enfriamiento Eliminador de escoria Soplador de zona

FIGURA Esquema de un hogar de cuba y cadena para turba en trozos Hogar con parrilla de listón de atizaje. Figura 11. Es también un ejemplo del diseño de hogar con movimiento forzado del combustible. El hogar con listón de atizaje se utiliza para el quemado de carbones pardos, así como de carbones de piedra con desprendimiento de volátiles mayor de 25% en unidades de caldera con productividad mayor de hasta 20 ton/h.

FIGURA. Hogar con parrilla con listón de atizaje. Varillas articuladas

Motor eléctrico

Palanca

Piñón cilíndrico y estrella

Reductor

Listón de atizaje


Cuba de encendido Hogar de parrilla de cadena para carbones y astillas de leña. Hogar de cuba y cadena para la turba en pedazos. Hogar de parrilla inclinada empujadora para carbones pardos. Hogares con suministro inferior del combustible. 67. ¿QUÉ COMBUSTIBLE SE QUEMA EN LOS HOGARES DE CÁMARA? En los hogares de cámara se queman todo tipo de combustibles aptos para la operación de generadores de vapor y estos pueden ser sólidos líquidos o gaseosos. En caso de que los combustibles sean sólidos, estos se desmenuzan previamente y se suministran por medio de la corriente de aire a la cámara donde arde en estado e suspensión. Los hogares de cámara presentan ventajas sustanciales con respecto a las cámaras de capa y radican en un mayor rendimiento económico, mejor flujo térmico, posibilidad de quemar cualquier tipo de combustible. Entre otras razones por las que este tipo de hogares han tenido una gran difusión. Los hogares de cámara son adecuados para trabajar con producciones superiores a las 15 – 20 ton/h. en cuanto a construcción el hogar de cámara se combina con la unidad de caldera en su conjunto. Lignitos, carbón lignitoso a carbón pardo: Se caracteriza por elevada humedad, alto desprendimiento de volátiles y un relativamente bajo calor de combustión. La mayor parte de los lignitos extraídos ingresa a las centrales termoeléctricas ubicadas en inmediaciones de los yacimientitos, pues en traslados distantes pueden autoencenderse. Hulla, carbón mineral o carbón de piedra: También se emplean en la energética, especialmente los de alto contenido de ceniza. La hulla de bajo contenido de ceniza y alto de calor de combustión y, en consecuencia, con poco peso por unidad de calor, es económicamente rentable consumirla donde falte combustible. Hulla de gas: Se emplea en la energética, por cuanto no son muy adecuadas para otros consumidores debido a su elevado contenido de azufre. Carbón de antracita: Se caracterizan por su alto contenido de carbono y bajo contenido de hidrógeno y volátiles. El papel de antracita como combustible energético paulatinamente baja debido a lo limitado de sus reservas. Mazut a fuel – oil: Es un producto residual de la destilación del petróleo. En la energética se utilizan los mazuts de alta viscosidad y de alto contenido de azufre (st>1%). El mazut de petróleo de alta capacidad no se emplea en la energética. Gas natural: Es un género de combustible de alta eficiencia. El elevado calor de combustión, la ausencia prácticamente de azufre y cenizas determinan su utilización ante todo para usos domésticos, calderas de calefacción y empresas industriales, ubicadas cerca de las ciudades y en las centrales térmicas de calorificación. Cuando aumenta el gasto de gas para las necesidades domésticas, incluso las centrales eléctricas urbanas pasan a consumir mazut (fuel - oil).


68. ¿QUÉ TIPOS DE MOLINOS SE EMPLEAR PARA LA TRITURACIÓN DEL COMBUSTIBLE? Los tipos de hogares de cámara para el quemado de dichos combustibles son:     

Hogar de cámara para polvo de carbón para caldera de dos tambores. Hogar de cuba y molino con eliminación de salida de escoria. Hogar para el quemado de turba fresada natural. Hogares de turbulencia o de ciclón (quema de combustible desmenuzado o polvo ordinario). Hogares para el quemado de combustible líquido.

69. ¿QUÉ TIPO DE MOLINOS SE EMPLEAN PARA LA TRITURACIÓN DEL COMBUSTIBLE? Existen tres tipos: De bolas de marcha lenta (18-25 rpm). Durante la rotación del tambor las bolas (diámetro de 30-40 mm) suben y luego caen, moliendo el combustible tanto por el efecto del choque como por la frotación. Se utilizan tanto en carbones duros y blandos, su desventaja radica en elevado gasto específico de energía eléctrica. El molino de un hogar de cuba-molino es de marcha rápida representa en si un cuerpo cilíndrico blindado interiormente, en el cual está ubicado el árbol-rotor giratorio con paletas batidoras oscilantes Molinos de martillos: Consta de un rotor y un cuerpo blindado por dentro. El rotor de molino está dotado de unos martillos batidores que están fijados en unos sujetadores de batidores de ebullición libre (pesos de los martillos 8Kg y gira 1000rpm). 70. ¿QUÉ PROCESOS CARACTERÍSTICOS TRANSCURREN EN LA UNIDAD DE CALDERA DURANTE LA TRANSFORMACIÓN EN ELLA DEL VAPOR SOBRECALENTADO? NOMBRE LAS SUPERFICIES DE CALENTAMIENTO, EN LAS CUALES OCURREN ESTOS PROCESOS. Los principales elementos de los procesos de producción de vapor en las instalaciones caldera son. La combustión del combustible, el intercambio de calor entre los productos de la combustión y el fluido motor y la formación de vapor. El fluido motor de partida para la obtención de vapor en una instalación de caldera es el agua, y el portador de energía inicial es el combustible. El calor de los productos de la combustión que se desprende durante el quemado del combustible se transmite a través de las superficies metálicas de los aparatos intercambiadores de calor al agua y al vapor. La superficie de calentamiento en las cuales ocurre este proceso es: Superficie de caldera de calentamiento, se llama al área de todas las superficies de las paredes metálicas, bañadas de un lado por los gases calientes, y del otro lado, por el fluido motor (por el agua a la mezcla vaporagua. La superficie de calentamiento se suele calcular del lado calentado por los gases. La superficie de calentamiento, que recibe calor, principalmente, por medio de radiación de la flama (llama) o de la capa ardiente de combustible, lleva el nombre de superficie de radiación. La superficie de radiación de calentamiento, que perciben calor exclusivamente por radiación de calor en el hogar, se llama pantallas de hogar. La superficie de calentamiento, a la cual se trasmiten el calor, principalmente, por el contacto con ella de los gases calientes en el movimiento, lleva el nombre de superficie convectiva.


71. DÉ EL ESQUEMA BÁSICO DE LA COMPOSICIÓN DEL EQUIPO DE UNA UNIDAD DE CALDERA. El término generador de vapor se utiliza para indicar una gran caldera con muchos componentes de la superficie de calefacción, como se muestra en la figura a continuación. Este comprende paredes tapizadas de tubos de agua, economizadores, supercalentadores, recalentadores y calentadores de aire. Incluye un equipo de combustión de combustibles (carbón, fuel o gas natural), sistemas de tiro, de descarga de gases o eliminación de ceniza, lo mismo que bucles de tratamiento de agua de alimentación en el circuito de suministro de agua.

Esquema básico de una caldera moderna

72. ¿CUÁL ES LA ESENCIA DEL PROCESO DE CIRCULACIÓN NATURAL EN LOS TUBOS DE LAS CALDERAS DE VAPOR? La circulación natural se debe a que el agua fría, más pesada, desplaza a la mezcla de vapor de agua caliente, que es más ligero. Esta circulación natural se realiza a costa de la diferencia de densidades del agua en los tubos descendentes y de la mezcla de vapor de agua en las pantallas y en los tubos evacuadores.


En un circuito simple de tubos de agua se forman burbujas de vapor en el lado que se ha calentado, la mezcla de agua y de vapor que se produce pesa menos que el agua más fría del lado que no se ha calentado, y es consecuentemente desplaza. En el tambor, las burbujas de vapor suben a la superficie del agua y el vapor es liberado para aprovechar su energía. 73. ¿EN QUÉ SE DIFERENCIA LAS CALDERAS DE CIRCULACIÓN NATURAL DE LAS CALDERAS DE CIRCULACIÓN ARTIFICIAL? La circulación natural se debe a que el agua fría, más pesado, desplaza a la mezcla de vapor y agua caliente que es más ligera. En el circuito simple de tubos de agua se forman burbujas de vapor en el lado que se ha calentado. La mezcla de agua y de vapor que se produce pesa menos que el agua más fría del lado que no se ha calentado, y es consecuentemente desplazada. En el tambor, las burbujas del vapor suben a la superficie del agua, y el vapor es liberado para aprovechar su energía. La circulación forzada, se da en una caldera por la utilización de una bomba de alimentación para forzar el agua en el circuito. Aquí, el peso del vapor que sale por uno de los extremos de los tubos del circuito es igual al peso del agua que se bombea por el otro extremo. Los tambores de agua y vapor no se necesitan, aunque algunos diseños usan un tambor, las ventajas de estas calderas es que soportan presiones elevadas. En este circuito el peso del agua y del vapor es casi igual al subir la presión. Si el vapor pesa tanto como el agua no hay presión de gravedad para producir circulación, y entonces se hace necesaria una bomba. 74. ¿CUÁLES TIPOS CONOCE DE CALDERAS DE BAJA, MEDIA Y GRAN PRODUCTIVIDAD DE VAPOR (POTENCIA)? Pequeñas: Son generadores de vapor de pequeños producciones y operaciones. Se instalan en empresa industriales pequeñas: tintorería, comedores, laboratorios, etc. Generalmente suministran vapor saturado. Producción

D < 20000 Kg/hr

Presión

P< 20 Kg/cm2

Dentro de esta clasificación se destacan: 

Caldera HRT. La caldera HRT, como se muestra en la figura 5, es una representación típica de las calderas pirotubulares. Para su instalación requieren la construcción del fogón y de la caja de humo con ladrillos refractarios y una estructura de vigas de acero para su soporte mediante tensores. Las calderas HRT fueron construidas para trabajar hasta presiones de 18 Kg/cm2 y producciones de hasta 7000 Kg/hr de vapor. Han sido desplazadas por escocesas que tienen mayor eficiencia.


Principales características de las HRT. Diámetro del casco: aprox 2000mm. Diámetro de los fluses: 76 a 102 mm. Espesor del casco: hasta 19 mm. Presión máxima: 18 Kg/cm 2.

FIGURA. Caldera HRT. a) Circulación de los gases; b) circulación del agua.



Caldera Escocesa. Es la caldera de tubos de fuego que se ha impuesto y en la actualidad es muy utilizada en pequeñas empresas industriales y centros donde se requiere la generación da bajas producciones de calor. Es construida de forma compacta, de tal manera que para su puesta en servicio sólo requiere la construcción de una simple cimentación y su interconexión con el sistema. Esta consiste en un casquete cilíndrico atravesado por fluses, pero su diferencia estriba en tener el fogón integrado dentro del propio casco, lo que reduce las pérdidas de calor y le incrementa su eficiencia.



Caldera de locomotora. La caldera para locomotora está especialmente diseñada para esta máquina; está compuesta por un casco atravesado por la fruslería como toda caldera de tubos de fuego, pero el fogón está formado por un enchaquetado de paredes de agua que la hace muy eficiente. La presión de operación no supera nunca los 20 Kg/cm2 y los fluses son por lo general de menos de 64 mm de diámetro. Puede operar con carbón y con fuel oíl, el agua puede ser no tratada pues los lodos se acumulan en lugares que no crean peligro.


Características de las calderas escocesas. Diámetro del casco: aprox 2000-3000mm. Diámetro de los fluses: 62 a 76 mm. Longitud del casco: 3000-6000 mm. Presión máxima: 18 Kg/cm2. Producción 8000

máxima:

Eficiencia: 75-80%.

FIGURA Calderas escocesas. Medianas: Tiene producciones de vapor intermedias al igual que sus presiones; pueden suministrar tanto vapor saturado como sobrecalentado. Se instalan en empresas industriales de importancia: centrales azucareros, fábrica de fertilizantes, etc. Producción

D = 20000 – 100000 Kg/Hr.

Presión

P = 20 – 100 Kg/cm2.



Caldera de tubos rectos. Tienen la característica de tener todos los tubos de su flusería rectos, sin que presenten ninguna curva. Por lo general son explotadas en el rango de 18 a 40 Kg/cm2, pudiendo llegar a generaciones de hasta 5000 Kg/Hr. Los tubos tienen una longitud aproximadamente de 6 m y sus diámetros oscilan entre los 76 y 101 mm. Los tubos se colocan de fila a fila alternadamente para incrementar la turbulencia de los gases y propiciar la transferencia de calor, además se les da una inclinación entre 5° y 15° para facilitar la circulación del agua. Este tipo de calderas presenta las siguientes ventajas:

1- La pérdida de tiro, resistencia del flujo de los gases, es baja. 2- Los tubos pueden limpiarse interiormente con gran facilidad. 3- Los tubos pueden remplazar con gran facilidad. 4- Su horno se adapta para la operación con cualquier combustible: sólido, líquido y gaseoso. 5- La caldera toma una pequeña altura.


FIGURA . Caldera de tubos rectos y domo longitudinal.



Caldera Velox. Es una caldera de circulación forzada. La cámara de combustión va forrada de con tubos verticales de unos 10 cm de diámetro que contienen agua. Cada uno de estos tubos contiene 3 tubos pequeños de 1 in de diámetro a través de los cuales circulan los gases de combustión a velocidades cercanas a los 250 m/s. Hasta el momento la presión de generación no ha excedido de los 50 Kg/cm2, pero se han hecho proyectos para 56 Kg/cm2 y 482°C.

Grandes: Son los de mayor producción de vapor, lo suministran siempre sobrecartando y en los máximos parámetros de presión y temperatura. Se instalan en las centrales termoeléctricas, reciben el nombre de radiantes. Producción

D > 100000 Kg/Hr

Presión

P > 100 Kg/cm2



Caldera La-Mont. Su característica sobresaliente es la circulación forzada a través de tubos hervidores. El ciclo de circulación y la disposición general esquemática se puede ver en la figura 8. Las condiciones de trabajo por lo que se refiere a la presión van de 120 a 180 Kg/cm2. La generación de vapor en algunos casos se encuentra en los rangos de 340000 a 650000 Kg/Hr.


FIGURA. Caldera Le-Mont. Sobre esta calificación, de acuerdo al tamaño, es bueno aclarar que la misma depende de cada país y de su nivel de desarrollo, pues como tal debe estar en función del equipamiento instalado. 76. ¿QUÉ ES PRESIÓN CRÍTICA Y VELOCIDAD CRÍTICA DEL FLUJO DE VAPOR? Presión crítica es la mínima presión que se debe aplicar para llevar a cabo la licuefacción a la temperatura crítica. Velocidad crítica es aquella velocidad por debajo de toda turbulencia es amortig uada por la acción de la viscosidad del fluido. 77. ¿CUÁL ES EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA ACTIVA? Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de aspiración. La principal turbina de acción es la Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se denomina inyector. 79. ¿CUÁL ES EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA REACTIVA? Turbinas de reacción: Son aquellas en el que el fluido sufre un cambio de presión considerable en su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presión superior a la atmosférica y a la salida de éste presenta una depresión. Se caracterizan por presentar una tubería de aspiración, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de fluido. Estas turbinas se pueden dividir atendiendo a la configuración de los álabes. Turbinas reactivas la cámara de conducción generalmente tiene forma de un espiral y proporciona una entrega uniforme del agua al distribuidor a lo largo de la circunferencia. Este tipo de turbina aprovecha la energía estática y dinámica del agua, emplean tanto la presión como la velocidad del agua. 80. ¿EN QUÉ SE DIFERENCIA UNA TURBINA DE CONDENSACIÓN DE UNA TURBINA DE CALORIFICACIÓN? Turbinas de condensación: son las de mayor tamaño, utilizadas en centrales térmicas. La presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a la condensación del vapor de salida. Turbinas de calorificación: se utilizan como expansoras para reducir la presión del vapor generando al mismo tiempo energía. Descargan el vapor a una presión aún elevada, para ser utilizado en procesos industriales.


81. ¿CUÁLES PROCEDIMIENTOS DE REGULACIÓN DE LA POTENCIA DE LA TURBINA EXISTEN? El elemento principal del sistema de regulación de una turbina de vapor es el regulador de velocidad, el cual reacciona ante la variación del número de revoluciones . En calidad de regulador de velocidad se puede utilizar el regulador centrífugo, cuyo árbol vertical se hace rotar por el árbol de la turbina por medio de una transmisión de tornillo sin fin. En la parte superior del árbol vertical del regulador penden dos pesas, cuyo desplazamiento bajo la acción de la fuerza centrífuga provoca el desplazamiento del acoplamiento del desplazamiento de las válvulas de vaciado en el ducto de aceite del sistema de regulación y con lo mismo provoca la variación de la presión del aceite, lo que determina el desplazamiento del distribuidor que controla el suministro de aceite al servomotor de aceite. El desplazamiento del servomotor de aceite provoca la variación de la apertura de las válvulas reguladoras y, en consecuencia, la variación del suministro de vapor a la turbina. La distribución de vapor suele ser de dos tipos: de estrangulador y de tobera. En la distribución de vapor de estrangulador la variación del suministro de vapor a la turbina se realiza a costa del entrecerramiento de la válvula de estrangulador, lo que lleva aparejada la estrangulación de vapor. La presión que se establece después de la válvula del estrangulador es proporcional a la admisión de vapor a la turbina. En la distrib ución de vapor de tobera el suministro de vapor se realiza a través de válvulas que se abren secuencialmente. Cuando las válvulas están abiertas completamente no hay estrangulación del vapor. Sin embargo, en apertura parcial de una de las válvulas el flujo de vapor que se pasa a través de ella, se somete a estrangulación. A pequeñas cargas en la zona de funcionamiento de la primera válvula se realiza ya regulación de estrangulación. En la distribución del vapor de tobera el primer escalón es regulador con admisión parcial de vapor. Al bajar el gasto de vapor la presión en la cámara del escalón regulador baja proporcionalmente al paso de vapor a través de los siguientes escalones y, en consecuencia, aumenta la caída térmica disponible en el escalón regulador. El rendimie nto del escalón regulador es menor que el rendimiento de los siguientes escalones y baja al disminuir la admisión de vapor. 82. ¿QUÉ INSTALACIONES SE DENOMINAN TÉRMICAS DE FUERZA? Las térmicas de fuerza o potencia, son las que transforman la energía térmica que se da en la combustión de un combustible para transformarla en un trabajo mecánico de se observa en el movimiento rotacional de un árbol (cigüeñal) en un motor térmico. Es el caso típico de los motores primarios como las turbinas de gas y de vapor, los M.C.I. De otra forma estas instalaciones convierten la energía calorífica en trabajo mecánico por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una “fuente” caliente y un “sumidero”

frío. El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o un líquido.

83. ¿CUÁL ES LA DIFERENCIA ENTRE UNA CENTRAL ELÉCTRICA DE CONDENSACIÓN Y UNA CENTRAL ELÉCTRICA DE CALORIFICACIÓN? La diferencia básica entre las centrales eléctricas de condensación y las centrales eléctricas de calorificación radica en que las centrales con instalación de condensación (CEC), con turbo grupos de vapor de condensación, suministran una sola especie de energía: energía eléctrica; en


cambio las centrales termoeléctricas de calorificación (CTEC), suministran a los consumidores exteriores energía eléctrica y energía calorífica con vapor o el agua caliente.

Esquema térmico de una central eléctrica de condensación elemental: GV generador de vapor, RV recalentador de vapor, T turbina, GE generador eléctrico, C condensador, BC bomba para condensado, BA bomba de alimentación.

a) b) Esquemas térmicos de las centrales termoeléctricas elementales: a) con turbinas de contrapresión T (C) y turbina de condensación T (cond) que funciona en paralelo: b) con turbina con toma y condensación del vapor T (CondT): CT consumidor térmico, BCR bomba de condensado de retorno del consumidor térmico, DC depósito de condensado, IRE instalación de reducción y enfriamiento. Puesto que una CTEC está vinculada con una empresa o una comarca de viviendas mediante las tuberías para vapor o agua caliente y su alargamiento exagerado proporciona las pérdidas de calor elevadas, las centrales de este tipo se sitúan por lo general directamente en el territorio de empresas, del macizo de viviendas o cerca de éstas. Al presente, presente, las centrales termoeléctricas termoeléctricas de condensación condensación se construyen construyen acorde con el principio de bloque. En las centrales termoeléctricas de calorificación se emplea tanto el esquema centralizado con comunicaciones transversales, como también el esquema de bloque. 84. ¿QUÉ ES CALORIFICACIÓN? El análisis de los procesos de transmisión de calor en las calderas, expuestos en los apartados precedentes demuestra que el calor de los productos de combustión se transmite de la siguiente


manera. De los gases fumígenos calientes, por radiación y contacto, se transmite a las paredes de uno u otro elemento del sistema de la caldera. Recibido por la superficie exterior de la pared, va por conductividad térmica a su superficie interior. Desde ésta, por contacto, al agua caliente o en ebullición o al vapor recalentado; y al aíre, en el precalentador. Por supuesto que la cantidad de calor transmitido en todo este recorrido permanece invariable, o sea las paredes de la superficie de calentamiento entregan al fluido motor tanto calor como han recibido de los gases. Esta cantidad de calor se expresa por la fórmula Q



kH (t g



t fm ) Kcal / h

Donde tg y t fm son las temperaturas de los gases de la combustión y del fluido motor, ºC; k es el coeficiente de calor, kcal/m 2.h.°C, que tiene en cuenta el de transmisión calorífica de los productos de combustión hacia la pared de la caldera y de esta última hacia el fluido motor, así como el coeficiente de conductividad térmica. La magnitud inversa al coeficiente de transmisión térmica, o sea 1/ k, se denomina coeficiente de resistencia térmica y se designa por la letra r. El coeficiente conjunto de resistencia a la transmisión transmisi ón calorífica desde los gases fumígenos al fluido fluid o motor, naturalmente, es igual a la suma de coeficientes de resistencia parciales: transmisión de calor de los gases fumígenos a la pared r 1 = 1/α; a través de la pared, r pared, y de la pared al fluido motor, r 2 = 1/ α2. De esta manera, el factor combinado de resistividad a la transmisión calorífica es

r = r1 + rpar rpared ed + r2 [°C. [°C.m2 m2.. h/kc h/kcalal],], o bien,

1/ k = 1/ α1 + 1/λ 1/λ + 1/ α2 [ºC. [ºC.m2 m2.. h/kc h/kcalal],], y la conductividad térmica,

k = 1/ 1/ α1 + 1/λ + 1/ α2 [kcal/ [kcal/m2h m2h.. °C]. °C]. De estas ecuaciones se deduce que cuanto mayor es el coeficiente de resistividad, tanto menor es el coeficiente de transmisión calorífica y más difíciles las condiciones de la última, ya que para la transmisión de una misma cantidad de calor con una gran resistencia se requiere gran diferencia de temperaturas o más superficie de calentamiento y menor grosor de las paredes.

85. ¿CÓMO SE REALIZA LA FISIÓN DEL NÚCLEO ATÓMICO DEL URANIO? En las centrales nucleares modernas se emplea en calidad de combustible nuclear el uranio U235, ósea uranio con un peso atómico de 235. El uranio natural que posee un peso atómico de 235 y no participa directamente en la reacción nuclear, contiene solamente 0,7% de U235 (precisamente el U235 se fisiona por medio de los neutrones lentos, es combustible nuclear). En el uranio enriquecido el contenido de U235 se lleva a hasta 3,5% lo que eleva el gasto en combustible nuclear. Además de la fisión nuclear de los núcleos con los neutrones tiene lugar la reacción de captura de los neutrones de U238. A resultas de cadenas de transformaciones de U238, se forma Pt239 un nuevo isótopo radioactivo que también se divide por los neutrones lentos y pueden servir de combustible nuclear.


Fisión del núcleo de Uranio

86. ¿PORQUÉ DURANTE LA FISIÓN DEL NÚCLEO DEL URANIO SE DESPRENDE CALOR? La fisión nuclear es la base del desarrollo de la energía nuclear, cuando un núcleo de uranio 235 es bombardeado con neutrones, aun de baja energía, se produce una violenta inestabilidad que hace que el núcleo se divida en dos fragmentos aproximadamente iguales. Una reacción nuclear en cadena es posible porque aparte de los dos fragmentos liberados se emiten neutrones y en este caso particular del uranio 235 los neutrones son suficientes como para causar una nueva fisión. El fenómeno de la fisión del uranio fue descubierto en Berlín por Hahn y Strassmann en 1939,que llevados por una evidencia químicas, como la producción de BARIO, sospecharon de la posibilidad de la división del núcleo de uranio en dos partes aproximadamente iguales, ellos comunicaron estos resultados a una colega, Lise Meitner que se escapa de Alemania a Suecia por las persecuciones, con su sobrino Otto Frisch discuten las implicaciones del experimento y prevén que unas de las consecuencias es la gran cantidad de energía liberada en el proceso de fision, Meitner y Frisch sugirieron que la energía liberada durante la reacción era del orden de 200 Mev.

Esquema del proceso de fisión de un átomo de uranio.

El núcleo de uranio 235 absorbe un neutrón térmico, produciéndose un núcleo de uranio 236, este núcleo se fisiona y se separa en dos fragmentos, además se emite dos neutrones estos


fragmentos son de Xe-140(Xenon) y de Sr-94(Estroncio). Cuando ocurre una fisión nuclear, además de la liberación de una gran cantidad de energía y la aparición de varias partículas, se producen algunos neutrones. Los neutrones producidos en la fisión tienen energía cinética grande, ya que su velocidad promedio aproximada es de 20.000 km/s, es decir casi un 7% de la velocidad de la luz. La cantidad de neutrones que se producen en la fisión no puede predecirse de antemano exactamente, ya que en algunas fisiones no se produce ninguno, mientras que en otras se producen uno, dos y hasta cinco o seis neutrones: la emisión de neutrones en una fisión nuclear es lo que se llama un proceso aleatorio o probabilístico. La cantidad promedio de neutrones que se produce en cada fisión inducida depende mucho de la velocidad del neutrón que la indujo. En promedio se producen 2,4 neutrones por cada fisión inducida por un neutrón "lento", es decir cuya velocidad es aproximadamente 2.200 m/s. Se podría estimar que, en promedio, cuando tienen lugar 1.000 fisiones se producen 2.400 neutrones. (El caso se parece a encontrar, por ejemplo, cuántos puntos totalizará un jugador en 1000 tiradas de un dado que tiene como máximo 6 puntos en una de sus caras: esto no se puede precisar con exactitud, pero seguramente el resultado no estará lejos de 3.500, ya que en promedio sacará 3,5 puntos por tirada.) 87. ¿CÓMO TRANSCURRE EL PROCESO DE TRABAJO EN UN REACTOR? En centrales atómicas la energía térmica que sirve para producir el vapor se desprende efectuándose la fisión de los núcleos que sufren los átomos de una materia que se llama combustible nuclear. En calidad del combustible nuclear sirve en lo fundamental el uranio natural enriquecido 238U en mezcla con uranio 235U. Los más dominados son reactores energéticos moderados y refrigerados por agua (reactores agua-agua). Un reactor semejante tiene cuerpo metálico en el que se sitúan unas cajas. Cada caja representa por si una camisa metálica en la cual se encuentran montadas unas barras cilíndricas. Esta últimas en su lugar están formadas por una vaina de paredes finas fabricada de zirconio y llena de uranio. Estas barras son elementos combustibles. A través del cuerpo del reactor, es decir, a través de las cajas con elementos combustibles se hace circular con ayuda de bombas un portador de calor (agua) que se calienta a cuenta del calor que se desprende como resultado de la reacción de desintegración del combustible nuclear. Los núcleos de los átomos de uranio 235U tienen la capacidad de fisionarse espontáneamente. Los fragmentos de desintegración vuelan a una velocidad enorme (2*104 Km/s). A costa de transformación de la energía cinética de estas partículas en energía térmica en los elementos combustibles se libera una gran cantidad de calor. Sólo los neutrones son capaces de atravesar la vaina metálica del elemento combustible. Al caer en los elementos combustibles vecinos aquellos provocan la fisión de los núcleos de 235U en éstos y proporcionan la reacción nuclear en cadena. El agua, siendo portador de calor, desempeña al mismo tiempo el papel del moderador de neutrones, puesto que los neutrones rápidos tieneN poca probabilidad de ser capturados por los núcleos de 235U. Para mantener la reacción en cadena se necesitan los neutrones moderados (térmicos), cuya velocidad no supera 2 Km/s. Precisamente, el papel doble del agua en un reactor energético moderado y refrigerado por agua (reactor agua-agua). Un reactor de esta índole se llama también reactor de neutrones térmicos (lentos). Las vasijas del reactor se usan para alojar los elementos de combustible en una planta nuclear donde tiene lugar la reacción en cadena de la fisión nuclear. Los elementos más comunes a la mayoría de tipos de reactor son vasijas o recipientes del reactor. (Véase la figura 9). Los reactores se clasifican generalmente según el tipo de refrigerante utilizado para extraer el calor de la reacción de fisión


nuclear. Los más comunes son el reactor de agua presurizada, el reactor de agua de ebullición, el reactor de agua pesada, el reactor refrigerado por gas y reactor refriger ado por un metal (sodio).

Fig Partes internas de los reactores. (a)Del tipo de agua en ebullición (BMR); b) Del tipo de agua presurizada (PWR). 88. ¿DE QUÉ ELEMENTOS CONSTA UNA INSTALACIÓN DE TURBINA GAS? Una instalación de turbina gas consta de: compresor de aire, turbina de gas, generador de corriente eléctrica, bomba de combustible, motor de arranque, cámara de combustión

Figura. Esquema de una instalación de turbina de gas


89. ¿POR QUÉ LAS INSTALACIONES DE TURBINA DE GAS SE EJECUTAN DE DOS ÁRBOLES? Las turbinas de gas de dos líneas de árboles en las que el compresor, la cámara de combustión y el grupo compresor-turbina forman una unidad generalmente llamada generador de gas, mientras que una segunda turbina montada en un árbol distinto recibe los gases calientes a presión expulsados por el generador de gas. Esta segunda turbina, llamada turbina libre o turbina de potencia útil, está unida a una máquina receptora, por ejemplo, compresor o bomba. Las turbinas de doble línea de árboles se utilizan normalmente cuando las variaciones de carga necesitan turbinas cuya potencia y régimen de rotación puedan variar. 91. ¿CÓMO TRANSCURRE EL PROCESO DE TRABAJO EN UNA INSTALACIÓN DE TURBINA DE GAS (ITG) CON GENERADOR DE ÉMBOLO DE GAS? El proceso de trabajo de una instalación de turbina de gas con generador de émbolo de gas se muestra en la figura__. El papel de compresor y simultáneamente de cámara de combustión lo desempeña el generador de gas de émbolos libres (GGEL), el cual por el principio de funcionamiento semeja un diesel de dos tiempos de elevada sobrealimentación con émbolos que se mueven en sentido contrario. Los émbolos (10) de los compresores durante el movimiento de encuentro comprimen el aire y lo expulsan de las cavidades (2) a través de las válvulas (4) al reservorio de barrido (11). De aquí a través de las lumbreras de barrido (6) el aire ingresa al cilindro “diesel” (9) al comienzo para el barrido, y luego para el llenado con carga fresca. Cuando

los émbolos (5) se aproximan y ocupan la posición casi extrema, al cilindro (9) a través del inyector (7) se inyecta combustible. Igual que en el diesel, el combustible se autoinflama por compresión. A causa de la expansión de los gases en el cilindro (9) durante la combustión del combustible los émbolos (5) comienzan a divergir hacia los lados contrarios. Entre tanto los émbolos (10), rígidamente unidos con los émbolos (5) comprimen el aire en las cavidades de amortiguación (1). Simultáneamente a través de las válvulas (3) se succiona aire atmosférico a las cavidades de compresión (2). Luego, tan pronto el émbolo (5) abre las lumbreras de escape (8), los gases del cilindro “diesel” (9) salen al reservorio de nivelación (12), y de aquí la mezcla de gases con el ai re de barrido a una temperatura de 720 K a 870 K se dirige a la turbina (13). La potencia desarr ollada por la turbina casi completamente se entrega al usuario. Para desplazar los émbolos de nuevo hacia su encuentro se utiliza la energía del aire comprimido que se halla en las cavidades de amortiguación (1). De tal manera se repite todo el proceso de trabajo.

Esquema básico de una instalación de turbina de gas con generador de gas de émbolos libres.


93. ENUMERE LAS PÉRDIDAS TÉRMICAS EN UNA TURBINA Y REPRESÉNTELAS EN EL DIAGRAMA I-S Todas las pérdidas que se presentan en una turbina se pueden dividir en 2 grupos: Pérdidas internas: son las que influyen directamente en la variación del estado del fluido motor durante su expansión en la turbina. Se dan en las siguientes partes:  Las válvulas.  Las toberas.  Los alabes motrices.  Con la velocidad de salida.  Por rozamiento de los discos, por ventilación y por extracción.  A través de las holguras internas en las turbinas activas.  A través de las holguras internas en las turbinas reactivas.  Por humedad del vapor.  El tubo de escape. Pérdidas externas: Las cuales no influyen en la variación del estado del fluido motor durante su expansión en la turbina. Pérdidas internas Pérdidas en las válvulas: El paso del vapor a través de las válvulas de cierre y reguladoras llevan aparejadas pérdidas de presión, es decir está ligada con la estrangulación del vapor. Se puede asumir que durante la estrangulación del vapor su entalpía antes y después de la válvula no varía, es decir i0=constante. Debido a la estrangulación inicial disminuye el salto térmico disponible en la turbina, o sea aparecen pérdidas de calor debido a la estrangulación: Debido a la estrangulación inicial disminuye el salto térmico disponible en la turbina, o sea aparecen pérdidas de calor debido a la estrangulación: ΔHV = H0 – ΔHt.e

En las turbinas de presión media, dichas pérdidas con las válvulas totalmente abiertas pueden constituir hasta 5% de la presión del vapor fresco. En las turbinas de vapor modernas debido al empleo de válvulas reguladoras aerodinámicas se logra disminuir las pérdidas de presión hasta 3% P0 y menores. En los cálculos se recomienda adoptar las pérdidas de presión a la estrangulación: ΔPV = (0.03 – 0.05)*P0


Diagrama i-s. Pérdidas térmicas en la entrada a la turbina en las etapas de la turbina y en el tubo de escape.

Pérdidas en las toberas: estas pérdidas de energía cinética del vapor aparecen durante el contorneo de los perfiles a costa de las pérdidas durante el ingreso del fluido motor a las toberas, también debido al rozamiento de las partículas con las paredes de las toberas y entre sí, al giro del chorro, por el crecimiento de la capa límite, debido a los movimientos turbulentos en la traza de borde después de las toberas y por las pérdidas extremas en las paredes frontales. Las pérdidas de velocidad de flujo se toman en cuenta por medio de los coeficientes de velocidad φ, dicha magnitud correspondiente depende de las medidas del canal de tobera (longitud, altura y radio de curvatura), del estado de la superficie de las paredes de la tobera, de la velocidad del fluido motor y de la forma del canal. Al disminuir la altura de la tobera disminuye el valor de φ.

Tipos de toberas Toberas ordinariamente fundidas Toberas cuidadosamente fundidas Toberas ordinariamente fresadas

Coeficiente de velocidad φ 0.93 – 0.94 0.95 – 0.96

0.96 – 0.975

Para la evaluación de φ en el cálculo de las toberas se recomienda aplicar la figura a continuación.


Coeficiente de velocidad φ para álabes de toberas con canales convergentes en dependencia de la altura

l de la tobera.

Las magnitudes de las pérdidas de energía en las toberas se determinan por medio de la ecuación: Para C0>0

Para C0=0

Proceso térmico en los álabes del escalón considerándole las pérdidas en el diagrama i-s.

Pérdidas en los álabes motrices: las pérdidas sumarias de energía en los álabes se toman en cuenta por medio del coeficiente de velocidad φ. Para álabes con reacción moderada ρ = 0.06 – 0.12ψ se adopta en (1.5 – 2) % mayor que φ para los álabes activos, para los álabes reactivos ρ= 0.5 se puede adoptar ψ = 0.96 – 0.97. Las pérdidas en unidades térmicas se determinan:

Donde w21/2000 es la energía cinética de 1 kg de vapor en la entrada de los álabes motrices kJ/kg. w22/2000 Es la energía cinética de 1 kg de vapor en la salida de los álabes motrices kJ/kg. W2t = velocidad relativa teórica del flujo en la salida de los álabes motrices sin tomar en cuenta las pérdidas hal. De la figura que se muestra debajo, se puede tomar el término




Coeficiente de velocidad para álabes motrices de turbinas en dependencia de la altura l l para álabes de diferente curvatura.

Para disminuir las pérdidas en los álabes motrices es necesario escoger correctamente la correlación de medidas: del paso t 1, del radio de curvatura r, del perfil del álabe y de los ángulos de entrada β 1 y salida β2. según BRILLING el paso más ventajoso es:

Pérdidas externas Pérdidas mecánicas: estas pérdidas están condicionadas por el gasto de parte de la energía para superar las resistencias en los cojinetes de apoyo y de empuje, incluyéndose los cojinetes de apoyo del generador o de otra máquina acoplada con el árbol de la tur bina, para el accionamiento del sistema de regulación y de la bomba de aceite principal. Las pérdidas mecánicas en la unidad o conjunto de turbinas se toman en cuenta por medio del rendimiento mecánico η m, y la suma de las pérdidas mecánicas se puede determinar experimentalmente. En los cálcu los se puede utilizar curvas de η m que dan idea acerca de la magnitud media del rendimiento mecánico de turbinas de diferente potencia. Pérdidas por fugas a través de las empaquetaduras extremas del árbol: en la turbina de vapor parte del vapor de la turbina fluye hacia fuera a través de las empaquetaduras del árbol. En la turbina de vapor de condensación, a fin de evitar la succión de aire al condensador, hacia las empaquetaduras de laberinto del árbol del lado del vapor de desecho se suministra vapor con presión un tanto mayor que la atmosférica. 94. DESCRIBA EL ESQUEMA TÉRMICO BÁSICO DE UNA INSTALACIÓN DE TURBINA CON TOMAS REGENERATIVAS DE VAPOR Y DESAIREADOR Y REPRESENTE SU PROCESO TÉRMICO EN EL DIAGRAMA I-S. Para elevar la economía de las instalaciones de turbina de vapor se emplea recalentamiento regenerativo del agua de alimentación. La organización de las tomas de vapor para regeneración del agua de alimentación ejerce influencia en la construcción de la turbina de vapor y en las medidas de su parte corriente. El empleo de precalentamiento regenerativo del agua de alimentación eleva el rendimiento del ciclo de la instalación de turbina de vapor ITV. En las turbinas de vapor modernas de alta presión se prevén varias (entre 5 – 7) tomas de vapor de las etapas intermedias. Las turbinas de presión super alta y supercrítica el número de tales tomas alcanza 8 y hasta 9. El vapor tomado de las etapas intermedias de las turbinas suele ingresar a los precalentadores, donde se condensa y sede su calor para el calentamiento del agua de alimentación. En las turbinas de presión media el número de tomas constituye entre 2 y 4.


Analizaremos el esquema térmico básico de una instalación de turbina de 2 tomas de vapor, la cual utiliza un calentador cerrado para la etapa de alta y uno abierto para la etapa de baja. La potencia de la turbina y los parámetros del vapor fresco en el cálculo y en el diseño siempre son conocidos. La presión del vapor de desecho es establecida por la fábrica en base a su experiencia y a los requisitos en cuanto a economía presentados a la turbina en correspondencia con la temperatura del agua de enfriamiento que ingresa al condensador.

Esquema de los equipos de un ciclo regenerativo con recalentamiento con un cal entador abierto y uno cerrado.

Diagrama T-s del ciclo regenerativo con recalentamiento.

99. ¿QUÉ TIPOS CARACTERÍCELOS.

DE

CONDENSADORES

CONOCE

USTED?

DESCRÍBALOS,

Los condensadores se diferencian por toda una serie de particularidades constructivas. De acuerdo con el curso del agua de circulación y los condensadores suelen ser de una, de dos, de


tres, y de cuatro vías (pasos, corrientes). En los condensadores de 2 vías el torrente de agua de circulación cambia la dirección (el sentido) en 180 ° en una de las cámaras acuosas. En los condensadores de tres y de cuatro vías el agua de enfriamiento cambia dirección (sentido) en ambas cámaras acuosas. De acuerdo con el tipo los condensadores se ejecutan sencillos y dobles. Los condensadores dobles, además de tabiques horizontales en las cámaras acuosas tienen también tabiques verticales, que dividen el flujo de agua de enfriamiento en dos flujos paralelos autónomos. La principal ventaja de los condensadores dobles consiste en la posibilidad de limpiarlos durante el funcionamiento de la turbina (en este caso la potencia de la turbina y disminuye más o menos en la mitad). Los condensadores se distinguen también de acuerdo con el curso de vapor y con la succión del aire. En la figura se muestran los esquemas básicos de algunos condensadores.

Esquemas de Condensadores.

En el condensador con flujo ascendente del vapor (a), el vapor de desecho de la turbina se dirige a su parte inferior. La succión del aire (de la mezcla de vapor y aire) está prevista en la parte superior del condensador. En la cámara de succión se forma rarefacción más profunda, lo que condiciona el movimiento del vapor de abajo hacia arriba y su condensación al contactar con los tubos condensadores fríos, a través de los cuales circula el agua de enfriamiento. Del condensador con flujo central de vapor (b) la succión de la mezcla de vapor-aire se efectúa a través del tubo agujereado, instalado en la parte central y a lo largo del condensador. El vapor de desecho de la turbina ingresa (c). La mezcla de vapor-aire se succiona de los tubos laterales. Para cualquier tipo de condensador el movimiento del flujo de vapor ocurre en dirección hacia la supresión de la mezcla de vapor- aire, es decir en el sentido de la profundización de la rarefacción. 100. ¿QUÉ PÉRDIDAS TIENEN LUGAR EN UNA INSTALACIÓN DE TURBINAS A GAS (ITG) Y DE QUE DEPENDEN? En una ITG real se obtiene una serie de pérdidas, que se dividen en internas y externas. Las pérdidas internas están ligadas directamente con la variación del estado del fluido motor; a estas se relacionan: Pérdidas internas en el compresor que se toman en cuenta por medio del rendimiento interno del compresor (adiabático) ( ηk) 


Pérdidas internas en la turbina de gas que se toman en consideración por medio del rendimiento relativo interno de la turbina ( ηoi) 

Pérdidas de calor en la cámara de combustión que se toman en cuenta por medio del rendimiento térmico de la cámara de combustión ( ηtcc) 

Pérdidas por resistencia hidráulica en el tracto de aire de la ITG, entre las que se consideran las pérdidas hidráulicas en los aeroductos, en el regenerador y el enfriador de aire. 

Pérdidas por resistencia hidráulica en el tracto de gas de la ITG, que incluyen las perdidas hidráulicas en los gasoductos, en la cámara de combustión y en el regenerador. 

Pérdidas ligadas con el gasto de aire para el enfriamiento de las piezas de la turbina (alabes, discos, etc.). 

Las pérdidas internas en la ITG se evalúan en su conjunto por medio del rendimiento interno de la instalación

donde ηi Trabajo útil interno de la ITG (kJ/kg)

qcc= Cantidad real de calor gastado en la cámara de combustión para el calentamiento de 1 kg de aire de la temperatura T 4 a la Ti en kJ/kg

Las perdidas externas en la ITG no influyen directamente sobre el estado del fluido motor. Entre ellas se relacionan: 

Las pérdidas por rozamiento en los cojinetes de la turbina y el compresor.



Perdidas en la transmisión dentada (si la hay).

Perdidas debidas a las fugas (infiltraciones) de gas a través de las empaquetaduras extremas del árbol. 

Los gastos de energía para el accionamiento de mecanismos auxiliares (de las bombas de combustible, de aceite y del regulador, etc.). 

Las perdidas internas se toman en consideración por medio del rendimiento mecánico de la instalación:

Donde: le es trabajo efectivo de la TIG (kJ/kg).


lm es la suma de las perdidas externas de energía referidas a 1 kg de aire. Las perdidas internas y externas en la ITG se toman en cuenta en su conjunto por medio del rendimiento efectivo de la instalación; el cual es igual a la relación del trabajo efectivo a la cantidad real de calor gastada en el calentamiento de 1 kg de aire en la cámara de combustión:

101. ¿QUÉ ES EL GRADO DE REGENERACIÓN, DE QUÉ DEPENDE Y CÓMO E DETERMINA SU MAGNITUD EN UNA ITG? El grado de regeneración es la relación de la cantidad de calor, realmente transmitido al aire en el regenerador, a aquella cantidad de calor que podría ser transmitida en el calentamiento del aire hasta la temperatura de los gases que salen de la turbina. Para determinar su magnitud, hay que primero tener en cuenta el diagrama T-s con regeneración:

Diagrama T-s con regeneración

El área rayada a-4-5-b representa en el diagrama la cantidad de calor q 1, recibido por 1 kg de aire en el regenerador, y el área d-6-2-e representa la cantidad de calor cedido por 1 kg de gas al aire. En el calor de los gases de desecho de la turbina se utilizaría completamente en el caso de que el aire en el regenerador se pudiera calentar hasta T 2, es decir hasta la temperatura con la cual el gas sale de la turbina. Esta cantidad de calor q 2 en el diagrama T-s se puede representar por medio del área a-4- 5’-c, donde ′  . A partir de la relación   , se tiene que:

 ≈

 = 

 ⁄ = 

Donde R es el grado de regeneración. 102. DESCRIBA EL ESQUEMA Y EL CICLO DE UNA ITG CON COMPRESIÓN BIESCALONADA Y ENFRIAMIENTO INTERMEDIO DEL AIRE Y CALENTAMIENTO BIESCALONADO DEL GAS? En La siguiente figura se muestra el esquema y el ciclo de una ITG con compresión bisescalonada del aire y con regeneración. El aire atmosférico se succiona al compresor K1 y se comprime hasta la presión p*; su temperatura durante esto aumenta de T3 a T4*. Luego el aire se dirige al enfriador de aire EA, donde se enfría a presión constante hasta la temperatura T3*, y luego ingresa al compresor K2, el cual se comprime hasta la presión p4; su temperatura se eleva hasta


T4. Después de esto, el aire pasa por el regenerador R, donde se calienta T4 a T5 e ingresa a la cámara de combustión CC. Los productos de la combustión de la CC a temperatura T1 y presión p1 se dirigen a la turbina T, y después de la expansión en ella hasta p2, t2, a través del regenerador R salen a la atmósfera. En el diagrama T-s el proceso de compresión de aire en el compresor K1, considerándose las pérdidas internas, se representa por medio de la línea 3-4*, y en el compresor K2 se representa por la línea 3*-4. El enfriamiento del aire en el enfriador de aire se expresa por la línea 3*-4*. Todos los restantes procesos se realizan del mismo modo que en una ITG con regeneración.

Esquema y ciclo de una ITG con compresión biescalonada del aire y con regeneración.

103. ¿QUÉ SE LOGRA MEDIANTE UNA COMPRESIÓN ESCALONADA DEL AIRE Y EL ENFRIAMIENTO INTERMEDIO? Mediante la compresión escalonada del aire y su interenfriamiento se logra disminuir el trabajo gastado en la compresión, ya que se está tratando de aproximar el proceso al isotérmico. De esto se puede deducir que entre más escalones haya en la compresión, el trabajo gastado es menor, y el proceso se acerca más al isotérmico, pero esto aumenta la complejidad de la instalación y a la vez, aumentan las pérdidas y en él, lo que hace que disminuya el rendimiento de la ITG. El número de escalones recomendados para una instalación de turbina de gas es dos. El enfriamiento intermedio, es el que provoca que el trabajo en la compresión disminuya, esto se puede ver en el diagrama en diagrama P-v adjunto, ya que el enfriamiento intermedio, disminuye la entropía del aire, y a la vez aumenta la densidad de este, haciendo que aumente el flujo de aire en la parte corriente de la turbina, lo que provoca que llegue suficiente aire a la cámara de combustión. De la comparación de las curvas se ve que al introducirse enfriamiento intermedio el rendimiento de la instalación se eleva, tanto más cuanto mayor es la relación de regeneración. Además, el análisis de la ecuación debajo muestra que la introducción del enfriamiento intermedio provoca un considerable aumento de la relación óptima de elevación de la presión y una disminución del gasto específico de gas en la instalación. A resultas de ello se crean condiciones para elevar la potencia unitaria de la ITG.


104. ¿QUÉ ES LO QUE SIRVE DE TOPE A LA POTENCIA UNITARIA LIBRE DE UNA ITG DE TIPO ABIERTO? Con el fin de aumentar la potencia, y también la eficiencia de las ITG abiertas se emplean esquemas complejos y multiárboles, en los cuales se realizan la compresión escalonada del aire, el calentamiento escalonado del gas, la regeneración, etc. A su vez, la potencia de estas ITG se limita por la capacidad de paso del compresor, para lo cual la compresión escalonada el límite lo pondrá el compresor de baja presión. 105. ¿QUÉ SE LOGRA MEDIANTE EL CALENTAMIENTO INTERMEDIO DEL GAS EN UNA ITG? Al emplearse emplearse el calentamie calentamiento nto intermedio intermedio del gas, en comparación comparación con el rendimiento rendimiento de una una ITG sencilla, se puede observar que se eleva el rendimiento de la instalación, sobre todo a grandes relaciones de regeneración R. Además, el calentamiento intermedio provoca un fuerte aumento de la relación óptima de elevación de presión en el compresor y una disminución del gasto específico del gas. Se evidencia también que, cuanto mayor es el número de escalones de calentamiento, tanto más se aproxima el proceso de expansión al isotérmico. 106.

INDIQUE MÉTODOS DE ELEVACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UNA ITG.

Existe una serie de métodos para elevar la eficiencia (la economía) de una ITG: 1) A costa del empleo de la regeneración (recuperación) del calor de los gases de desecho de la turbina 2) Por medio de la compresión escalonada del aire con su enfriamiento intermedio. 3) Con ayuda del empleo de la combustión escalonada escalonada (calentamiento del gas) 4) Por medio de la creación de instalaciones complejas y de múltiples árboles, lo que permite elevar la eficiencia de la ITG, especialmente en el funcionamiento a cargas parciales 5) Por medio de la creación de instalaciones combinadas, que funcionan de acuerdo con el ciclo de vapor-gas y con cámaras de combustión de émbolos 107. DESCRIBA EL ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN DE GAS-VAPOR CON GENERADOR DE VAPOR DE ALTA PRESIÓN. En la figura se muestra el esquema básico de la instalación de vapor-gas IVG – 200-130 con potencia de 200MW. Ella consta del siguiente equipo principal: El generador de vapor de elevada presión LC con productividad de 450-500 T/h de vapor con presión de hasta 137 bar y temperatura de 570/570oC; La turbina de vapor 16, para parámetros del vapor de 127,5 bar y 565/565oC; El conjunto o unidad de turbina de gas 2 con potencia de 35-50 MW para parámetros del gas de 6,38 bar y 770oC.


La turbina de vapor funciona en conjunto con el generador eléctrico 15 con potencia de 165 MW. La turbina de gas 2 hace girar el compresor L, y la potencia de exceso la cede al generador eléctrico 3.

Esquema básico de la instalación-gas IVG-200-130.

La instalación funciona de la siguiente manera. El aire atmosférico se comprime en el compresor 1 hasta la presión de 5,9-6,87 bar y se envía al generador de vapor 10, a donde se suministra combustible gaseoso o líquido. El combustible arde en el generador de vapor a la temperatura de unos 2300 K, y en la salida de él la temperatura de los productos de la combustión baja hasta 1040 K. Esto ocurre, como en cualquier caldera a costa de la transmisión de calor para el calentamiento del agua y la producción de vapor. El vapor sobrecalentado obtenido en el generador de vapor 10 con P0 =127.5 bar y T0= 838k ingresa a la turbina de vapor 16 donde, expandiéndose hasta el vació profundo, realiza trabajo y luego se condensa en el condensador 14. el condensado se envía por medio de la bomba 13 a través de los calentadores regenerativos de vapor de baja presión 12 y 7 y del economizador del tercer escalón 6 al desaireador 11, donde a la presión de 5.9 bar tiene lugar la desaireación del agua. Del desaireador el agua se toma por medio de la bomba de alimentación 8, se trasiega a través del calentador regenerativo de alta presión 9 y de los economizadores del segundo escalón 5 y del primer escalón 4, donde se calienta hasta la temperatura de ebullición y luego se suministra al generador de vapor 10. De tal manera se cierra el ciclo de vapor. La parte de turbina de gas de la instalación funciona de acuerdo con el principio de la ITG abierta. Los productos de la combustión con T1= 1040K del generador de vapor 10 ingresan a la turbina de gas 2 y se expanden allí. Una vez que se han agotado (que han trabajado) en la turbina, ellos pasan a través de los economizadores 4, 5 y 6, donde se enfrían por medio del agua de alimentación alimentació n hasta la temperatura de aproximadamente 410 K y luego se expulsan a la atmósfera. 108 ¿POR QUÉ UNA INSTALACIÓN DE VAPOR-GAS TIENE MAYOR RENDIMIENTO QUE LAS INSTALACIONES DE TURBINA DE VAPOR Y DE TURBINA DE GAS? Las instalaciones de vapor-gas del tipo examinado en comparación con las instalaciones de vapor de fuerza de igual potencia y con los mismos parámetros del vapor permiten bajar el gasto de combustible en 6-8%. El ciclo de vapor-gas, desde el punto de vista de la termodinámica, representa en sí un ciclo binario, compuesto de los escalones o etapas de gas y de vapor. Puesto que en escalón de gas se utiliza una temperatura más elevada del fluido motor (970-1100°K) que en las instalaciones de vapor de fuerza (840-920°K), el nivel de temperatura medio de entrada del calor en el ciclo de vapor-gas será más elevado en comparación con el ciclo de vapor. Al


mismo tiempo el escalón de vapor en el ciclo de vapor-gas permite en determinado grado utilizar las ventajas del ciclo d vapor, en el cual el nivel de temperatura de salida del calor al intercambiador de calor es cercano a la temperatura del medio circundante. Por eso el rendimiento de una instalación de vapor-gas será más elevado que el rendimiento de las instalaciones de vapor y de gas tomadas por separado. 109. DESCRIBA EL ESQUEMA DE UNA ITG DE TIPO CERRADO. INDIQUE SUS VENTAJAS, DESVENTAJAS, CAMPOS DE EMPLEO Y PERSPECTIVAS DE DESARROLLO. El esquema básico de una ITG cerrada se muestra en la figura. Como se puede ver, el gas desechado en la turbina 3 después del regenerador 12 no se expulsa a la atmósfera, como en la ITG de tipo abierto; sino que se envía al enfriador 4. Allí él se enfría hasta la temperatura inicial del ciclo T 1; entre tanto su presión baja hasta p 1. El enfriador 4 representa en sí un intercambiador térmico de tipo superficial, en el cual agua común y corriente sirve de medio enfriador. Desde el punto de vista de la termodinámica, el enfriador 4 desempeña el papel de receptor de calor. El gas enfriado ingresa luego al compresor 5, donde se comprime desde la presión p 1 hasta la presión p 2, a costa de lo cual su temperatura se eleva de T 1 a T 2. Después del compresor 5 el gas se dirige al regenerador 12, en el cual se calienta hasta la temperatura T 3; su presión, debido a las pérdidas hidráulicas, bajo un tanto desde p 2 hasta p3. En las ITG cerradas en lugar de cámara de combustión se instala el calentador 1, en el cual el fluido motor (gas o aire) pasa dentro de los tubos. Por fuera estos tubos se calientan a costa del calor que se desprende durante la combustión del combustible en el hogar de las calderas de vapor. Gracias a la afinidad el calentador de las ITG cerradas a veces se llama también “caldera de aire”. En el calentador 1 la temperatura del fluido motor crec e bruscamente hasta T 4, en cambio

la presión, a costa de las pérdidas hidráulicas, baja hasta p 4. Con estos parámetros el gas ingresa a la turbina 3, donde, realizando trabajo, se expande hasta la presión p 5; su temperatura entre tanto cae hasta T 5. La turbina 3 gira al compresor 5, y la parte de exceso de su potencia la entrega para el accionamiento del generador eléctrico 2. Puesto que la temperatura del gas de desecho es aún lo suficientemente alta, después de la turbina él se dirige al regenerador 12, donde cede parte del calor para calentar el gas que se mueve del compresor 5 al calentador 1. Y sólo después del regenerador el gas con los parámetros T6 < T5, p6 < p5 de nuevo ingresa al enfriador 4. Luego el ciclo de nuevo se repite. No es difícil notar que en la ITG cerrada circula una misma cantidad ponderal de fluido motor, si no se toma en cuenta la fuga de gas insignificante en magnitud del circuito a través de diferentes estanqueidades, fuga que se suple automáticamente del acumulador de alta presión 8. La potencia de la instalación se regula variándose la presión del gas en su circuito, conservándose prácticamente invariables las relaciones de elevación de la presión, así como la menor y la mayor temperatura del gas. Por consiguiente, sin variaciones permanecen los saltos térmicos en la turbina y en el compresor, así como los triángulos de velocidades y los rendimientos internos de las turbomáquinas. Analicemos este método de regulación. Al aumentar la carga, disminuye el número de revoluciones de la turbina 3, a resultas de los cual el regulador centrífugo 6 desplaza al órgano regulador hacia abajo. Con el mismo él comunica al acumulador de alta presión 8 con el circuito de la ITG. Entre tanto la presión del gas que circula en el circuito, y por consiguiente el gasto ponderal de éste aumentar. El helio, que posee mejores propiedades termo físicas que el aire, pero es mucho más costoso y se distinguen por la inmensa fluidez. Sin embargo, la


circunferencia de que el helio al pasar por el reactor atómico no se torna radioactivo es decisiva en lo que atañe a su utilización en calidad de portador térmico en las instalaciones atómicas con reactores gaseosos. Se realizan trabajos para construir ITG cerradas que funcionen conjuntamente con reactores atómicos de elevadas temperaturas enfriados por gas, Se ha establecido que las ITG de este tipo son de gran perspectiva, pues tiene ventajas sustanciales en comparación con las instalaciones atómicas de turbina de vapor. Así, ellas son más económicas, más compactadas y requieren inversiones de capital considerablemente menores. Pero se presentan algunos problemas técnicos no resueltos para la construcción de ITG atómicas. Junto con las ventajas anotadas las ITG cerradas en comparación con las instalaciones de tipo abierto se distinguen por lo complejas y voluminosas. Junto con la cámara de combustión de pequeñas dimensiones tienen una voluminosa “caldera de aire”, conmensurable, a la misma

potencia de las instalaciones, con la caldera de vapor. Además, en la ITG suplementariamente aparece el enfriador de aire, cuya superficie de enfriamiento también es conmensurable con la superficie del condensador de la instalación de turbina de vapor. Por las causas señaladas las ITG cerradas no han hallado amplia difusión. Su campo de empleo se limita en lo fundamental al funcionamiento con mazut y con combustible sólido: hulla y turba. Las ITG de tipo cerrado más conocidas las produce la firma suiza “Esher -Viss”, que se ha especializado en esta área.

Esquema básico de una ITG Cerrada.

112. ESTABLECER UNA ANALOGÍA ENTRE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA Y UN CICLO RANKINE Y EXPLIQUE LA FUNCIÓN DE CADA UNA DE SUS PARTES MEDIANTE SU REPRESENTACIÓN EN UN DIAGRAMA TERMODINÁMICA. En vez de condensar hasta un vapor de baja calidad, el proceso de condensación se lleva a cabo de tal manera que el vapor húmedo que sale de la turbina se condensa hasta líquido saturado a la presión de salida de la turbina. El proceso de comprensión lo efectúa en este caso una bomba para líquidos, la cual comprime isentrópicamente el líquido que sale del condensador hasta la presión deseada en el proceso de adicción de calor. Este modelo de ciclo de potencia de vapor recibe el nombre de ciclo RANKINE. El ciclo básico se presenta en forma esquemática en un diagrama TS en la figura por tanto, el ciclo ideal de un ciclo de potencia de vapor de Rankine simple consiste en:   

Compresión isentrópica en una bomba. Adicción de calor a presión constante en una caldera. Expansión isentrópica en una turbina.




Extracción de calor a presión constante en un condensador.

Figura 5. Diagrama TS de un ciclo de Rankine con sobrecalentamiento En la figura 1 el área sombreada en el diagrama Ts representa el trabajo neto adicional y el área debajo de la curva 3- 3’ representar calor agregado en la sesión del sobre calentador, observe que la temperatura promedio a la cual suministra calor durante el proceso 3- 3’ es mayor que la temperatura existente durante el proceso adición de calor en la sección de la caldera, mientras que la temperatura de condensación sigue siendo la misma. El otro punto importante es que la calidad del estado 4’ es considerablemente mayor que la del estado 4. Por tanto, el

problema de la humedad de la turbina se ha atenuado. El ciclo práctico de trabajo de centrales eléctricas de turbinas de vapor es el ciclo ideal de vapor de Rankine en el cual el suministro y extracción del de calor se efectúan a presión constante del cuerpo de trabajo; mientras que en una central eléctrica real el suministro de vapor ya no se realiza a presión constante, sino que se presentan pérdidas en los diferentes dispositivos que forman la instalación, tales como: bombas, válvulas, ductos, en la turbina, etc. En el proceso de trabajo ideal, el trabajo de un kilogramo de vapor en la turbina corresponde a la caída de calor disponible Ho = i0 – icon.ad (Figura 6). En el proceso real, a causa de las pérdidas de energía, en la turbina sólo se utiliza una parte de la caída de vapor disponible Hi = i0 – icon.

0,. : Entalpía inicial y final del trabajo del vapor en el proceso ideal de trabajo de la turbina, en kJ/kg

 : Entalpía final del vapor en el proceso real de trabajo de la turbina.


Figura 6. Proceso convencional de trabajo de una turbina de condensación en el diagrama i-s 113. SE TIENE UNA CENTRAL ELÉCTRICA DE CONDENSACIÓN. DESARROLLE UN CONJUNTO DE ÍNDICES QUE PERMITAN EVALUAR LA EFICIENCIA DE OPERACIÓN DE LA MISMA. La relación de la cantidad de energía aprovechada útilmente en cualquier proceso, respecto a la cantidad de energía invertida en el mismo, se denomina eficiencia (rendimiento) del proceso que se analiza. Así, el rendimiento de la caldera es la relación de la cantidad de calor que contiene el vapor generado por ésta, descontando la cantidad de calor que llega a ella con el agua de alimentación, respecto a la cantidad de calor liberado por el combustible quemado. Entonces, se denomina rendimiento de la central termoeléctrica a la relación de la cantidad de energía eléctrica generada por la central respecto a la cantidad de energía liberada por el combustible quemado. En la composición de una central eléctrica de condensación elemental (CEC) encontramos las instalaciones de turbogeneradores y de caldera, bombas (para el condensado y de alimentación) y las tuberías de vapor y de agua que unen estos grupos. Las CEC se construyen de acuerdo con el principio de bloque. En este esquema todo el equipo del dueto de vapor-agua forma un sistema autónomo, que tiene comunicaciones transversales ni por agua ni por vapor con los bloques vecinos. En este sistema se requeriría un generador de vapor de reserva para cada turbina, y por ende, la potencia de vaporización general de la sala de calderas aumentaría en 1,5 veces en el caso doble-bloque (dos generadores de vapor para una turbina) y dos veces para el caso monobloque (generador de vapor y una turbina). Lo que llevaría aparejado un aumento sustancial en las inversiones de capital. Debido a que lo anterior no se hace, no se tiene generadores de vapor en reserva, hay que tener en los sistemas energéticos una reserva elevada de potencia energéticas resultando menos costoso que el generador de vapor de vapor de cada bloque, la ventaja del sistema de bloque consiste en la sencillez de las comunicaciones de tuberías, en la menor cantidad de accesorios, en la independencia de funciones del bloque respecto de los bloques vecinos. El rendimiento de la central termoeléctrica es la relación de la cantidad de energía generada (si se determina el rendimiento bruto) o cedida (si se determina el rendimiento neto) respecto a la cantidad de energía que contiene el combustible quemado en la central. Del mismo modo que el


rendimiento de la turbina de vapor se obtenía mediante la multiplicación del rendimiento térmico por el otro interior, y por el mecánico, el rendimiento de la central termoeléctrica se obtiene multiplicando el rendimiento de la caldera por el de la conducción de vapor y por el grupo turboalternador:

 =  ·  ·  



el rendimiento de la turbina de vapor tiene en cuenta la perdida de calor en el recorrido desde la caldera hasta la turbina. Ordinariamente es de 0,98 –0,99 %, por tanto, el rendimiento de la caldera depende del tipo de combustible quemado y de la perfección de la propia caldera, y el del turbogenerador, de su potencia y de los parámetros iniciales y finales del vapor, el rendimiento de la central termoeléctrica depende de todos estos factores y oscila entre límites muy amplios. Sin embargo, en el rendimiento de la central eléctrica, al igual que en el de la turbina, influyen más que nada los parámetros iniciales del vapor. Así, por ejemplo, como término medio, el rendimiento bruto de la central termoeléctrica de condensación varía según los parámetros iniciales del vapor en la siguiente forma: Parámetros Bajos Medianos Altos Extra-elevados Bruto 

central

0,15

0,25

0,30 0,35

El rendimiento de las centrales eléctricas modernas de alta presión es, pues, del doble que el de las centrales eléctricas de baja presión construidas en la URSS en los años del primer plan quincenal. Los gastos de energía eléctrica en servicios auxiliares propios de la central vienen a ser de 10% de la energía generada, y con los parámetros de vapor enumerados los valores netos del rendimiento quedan en 0,135, 0,225, 0,27 y 0,315 respectivamente. Las cifras mencionadas se refieren a las centrales eléctricas de condensación. Por supuesto que para centrales generadoras de vapor son considerablemente superiores y aumenta a medida que disminuye la cantidad de vapor que llega al condensador. El bloque energético desarrolla una potencia Ne, gastando para ello una potencia para el accionamiento de los mecanismos de necesidades propias Y quemando en 1 seg. B kg de combustible.

.

El rendimiento neto del bloque es igual a:

Ne  Nnp

1=



t

BQ1

t

La magnitud BQ = Qb1 es el gasto por segundo de calor para el bloque. 1


n

En condiciones de explotación  se calcula para la contabilidad para un determinado período de tiempo: para un turno, para un día, para un mes, para un trimestre, para un año. Por ejemplo, para un año: b1

año E año  E np n



b1año

=

Baño ·Qit

Para el calculo por medio de esta ecuación, compuesta de acuerdo con el balance directo de energía, se necesitan las mediciones de E y Enp (por medio de contadores), y también de Baño. Este último con suficiente precisión se puede medir sólo en caso de utilizarse combustible gaseoso. En cuanto a los combustibles sólido y líquido, la medición de su gasto teniéndose depósitos intermedios presentan serias dificultades. Además, el calor de combustión del t

combustible sólido Q , como ya se señaló anteriormente, varía junto con la variación del contenido de ceniza y de humedad. Por eso el gasto de combustible se determina calculando gv por medio del balance inverso. 1

Por medio de las indicaciones de los instrumentos se determina el gasto de agua de alimentación Daa , la potencia de vaporización (productividad de vapor) del generador de vapor Dv.s. y los parámetros del vapor y del agua. Por medio de estos datos se puede determinar la cantidad de calor captado por el generador de vapor, el cual tomándose en consideración el calor del agua de purga (agua de barrido), es igual a:

1=....+ ..+ Donde: =.... es el gasto de agua de purga. Las pérdidas de calor Q2, Q3, Q4, Q5 y Q6 se determinan, como se describió anteriormente, y por medio de estos datos se determina el gasto de combustible para el generador de vapor: 6

 Qi 1

=

t

Qi

Tal procedimiento para determinar el gasto de combustible se llama balance inverso, la expresión se puede escribir de la siguiente manera: n b1 



Ne Nnp Ne Qe Q1 

Ne

Qe Q1 BQit

luego se tiene: Ne Qe



e

rendimiento eléctrico de la instalación de turbina.


La magnitud e depende de la magnitud  de la turbina, así como de los parámetros iniciales del vapor, de la presión en el condensador, de la temperatura del precalentamiento regenerativo y del sobrecalentamiento intermedio. La elevación de la temperatura inicial aumenta el rendimiento del ciclo e influye proporcionalmente en la magnitud del rendimiento relativo interno del cilindro de baja a costa de la disminución de la humedad final del vapor en el caso de que no haya sobrecalentamiento intermedio. Al presente, la temperatura inicial del vapor fresco alcanza 540 – 560oC. La elevación de los parámetros iniciales del vapor y el sobrecalentamiento intermedio incrementan la caída térmica (salto térmico) real del vapor en la turbina hi y, por consiguiente, bajan el gasto de vapor para la turbina y a través del último escalón de la turbina, manteniéndose la misma potencia. El aumento de hi facilita la solución del problema de la elevación de la potencia unitaria de la unidad de turbina. Un medio sumamente efectivo para elevar e es el precalentamiento regenerativo del agua de alimentación, el cual no exige inversiones de capital suplementarias considerables, pero de una gran ganancia en el rendimiento (hasta un 15%). El esquema de una CEC simple incluye un grupo de caldera con recalentador, un turbo grupo, un condensador y una bomba que hacen pasar el condensado desde el condensador hasta el generador de vapor. La perfección de una CTE determina su rendimiento, el cual se puede evaluar desde diferentes aspectos: Se puede determinar la eficiencia de la central, sin considerar los consumos de energía para sus necesidades internas, como los motores eléctricos que utilizaría para unidades auxiliares, teniendo en cuenta la cantidad de energía eléctrica Eprod que produce el generador en kilojulios y el gasto Qc del calor en la central al mismo tiempo en kilojulios. De esta manera, conseguiremos el rendimiento bruto. br  ccc

E prod 

qc

E prod 

Dqir

(1)

Donde B es el gasto de combustible al mismo tiempo en kilogramo, qri es calor liberado, al quemar el combustible en Kj/kg. El rendimiento térmico del ciclo según el cual funciona la central también desempeña un papel determinante en la magnitud del rendimiento de la CEC.


Las pérdidas principales de calor de la CTE se concentran en el condensador donde se condensa el vapor agotado de la turbina. La presencia de tomas de enfriamiento hace que el calor se transmita al medio ambiente lo que determina una magnitud relativamente baja del rendimiento térmico. La cantidad de vapor que se extraiga de la turbina y no se haga pasar por el condensador, sino que se envía a un precalentador regenerador hace que disminuyan las pérdidas y aumente la eficiencia. La cantidad de vapor gastada en el grupo de caldera se reduce a costo del recalentamiento regenerativo, puesto que a la caldera se le suministra agua ya calentada y esta asegura el crecimiento de la eficiencia del ciclo de igual manera el número de etapas también es altamente influyente. Entonces como índices que permitan evaluar la eficiencia tenemos: La cantidad de energía producida. El gasto de calor en la central. El gasto de combustible. El calor generado al quemar el combustible. El rendimiento térmico del ciclo. La presencia de torres de enfriamiento. El número de etapas de recalentamiento, entre otros.

Figura 7. Esquema térmico de una central eléctrica de condensación elemental.


114. SE TIENE UNA PLANTA TÉRMICA CUYA GENERACIÓN DE VAPOR SE DESARROLLA A PARTIR DE CALDERAS ACUOTUBULARES QUE TRABAJAN CON PETRÓLEO. MUESTRE MEDIANTE UN DIAGRAMA DE FLUJO LA ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE Y EXPLIQUE SU OPERACIÓN.

Fig ura 8. Esquema del sistema de mazut de una central termoeléctrica

1. Carro cisterna

2. Canales entre rieles

3. Receptáculos

4. Bomba de inmersión

5. Calentadores de serpentín 7. Filtros burdos

6. Depósitos principales 8. Bomba de primera elevación

9. Calentadores de vapor

10. Filtros finos

11. Bombas de segunda elevación

12. Regulador de gasto

13. Medidor de gasto

14. Válvula reguladora.

De todos los combustibles líquidos en los generadores de vapor sólo se utiliza petróleo. Su preparación se limita a: calentamiento, limpieza mecánica y atomización. En los tanques de almacenaje (1) el petróleo se calienta por medio de serpentines de vapor (2) hasta una temperatura determinada cercana a 70°C. En estos tanques transcurre además la separación del agua la cual sedimenta en la parte inferior del tanque extrayéndose con las bombas de drenaje (Fig. 3). De los tanques el petróleo pasa por las tuberías (3) a través de filtros (4) y llega a las bombas de petróleo (5), pasando después por los calentadores (6) y por nuevos filtros para una limpieza secundaria. Posteriormente el petróleo se calienta de nuevo y llega a la línea principal para de ahí dirigirse a los quemadores (7) donde se pulveriza. El gasto de petróleo se regula con un regulador (8) y se mide con un flujométro (9). En el esquema se muestra además las válvulas


de cuña (10) y las válvulas de no retorno (11). En los filtros el petróleo se libera de partículas sólidas que si no son extraídas pueden bloquear los orificios del quemador. Para evitar las pérdidas de calor, y por lo tanto dificultades en la circulación del petróleo, las tuberías se aíslan convenientemente. Incluso las tuberías de vapor se instalan a veces junto a las de petróleo para que no exista posibilidad alguna de que este deje de fluir. 115. EXPLIQUE MEDIANTE UN DIAGRAMA LAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA REGENERATIVO DE CALENTAMIENTO DE AGUA DE UNA CENTRAL TERMO-ELÉCTRICA. Ya antes se anota que el conducto de vapor-agua es un eslabón importantísimo de una CTE de turbina de vapor. Se muestra en la figura el esquema del conducto de vapor agua de instalaciones con sistema regenerativo de calentamiento de agua. El precalentamiento de agua con calor de vapor de toma se llama pre-calentamiento regenerativo. El vapor tomado participa en la generación de energía eléctrica pero no está ligado con las pérdidas de calor en la fuente fría (Condensador). El calor del vapor tomado, cedido al agua de alimentación eleva la temperatura de ésta y con lo mismo baja el gasto de combustible en el generador de vapor (Entre 12-14% ahorro de combustible). Los pre-calentadores 8, que se encuentran del lado acuoso bajo la presión de condensado, se llaman pre-calentadores de baja presión. Los precalentadores 10, que se hallan del lado acuoso bajo la presión total de la bomba de alimentación, se llaman pre-calentadores de alta presión. En los pre-calentadores regenerativos de superficie, el agua comúnmente se calienta hasta una temperatura, que es en 2-5°C menor que la temperatura de saturación del vapor calentador. Por eso cuanto mayor se requiera la temperatura de pre-calentamiento del agua, tanto mayor debe ser la presión del vapor tomado con el fin de elevar la temperatura de saturación y en consecuencia también la temperatura del agua.

116. SE TIENE UNA PLANTA TÉRMICA QUE ÉSTA FORMADA POR TRES CALDERAS DIFERENTES, PERO QUE PRODUCEN VAPOR DE IGUALES PRESIÓN Y TEMPERATURA, AUNQUE CON DIFERENTES EFICIENCIAS TÉRMICAS ¿CÓMO ORGANIZAR LA OPERACIÓN DE LAS MISMAS PARA UNA DEMANDA D SI OCURRE QUE D1 + D2 + D3 > D. La distribución de la carga entre calderas que trabajan en paralelo es de gran importancia para la economía del trabajo de la estación y del sistema. Frecuentemente trabajan en paralelo calderas de distintas capacidades, con eficiencias diferentes, tanto brutas como netas. Distribuir correctamente la carga entre ellas de manera de lograr un consumo mínimo de combustible, no resulta simple. En principio la carga, se puede distribuir a partir de tres criterios: Proporcional a la carga nominal de las calderas; De acuerdo con los valores de sus eficiencias brutas o netas y finalmente por el principio de la igualdad de los “incrementos relativos” del consumo de combustible.


La distribución de carga de acuerdo al último criterio es la forma más correcta, con lo que se logra la máxima economía de combustible en la estación. Por incremento relativo del consumo de combustible, para un valor dado de carga, se define a la primera derivada del consumo de combustible con respecto a la carga de la caldera, osea: b 

dB dD

(1)

No debe confundirse Δb con el valor absoluto del consumo de combustible para generar energía eléctrica, ya que por ejemplo puede presentarse el caso en que η1 > η2 y para tal rango de carga resulta que Δb1 > Δb2. La distribución óptima de carga entre calderas que trabajan en pa ralelo,

es decir, la distribución más económica, corresponde a aquella para la cual los incrementos relativos del consumo de combustible de todas las calderas son iguales, es decir:

b1   b2  .......  bn

(2)

o db1 dD1



dB2 dD2



......



dBn dDn

(3)

O sea, la distribución óptima de carga entre calderas que trabajan en paralelo corresponde a aquélla para la cual los incrementos relativos de consumo de combustible son iguales para todas las calderas. La distribución de las calderas para cubrir con la demanda, se hace en paralelo debido a los gastos y condiciones de presión y temperatura por cumplir. El efecto de la eficiencia en cada una de las calderas nos representa un aumento en le consumo de combustible y un aumento en el cuidado y mantenimiento de la misma, si esta es mínima, y si la eficiencia es mayor nos representa tener un menor cuidado de ella si en algún momento la demanda disminuyera y esta se pudiera cubrir con dos calderas, las evaluadas serían las que tienen mayor eficiencia. 117. SE TIENE UNA PLANTA TÉRMICA DADA. PROPONGA UN SISTEMA RACIONAL DE RECUPERACIÓN DE CONDENSADO PARA LA MISMA. En las plantas térmicas es de mucha importancia la recuperación del condensado, para luego recircular el agua con la ayuda de una bomba. En las centrales termoeléctricas, en la mayoría de las veces se utiliza el sistema de suministro de agua por recirculación a causa del agotamiento de los recursos hídricos y de su costo de tratamiento. En las centrales eléctricas con instalación de condensación se utiliza cada vez más los sistemas de recirculación con refrigerantes artificiales. Como fluido que absorbe calor, esto debido al poco recurso hídrico con que se cuenta.


Donde hay grandes recursos hídricos se toma agua de río, de un lago o se construye un estanque artificial para el agua de enfriamiento. En algunos casos se construyen torres de enfriamiento para enfriar el agua del proceso de condensación. Un sistema de condensado para una planta debe constar con los siguientes elementos: condensador de superficie acuoso 1, bomba de condensado 2, calentadores de agua 3, (de baja y de alta), desaireador 4, eyector 5 (uno o dos etapas) y tanque de alimentación de agua (circuito de vapor-agua). El circuito del agua de enfriamiento: tenemos bomba de circulación, estanque o se toma del río agua del arriba y se tira agua abajo, si ninguno de estos resulta se utiliza una torre de enfriamiento (esta agua no se trata químicamente). 118. EXPLIQUE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE PETRÓLEO PARA PLANTAS TÉRMICAS DE CALDERAS ACUOTUBULARES. De todos los combustibles líquidos en los generadores de vapor solo se utiliza el petróleo. Su preparación se limita a calentamiento, limpieza mecánica y pulverización. En los tanques de almacenaje el petróleo se calienta por medio de serpentines de vapor, hasta una temperatura determinada a los 70 0C; en esos tanques transcurre además la separación del agua la cual sedimenta en la parte inferior del tanque extrayendo con las bombas de drenaje de los tanques. El petróleo, pasa por las tuberías a través de los filtros y llega a los bombas de petróleo pasando después por los calentadores y por nuevos filtros para una limpieza secundaria. Posteriormente el petróleo se calienta de nuevo y llega a la línea principal para de ahí dirigirse a los quemadores, donde se pulveriza el gasto de petróleo se regula con un regulador y se mide con un flujómetro. En los filtros el petróleo se libera de partículas sólidas que si no son extraídas pueden bloquear los orificios del quemador. En la sección de las bombas se instalan filtros gruesos y la descarga filtros más finos que provocan una mayor caída de presión. Para evitar las pérdidas de calor, y por lo tanto dificultades en la circulación del petróleo las tuberías se aíslan convenientemente. Las líneas de petróleo se conectan a los tanques con una línea de retorno que evita su estancamiento y por lo tanto su enfriamiento. El calentamiento del petróleo se realiza para disminuir su viscosidad lo que aligera su filtrado, transporte y pulverización. Los petróleos de caldera son generalmente muy viscosos y dejan de fluir a temperaturas relativamente altas (20 a 40 0C). Frecuentemente el petróleo se calienta hasta 70 0C o 90 0C dependiendo de su marca, los petróleos parafinados son particularmente muy viscosos y requieren ser calentados a mayores temperaturas a veces hasta 105 a 130 0C. 119. SE TIENE UNA CALDERA ACUOTUBULAR PARA UNA PLANTA TÉRMICA. EXPLIQUE EL CIRCUITO DE AGUA DE DICHA CALDERA SI LA MISMA ES DE 3 TOMAS O TAMBORES. AUXÍLIESE DE UN DIAGRAMA.


La caldera consta de dos o más tambores. El de la parte superior es el tambor de vapor y es de la parte inferior es el tambor para lodos. Los tambores adicionales reciben diversos nombres. Los que están bajo el nivel del agua en evaporación son llamados “tambores ahogados”. Aparte

de los nombres y los tipos según el fabricante estas calderas son conocidas conforme al número de tambores que tiene; y así, hay calderas de dos tambores, tres tambores, cuatro tambores, etc. Los tambores de la parte superior están soportados por una armadura de acero estructural; los de la parte inferior por los tubos generadores que se conectan con los tambores superiores. Cuando se le pone ladrillos al horno u hogar hay que asegurarse de que se permita el movimiento libre de los tambores oscilantes. Algunos tipos más pequeños de calderas estacionarias y de grandes calderas marinas tienen los tambores de la parte inferior sujetados a zapatas corredizas para soportarla caldera. En estos tipos el tambor de vapor está apoyado en los tubos generadores que permite que se mueva. Los soportes corredizos, que están lubricados con grasas, permiten la expansión térmica de los tambores de la parte inferior. Las modernas calderas de tubos doblados de alta presión se diseñan generalmente con muros de agua, sobrecalentadores, economizadores y a veces, con precalentadores de aire. 120. SE TIENE UNA CALDERA ACUOTUBULAR PARA UNA PLANTA TÉRMICA. EXPLIQUE EL CIRCUITO DE AGUA DE DICHA CALDERA SI LA MISMA ES DE DOS DOMOS O TAMBORES. AUXÍLIESE DE UN DIAGRAMA. Las calderas de dos domos están formadas por domos interconectados mediante tubos curvos. Los tubos tienen la función de conducir el agua hasta las zonas de transferencia de calor, estas reciben el nombre de tubos descendentes, y después de conducir la mezcla agua - vapor hasta el domo superior para su separación, estas reciben el nombre de tubos ascendentes. Los tubos dan diferentes giros y toman diversas formas, esto da gran flexibilidad al diseño del generador de vapor por el cual, además, puede ser dotado de paredes de agua en el horno. Los domos acumulan el agua y el vapor. Los domos inferiores reciben el nombre de domos de fango, pues en ellos se acumulan los lodos de donde son extraídos para ser expulsados de la caldera, estos domos están completamente llenos de agua. Los lodos son las sales que acompañan el agua las que por tener mayor peso se acumulan en los puntos más bajos. El domo superior contiene agua y vapor, pero solamente de uno de ellos se extrae el vapor para el sistema consumidor. Las calderas acuotubulares pueden ser equipadas con sobrecalentadores de vapor con gran facilidad y por lo general suministran el vapor sobrecalentado, además, el límite al sobrecalentamiento está dado por la resistencia de los tubos pues no hay límites para su superficie, por lo que pueden alcanzar los máximos sobrecalentamientos permisibles en la actualidad. Estas calderas también pueden tener calentadores de aire y economizadores. La circulación del agua y los gases en estas calderas es mucho más compleja. La circulación del agua y los gases en estas calderas es natural mientras que los giros de los gases se logran mediante deflectores de material refractario colocados entre las fluserias; los gases pueden dar varios pases barriendo los tubos longitudinales como transversalmente.


La caldera de dos domos, es una caldera muy difundida, se utilizó en centrales termoeléctricas a principios de siglo, permite la colocación de paredes de agua y economizadores y calentadores de aire. 121. EXPLIQUE EL CIRCUITO DE AIRE PARA UNA CALDERA ACUTUBULAR DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA MEDIANTE UN DIAGRAMA. Para las calderas con productividad inferior de 160T/H se instala un ventilador soplador, y para las calderas de una productividad de hasta 120T/H un aspirador de humo. Para las calderas con mayor productividad se instalan dos aspiradores de humo y dos ventiladores sopladores.

Figura 9. Corte de un calentador de dos secciones. En la siguiente figura se representa el corte de un aspirador de humo axial de dos etapas para una caldera de 950T/H su productividad de es de 870 m 3/H, con una presión de 3720 N/m 2 y una temperatura de los gases de 100ºC, para esta caldera se instala dos de estos aspiradores de humo. El máximo rendimiento para una instalación de aspiradores de tubos es alrededor del 80% para el accionamiento se utiliza un motor eléctrico de una velocidad de una potencia de 1700Kw y una velocidad de rotación de 490 r.p.m. El tipo de ventilador ejerce gran influencia sobre el carácter de la curva de caída de potencia; cuando las paletas del ventilador están dobladas hacia delante son más económicos para cargas parciales, estas ventajas se mantienen también cuando se utilizan dispositivos guías.


122. EXPLIQUE LAS CARACTERÍSTICAS DEL HORNO DE UNA CALDERA ACUOTUBULAR QUE QUEMA PETRÓLEO MEDIANTE UN DIAGRAMA. Las paredes de los hornos de los generadores de vapor potentes, que queman petróleo, se encuentran cubiertos con los tubos evaporativos, formando las paredes de agua. El piso del horno es inclinado para permitir la circulación de la mezcla de agua y vapor por los tubos del fondo, y éstos se encuentran recubiertos con material refractario para mejorar las condiciones de la combustión y preservar los tubos de recalentamiento pues ellos se encuentran sometidos a una alta radiación. Los quemadores se distribuyen generalmente en dos o más filas en una pared o en dos paredes opuestas. El número de quemadores se escoge, en lo fundamental, de manera de tener la posibilidad de regular la carga desconectando parte de ellos ya que los quemadores utilizados generalmente en las calderas estacionarias, con sección de salida auto regulable, trabajan mal a cargas bajas. La velocidad del aire en la sección más estrecha de la aspillera del quemador es del orden de los 20 ó 35 m/s. La profundidad mínima del horno para una distribución horizontal de los quemadores debe ser mayor de 3m para quemadores pequeños (200 a 250 Kg/h) y de 4m para las mayores (500 a 1000 Kg/h). Los quemadores no deben situarse demasiado cerca de las paredes laterales, para evitar que lleguen a ellas gotas de petróleo sin evaporar. La distancia del eje de los quemadores hasta las paredes laterales debe ser mayor de 1,5 a 2m tal requerimiento debe complementarse también para la distancia entre el eje de la fila más baja de quemadores y el fondo. Los hornos para combustible líquido son mucho más sencillos que los de carbón. Los mecheros, como se ve en la figura 4, se colocan generalmente en una o más filas horizontales, estando la hilera inferior cerca del fondo para obtener llama de gran longitud. No se deberán colocar cerca de las paredes laterales, para evitar una intensa erosión en los refractarios. Cuando el hogar es de refractarios, la forma suele ser rectangular, y las paredes laterales y posterior van refrigeradas. Figura 4. Equipo auxiliar y horno para petróleo.


123. EXPLIQUE MEDIANTE UN DIAGRAMA EL CIRCUITO DE HUMOS DE UNA CALDERA ACUOTUBULAR DE MAZUT PARA UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA. El proceso de combustión transcurre simultáneamente con una transferencia de calor. En una zona no lejana del horno termina la combustión, por eso durante el siguiente recorrido de los gases por el horno su temperatura disminuye en virtud de la sesión de calor. A la salida del horno la temperatura de los gases ha disminuido hasta 1000 a 1200 ºC de forma que las partículas de ceniza conducidas por la corriente gaseosa puedan solidificarse. La primera superficie de transferencia después del horno es el sobrecalentador semiradiante en el que se transmite calor tanto por radiación como por convección puesto que los gases circulan con relativa alta velocidad y posibilita la transferencia convectiva. Posteriormente los gases de la combustión pasan por el sobrecalentador convectivo, aquí los gases en virtud de la cesión de calor poseen una temperatura más baja, pero han aumentado en velocidad al estrecharse el conducto. Después de transcurrir por el circuito sobrecalentador, los gases se enfrían de manera que al cambiar de dirección para descender por el conducto vertical su temperatura es de 500 a 600ºC. Allí los gases que detectan en primera instancia los tubos del economizador y posteriormente el calentador de aire luego abandona en el generador de vapor a 120ºC – 150ºC, y antes de ser lanzados a la atmósfera a través de la chimenea se hacen pasar por una instalación especial llamada precipitador de cenizas y por el ventilador de tiro inducido. 124. EXPLIQUE MEDIANTE UN DIAGRAMA DE CALDERA LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS SUPERFICIES RADIANTES DE UNA CALDERA DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA. Las superficies de generación de vapor de caldeo se diferencian unas de otras en las calderas de sistemas diferentes, pero, como regla, disponen, en lo fundamental, de una cámara de combustión y perciben el calor por emisión, o sea, radiación. Las pantallas de las calderas con circulación natural que funcionan con rarefacción en el hogar, se construyen de tubos lisos con diámetros interiores de 40 – 60 mm. Las cortinas representan en sí una serie de tubos elevadores verticales conectados en paralelo y unidos entre sí mediante colectores. Ordinariamente el huelgo entre los tubos es de 4 – 6 mm. Ciertos tubos de cortina se introducen directamente en el colector de caldera y no tienen colectores superiores especiales. Cada panel de cortinas junto con los tubos que se bajan que salen fuera de los límites del revestimiento del hogar, forma un contorno de circulación independiente. Los tubos de la cortina trasera en el lugar de la salida de los productos de combustión del hogar se apartan, formando 2 o 3 filas. Una semejante derivación de los tubos se llama festoneado; el último permite aumentar la sección para dar paso a los gases, reducir su velocidad y previene el atascamiento de los huelgos entre los tubos por las partículas de cenizas, fundidas y endurecidas durante el enfriamiento, que se arrastran por los gases del hogar. En los generadores de vapor


de gran potencia además de las cortinas de paredes se emplean unas cortinas adicionales que dividen el hogar en unas secciones separadas. Estas cortinas se iluminan con llamas por dos lados y se llaman las de alumbrado doble. Estas perciben dos veces más de calor que las de paredes. Las cortinas de alumbrado doble, al aumentar la percepción de calor general en el hogar, permiten reducir las dimensiones de éste (Fig.5).

Figura 5. Unidad de caldera. 1. quemador de polvo de carbón

2. Parte radiante inferior

3. Parte radiante media

4. pantallas

5. Sobrecalentador de v primario

6. Sobrecalentador de vapor secundario

7.Paquete de salida del sobrecalentador de 8. Paquetes del sobrecalentador de v. v. primario. Secundario 9. Economizador acuoso


125. EXPLIQUE MEDIANTE UN DIAGRAMA DE CALDERA LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS SUPERFICIES RECUPERATIVAS DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA. En un generador de vapor después que los gases han cedido calor en el horno, las superficies de caldera y sobrecalentadores de vapor, su temperatura es tal que se tendría una diferencia de temperatura muy pequeña si se pretendiera continuar transfiriendo calor al agua en ebullición o al vapor. Esto hace que si se diseña un equipo para continuar extrayéndoles calor, su superficie tendría que ser muy grande y su costo inicial excesivamente elevado; sin embargo, es una realidad que esos gases, a pesar de su baja temperatura, aún tiene una gran cantidad de energía que es preciso extraerle para incrementar la eficiencia del generador de vapor y disminuir sus costos de operación. ¿Cómo resolver esta dificultad? La solución de este problema en la actualidad tiene una sola vía, que consiste en la utilización de "equipos recuperadores de calor". Los equipos recuperadores de calor, llamados así por la función que realizan son dos: Economizadores: Son calentadores de agua; en ellos los gases calientes ceden su calor al agua de alimentación de la caldera y, como el agua entra relativamente fría, se logra una diferencia de temperaturas adecuada que hace que la superficie de transferencia requerida sea de una magnitud y costo inicial no demasiado grande. Calentadores de aire: Son equipos en los cuales los gases calientes ceden calor de aire para la combustión; al igual que en el caso de aire para la combustión; al igual que en el caso anterior, como el aire está frío se logra una diferencia de temperatura que permite la construcción de un equipo cuya superficie y costo inicial no son demasiado elevados. Los equipos recuperadores, ambos, incrementan la eficiencia térmica del generador de vapor. Para dar idea de su efectividad basta decir que logran incrementos de 1% en la eficiencia por cada 16 0C de temperatura que reduzcan a los gases. Ahora bien, no obstante, el hecho de lograr incrementos de la eficiencia, la instalación de equipos recuperadores no siempre se justifica. Tal decisión debe ir precedida de un análisis económico en que se demuestre la disminución de los costos totales con su instalación, pues hay elementos a favor y en contra; veamos estos elementos: La instalación de equipos recuperadores disminuye los costos totales mediante el incremento de la eficiencia térmica de operación. La instalación de equipos recuperadores aumenta los costos por: Aumento del costo inicial por la instalación de equipos adicionales. Aumento del costo de operación por incrementos de la potencia demandada por el tiro inducido, al incrementarse la resistencia en el conducto de gases. Aumento de la potencia demandada por la bomba de alimentación y el tiro forzado, al incrementarse las resistencias del sistema contra el cual operan.


El uso de equipos recuperadores de calor permite alcanzar las máximas eficiencias en los generadores de vapor, los cuales en la actualidad pueden sobrepasar el 90%. La instalación de equipos recuperadores de calor logra además un alargamiento de la curva de eficiencia, lo que proporciona un aumento de la capacidad con un mínimo costo adicional de combustible; esto permite incrementar la capacidad de una caldera, o bien reducir el tamaño de la unidad durante su diseño. Otra manera Tras fijar el volumen del hogar, la disposición del mismo y su superficie de absorción por radiación, es necesario añadir ciertas superficies de convección para reducir la salida de los humos hasta que nos dé el rendimiento deseado. Para este fin se utilizan los recalentadores, los economizadores y los calentadores entre otros. En las calderas de calefacción y fuerza, la superficie añadida adopta la forma de tubos hervidores conectados a la caldera, se hace que los gases a través de estas superficies por medio de deflectores que proporcionen corriente cruzada y velocidades máximas de 760 m/min. Normalmente, la temperatura de escape de los gases oscila entre 329 y 400°C. La situación del recalentador se deberá considera en relación con la temperatura final deseada. Elevado recalentamiento requiere proximidad al hogar y superficie adecuada, mientras que si e recalentamiento es bajo hay más elasticidad en la colocación del recalentador. Estos pueden ser de posición media o superior. Los Economizadores se construyen en tubos de acero, para resistir las altas presiones. Para aprovechar espacio, a la superficie tubular se le da generalmente la forma de serpentín continuo, con piezas de empalme que unen los elementos horizontales. El agua de alimentación entra por un extremo del colector inferior y se distribuye por cada uno de los circuitos de los tubos paralelos. Los últimos tubos se empalman a la caldera formando el serpentín de tubo continuo. Las piezas de las juntas suelen ser de acero forjado. Las empaquetaduras son de material blando como la cranita. Para soportar los tubos y para limitar el paso de los humos tan sólo a la porción recta de aquellos, se colocan placas tubulares de fundición. La cubierta exterior es de paneles desmontables de plancha, de acero aislados Los calentadores de aire son dispositivos destinados al caldeamiento previo de este, estos se construyen según tres estilos generales: Tipo tubular, Tipo de placas y Tipo regenerativo.


. Figura. 10. Esquema y detalle de un economizador de serpentín 126. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y DE DISEÑO DE LOS DIFERENTES CALENTADORES DE AIRE USADOS EN LAS PLANTAS TÉRMICAS. MUESTRE DIAGRAMAS. Los calentadores de aire son dispositivos destinados al caldeamiento previo de este, estos se construyen según tres estilos generales: Tipo tubular. Tipo de placas. Tipo regenerativo. En la figura 6 vemos uno tubular. La construcción es de tubos de acero de 3 a 10 m de altura, de 2½ a 3 pulgada de diámetro y con espesor del número 10 al 14 (de 3,5 a 2 mm), son los más empleados. Estos tubos se colocan verticalmente y se mandrinan en las placas tubulares superior e inferior. Para la mejor distribución del aire, se colocan los tubos al tresbolillo, y la anchura del calentador de aire se hace que corresponda con la del hogar. La separación entre tubos viene a ser igual al diámetro de los mismos o algo menos. Los gases calientes circulan por el interior de los tubos en sentido opuesto al del aire. Los paneles, al menos en un lado del calentador, son desmontables de modo que los tubos queden accesibles y puedan desmontarse. Al igual que en el economizador, si los humos invierten su recorrido en el fondo del precalentador, se coloca una tolva para hollín en la parte inferior de la caja. En la figura pueden verse unos tabiques de dirección en los conductos de aire, que son necesarios en especial en la entrada, porque el aire al doblar un ángulo tiene tendencia a ir hacia el lado más alejado, y estos tabiques lo distribuyen mejor. El fin de la sección inferior es el de localizar la corrosión y facilitar la limpieza. Únicamente esta sección inferior va equipada con sopladores de vapor para el hollín.   

Los calentadores de aire de placas se construyen de modo que el aire absorbe el calor de los humos al ser lanzado a través del calentador a gran velocidad y barriendo una placa cuya cara opuesta es barrida por los humos. La transmisión, por tanto, se lleva a cabo por conducción. - El aire se inyecta por los pasos entre placas, por la parte superior y llega a la superior con varios cambios de dirección y atravesando cuatro veces el calentador en dirección perpendicular a la corriente descendente de humos. Cada par de placas tiene bordes soldados para hermeticidad y son fáciles de desmontar y limpiar. El barrido de los gases suele hacer innecesarios los sopladores de hollín. Este tipo de calentador de aire ha sido muy popular, pero hoy se usan cada día más los calentadores tubulares, probablemente porque son más fáciles de montar y cuestan menos.


Figura 6. Corte de un calentador de dos secciones Los calentadores de tipo regenerativo se basan en otro principio y tienen distinta forma que los anteriores. Hay un rotor movido por un pequeño motor de 3 o 4 HP con engranaje de reducción; el rotor gira a 3 revoluciones por minuto y consume normalmente 1,5 caballos de vapor. Como se ve en la figura 7, el cojinete superior es de guía y de empuje. El extremo inferior del árbol lleva otro cojinete de guía; ambos cojinetes son de bolas y sumergidos en aceite. El corte-vista indica un sector por encima y por debajo del rotor, que es fijo y separa las secciones de humos y de aire. El rotor lleva varias empaquetaduras radiales que rozan contra las placas de fondo y de techo e impiden la entrada de los humos en el sector de aire. Estos nuevos cierres han disminuido los escapes de aire para la misma diferencia de presión entre las cámaras de humos y aire en una mitad, de modo que en las mismas condiciones de funcionamiento las fugas en este calentador no son mayores que en los de los tipos tubular y de placas. Los elementos del rotor son planchas con grandes ondulaciones entre hojas onduladas, siendo perpendiculares ambas ondulaciones. Este tipo de calentador de aire se construye en la actualidad para instalaciones a muy baja temperatura. Comprende de 3 a 5 secciones verticales para localizar la corrosión en la sección inferior (gas frío).

Figura 7. Calentador de aire Ljungstrom con soporte central y motor para el rotor


127. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y DE DISEÑO DE LOS CALENTADORES DE AGUA DE BAJA PRESIÓN USADOS EN LAS CENTRALES TERMOELÉCTRICAS. MUESTRE DIAGRAMAS. En las centrales eléctricas de la antigua URSS se habían adoptado los esquemas de regeneración con desaireador como se muestra en la Figura 13, donde junto con los calentadores superficiales funcionan también un calentador mezclador-desaireador. Los calentadores acoplados en sentido de al corriente de agua después de la bomba de alimentación, se llaman calentadores de alta presión (c.a.p). Los calentadores dispuestos entre las bombas de condensado y de alimentación se denominan calentadores de baja presión (c.b.p).

Figura 13. Esquema del calentamiento regenerado del condensado del agua de alimentación con calentadores superficiales y desaireador . Constructivamente los calentadores regeneradores superficiales se hacen con planchas tubulares o con tubos colectores. Con plancha tubular se hacen generalmente los calentadores para el agua con una presión inferior a 70 bares. Así pues, todos los c.b.p se hacen con planchas tubulares. Un calentador regenerador de plancha tubular (c.b.p) como el que se muestra en la figura 14 está constituido por el cuerpo cilíndrico vertical, a cuya parte inferior va unida con una brida la plancha tubular y sobre ésta la tapa con las cámaras de agua. En la plancha tubular están mandrilados tubos en forma de U, intercalados en el armazón que los protege contra las vibraciones. Fundamentalmente se utilizan los tubos de latón de 13. 16 y 19 mm de diámetro con un espesor de la pared de 0.75-1.5 mm. En la entrada del vapor se establece una chapa protectora para evitar la erosión de los tubos por la caída de gotas sobre ellos.


1- Cámara de agua. 2- Placa tubular. 3- Sistema de tubos. 4- Tubuladura de suministro de vapor de calefacción. 5- Armazón del sistema de tubos. 6- Cuerpo. 7- Mam aros del sistema de tubos.

Figura 14. Calentador superficial regenerador con placa tubular. El agua a calentar se suministra a uno de los racores de la cámara de agua, pasa por los tubos a otra sección de la misma y se desvía por el segundo racor. El vapor de calefacción se suministra por el racor situado en la parte superior del cuerpo del calentador, baña los tubos por el exterior, y haciendo varios pasos, conforme a la disposición de los mamparos directrices, se condensa. El condensado de calefacción se acumula en la parte inferior del cuerpo y se evacúa por el racor inferior. 129. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y DE DISEÑO DE LOS DESAIREADORES USADOS EN LAS PLANTAS TÉRMICAS. MUESTRE DIAGRAMAS. Para el funcionamiento normal del aparato productor de vapor de la central eléctrica, para disminuir sustancialmente la corrosión de los materiales estructurales, lo que tiene especial importancia para las CTE con los esquemas de circuito único, hace falta una desaireación altamente eficaz del agua en el canal de condensada alimentación de agua. Además de los procedimientos de la desaireación examinados en los condensadores y de la aspiración a que se somete la mezcla de vapor y aire desde los calentadores regeneradores, se emplea habitualmente un escalón más de desaireación-alimentación especial. La destinación de su elemento principal (el desaireador), consiste en eliminar los gases que se condensan, los cuales, en función del tipo de la CTE, pueden ser CO 2, O2, productos gaseosos de la fisión de combustible nuclear. Los desaireadores son intercambiadores de calor del tipo mezclador, los cuales sirven simultáneamente en calidad de uno de los escalones en el calentamiento desde la toma de turbina. Examinemos la estructura de un desaireador. En el cuerpo del desaireador a diferentes niveles se ubican las bandejas horizontales 5, 20 y 1. Siendo parcial del condensado principal; que llega a través de la tabuladura 2, el condensado pasa sucesivamente a través de los orificios en las bandejas y cae por debajo de la hoja 16. Durante grandes consumos de condensado, su nivel en la bandeja 5 sube y por encima de los bordes del tubo 6 en la sección 7 el condensado


cae en la bandeja 20. El vapor de calentamiento 9 entra en el desaireador a tra vés del racor, pasa por debajo de la hoja 16, a través de sus orificios, formando por encima de la hoja una capa estable de vapor. El exceso de vapor de calentamiento a través del tubo 11 se dirige al espacio entre las bateas, separado del vapor que calienta, mediante el cierre hidráulico 10, baña los chorros corrientes del condensado, se condensa y los calienta. El vapor que aquí se forma, se evacua a través del racor 4. El agua de alimentación desaireada se vierte por encima del umbral 17 de la hoja 16 y por el tubo de empalme (racor) 15 entra en el depósito de acumulación. Para calentar el condensado se emplea el vapor formado en el CalAP sucesivo (con respecto al agua) que llega a través de la tubuladura 14 hacia la caja 13. Además, por medio de la tubuladura se suministra adicionalmente el vapor desde los vástagos de las válvulas de la turbina. Figura 8. Estructura del desaireador:

1- cuerpo; 2- suministro del condensado principal; 3- suministro del vapor de la tubería de recirculación de las bombas de alimentación; 4- salida del vapor formado en el desaireador; 5, 18 y 20 - bandejas; 6 - tubo de rebose; 7 - vaciado de éste; 8 - suministro del agua desde las empaquetaduras de las bombas; 9 - suministro del vapor de calefacción; 10 - cierre hidráulico; 11 y 12 - salida del vapor y del agua sobrantes; 13 - caja; 14 - racor de suministro del vapor formado en el desaireador; 15 - salida del agua de alimentación; 16 -hoja de burbujeo; 17 - su umbral; 18 - suministro de vapor de los vástagos de las válvulas.


130. SISTEMAS DE ABLANDAMIENTO DE AGUA PARA PLANTAS TÉRMICAS. EXPLIQUE SUS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN Y DIAGRAMA. Los sistemas de ablandamiento de agua son los siguientes: Ablandamiento de agua por precipitación: fuera de la solución de los compuestos que producen la dureza del agua, el método más utilizado fue el de ablandamiento a la cal, método seguido por el sistema de ablandamiento por zeolita. Hoy día este método se denomina método de carbono, a causa de que el carbonato de calcio precipita fuera del agua. El proceso de ablandamiento frío por cal y sosa: trata agua bruta con cal, hidróxido de calcio y sosa o carbonato sódico, para reducir parcialmente la dureza. El proceso de ablandamiento caliente por cal y sosa: opera a 200 F (100 C) y más, utiliza vapor como fuente térmica. El calor produce una reacción química más rápida. El proceso de ablandamiento por zeolita: usa una sustancia de tipo arenoso que puede ser de origen natural o sintético. Esta sustancia se dispone en el interior de un dispositivo como si fuera lecho filtrante. La zeolita tiene la propiedad de intercambio básico. Cuando el agua dura pasa a través de un lecho de zeolita, los compuestos cálcicos y de magnesio pasan a la zeolita y son sustituidos por el sodio de la zeolita. El bicarbonato cálcico se convierte en bicarbonato de sodio y el sulfato de magnesio se convierte en sulfato de sodio. Estos compuestos sódicos no forman incrustaciones; de este modo el intercambio iónico ablanda el agua al libera rla de sus compuestos duros. Intercambio iónico: utiliza intercambiadores iónicos nuevos y más versátiles en el tratamiento de agua. Está basado en el principio de que las impurezas que se disuelven en el agua se disocian en partículas cargadas positiva y negativamente, conocidas como iones. Estos compuestos o impurezas se denominan electrolitos, los iones positivos se denominan cationes y los negativos aniones, los cationes emigran al electrodo negativo y los aniones al electrodo positivo. Figura 9. Tipos de ablandadores de agua. a) Ablandador común frío por cal; b) Ablandador calienta por cal.


131. SISTEMAS DESMINERALIZACIÓN DE AGUA PARA PLANTAS TÉRMICAS DE ALTA PRESIÓN. EXPLIQUE SUS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN. Los sistemas más utilizados para obtener agua en condiciones adecuadas para la alimentación de las calderas son: -

Tratamiento por procedimiento químico. Tratamiento por procedimiento térmico. Desmineralización por membrana eléctrica.


Tratamiento por procedimiento químico. Consiste en añadir al agua que se trata, determinadas sustancias que produzcan la precipitación de las materias incrustantes, los procedimientos más utilizados son:

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Proceso de la cal-sosa: consiste en añadir cal (hidróxido de calcio) para eliminar la dureza temporal (retirar carbonos de magnesio y calcio), y sosa (carbonato sódico), para la eliminación de la dureza permanente (sulfatos, cloruros y nitratos), pudiéndose separar posteriormente los compuestos que se forman por filtración. Proceso de la permutita (silicatos hidratados de aluminio y sodio): consiste en absorber el calcio y el magnesio de las aguas, permutándolas con el aluminio y el sodio. Con este sistema no se forman precipitados y cuando la permutita se vuelve inerte, puede generarse mediante un lavado de salmuera (cloruro sódico) que restituye el sodio de la permutita.

En otros casos se utilizan permutitas artificiales (egolitas) las cuales soportan altas temperaturas y la acción de los ácidos, el agua entra por un distribuidor de tubos en la parte alta, fluye en forma descendente a través de un lecho de zeolita y partículas de cuarzo, que separa las materias en suspensión y se extrae por el haz de tubos de la parte inferior. Para la generación se lava previamente, luego se inyecta a la salmuera para regenerar el sodio perdido y por ultimo se enjuaga para quitar el exceso de sal; todo esto se controla por medio de una sola llave de varios pasos Tratamiento por procesos térmicos: Este procedimiento consiste en destilar el agua en vaporizadores y así obtener agua casi pura. Desmineralización por membrana eléctrica: Consiste en retirar aniones y cationes de minerales disueltos en el agua, a través de láminas delgadas (cambiadores de iones) que se ubican entre placas eléctricas y que reducen el nivel de sales. Cada una de estas láminas deja pasar solo un tipo de carga de estos iones y entre ellas existen acumuladores que recogen el agua y se retira por el cabezal. 132. CIRCUITO DE VAPOR PARA CALDERAS ACUOTUBULARES DE PETRÓLEO DE PLANTAS TÉRMICAS DE ALTA PRESIÓN. EXPLIQUE SUS CARACTERÍSTICAS MEDIANTE DIAGRAMAS. S es el recalentador por radiación que envuelve el hogar; C es un recalentador por convección; D es un calderín situado en un punto conveniente fuera del hogar; la bomba de alimentación está representada en P; el economizador en E y el calentador de aire en A. Se usa una bomba de circulación de vapor para extraerlo del calderín y lanzarlo a través de los recalentadores de radiación y de convección, montados en serie, hasta los puntos J y K, tras los cuales una parte del vapor se destina al consumo y el resto se devuelve al calderín. El vapor recalentado que ha pasado por J y K vuelve al calderín, Cede su recalentamiento y produce una cantidad adicional de vapor saturado. El agua de alimentación es introducida por la bomba, pasando previamente por el economizador y luego entra en la línea de vapor donde tiene lugar alguna evaporación; entonces la mezcla de vapor y agua entra en el calderín por encima del nivel


de agua del mismo. Tan sólo una pequeña parte del vapor procedente del recalentado por convección pasa a la corriente principal de vapor de consumo, volviendo el restante al calderín. En estas calderas de alta presión, el vapor se genera en recipientes no expuestos directamente al calor del hogar, conteniendo los tubos sólo vapor denso y seco. 133. MUESTRE UN DIAGRAMA Y EXPLIQUE LAS CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE CONDENSADO PARA UNA PLANTA TÉRMICA. En las plantas térmicas es de mucha importancia la recuperación del condensado, para luego recircular el agua con ayuda de una bomba. En las centrales termoeléctricas, en la mayoría de las veces se utiliza el sistema de suministro de agua por recirculación, a causa del gran agotamiento de los recursos ácueos de toda una serie de países, y también por las condiciones que se plantean de protegerla naturaleza. En las centrales eléctricas con instalaciones de condensación, se utilizan cada vez más los sistemas de recirculación con refrigerantes artif iciales. Para este caso es de mucha importancia el uso de los condensadores de vapor y el uso de las torres de enfriamiento, también hay que pensar en un depósito para almacenar el agua recuperada. A continuación, veamos los diferentes tipos de condensadores existentes. Figura 10. Esquema de principio de una instalación de condensación.

1. Turbina de vapor

2. Condensador

3. Bomba de circulación

4. Bomba condensado

de

5. eyector de aire En las instalaciones de turbinas de vapor se emplean los siguientes tipos de condensadores: Condensador de superficies acuosas: Su principal ventaja consiste en la conservación del condensado para la alimentación de las calderas. Están formados por un recipiente de forma comúnmente cilíndrica, dentro del cual están localizados los tubos condensadores.  Condensadores aéreos: En ellos el condensado también se conserva, pero son más voluminosos, pues tienen coeficiente de traspaso de calor menores desde la superficie de 


enfriamiento hacia el aire. El campo de empleo de estos condensadores es muy limitado. Se emplean en regiones donde no hay fuentes de aprovisionamiento del agua.  Condensadores mezcladores: Debido a la perdida de condensado con el agua de enfriamiento no se emplean en instalaciones modernas. La ventaja de ellos, consiste en obtener un vacío más profundo para una temperatura dada de agua de enfriamiento. El vapor de desecho de loa turbina ingresa al condensador contactando directamente con el agua de enfriamiento. De acuerdo con la construcción del condensador también podemos distinguir varios tipos. De acuerdo con el uso del agua de circulación: Los condensadores suelen ser de una, de dos, de tres, y de cuatro vías (pasos corrientes. En los condensadores de dos vías el torrente de agua de circulación cambia el sentido en 180º en una de las cámaras acuosas. De acuerdo con la ubicación de sus tabiques: Los condensadores se ejecutan dobles y sencillos. Los condensadores dobles además de tabiques horizontales en las cámaras acuosas tienen también tabiques verticales, dividiendo así el flujo de enfriamiento en dos tubos paralelos autónomos. La ventaja de los condensadores dobles consiste en la posibilidad de limpiarlos durante el funcionamiento de la turbina. De acuerdo con el curso del vapor y con la succión del aire: Los hay de flujo central de vapor. En el condensador con flujo ascendente y de flujo central de vapor. En el condensador con flujo ascendente del vapor, el vapor de desecho de la turbina se dirige a su parte inferior. La succión del aire se da en la parte superior. En el condensador con flujo central de vapor, la succión de la mezcla vapor-aire se efectúa a través de un tubo instalado en la parte central a lo largo del condensador. 134. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LAS TRAMPAS DE VAPOR. ESQUEMAS Generalmente se utilizan seis tipos de trampas de vapor éstas se instalan: Antes de los motores primarios.    

En las vueltas ascendentes o en los cabezales verticales de las líneas de vapor. En los extremos de los tendidos de líneas. En donde quiera que se necesite drenaje. En la descarga del extremo de retorno de los intercambiadores.

Trampa de vapor de flotador: (Figura 11) Un flotador metálico va unida a una válvula. Cuando el flotador sube, la válvula se abre para descargar el condensado. Cuando el flotador baja, la válvula se cierra. A veces debe abrirse la válvula que ésta en la parte superior para sacar el aire. Para hacer esta válvula completamente automática, se agrega una trampa termostática en la salida para ventilar el aire. Tales válvulas se llaman "de flotador" y "termostáticas".


Figura 11. La trampa de vapor de flotador hace salir el aire, admite sólo retorno de condensado.

Trampa termostática: Un fuelle metálico se llena con un líquido volátil. Cuando el vapor calienta el fuelle, el líquido se expande, la cual hace que la válvula se asiente. La presencia del condensado más frío ocasiona que el fuelle se contraiga y se abra la válvula, lo que permite un ligero vacío en los fuelles. Esto hace que la presión atmosférica comprima más el fuelle (Figura 12).

Figura 12. La trampa termostática tiene un fuelle lleno de un líquido volátil.

Trampa de oscilación: una trampa de oscilación tiene dos válvulas. La contigua a la atmósfera permite que la trampa se llene. Cuando el cuerpo está lleno, la gravedad inclina la trampa y cierra la ventila. La válvula de vapor abre y la presión interior de la trampa se iguala con la presión de la caldera. La gravedad permite que el condensado fluya hacia la caldera. Estas trampas normalmente reciben condensado de una o más trampas de flotador o termostáticas. Las trampas de oscilación o basculantes deben montarse a mayor altura que la línea del nivel de agua de la caldera. Algunas han sido diseñadas para accionar un inyector y se usan para calderas alimentadoras. Trampas del tipo de cuchara vertical: (Figura 13) En este caso se usa una cuchara vertical en lugar del flotador. Cuando la trampa está llena de aire, la cuchara se encuentra abajo y la válvula


está abierta, lo que permite que el aire escape en el primer arranque. El flujo entrante de condensado llena parcialmente el cuerpo y va llenando la cuchara, con ello la hunde y abre la válvula. Cuando entra el vapor, el condensado es forzado hacia arriba a través del tubo y hacia fuera a través de la válvula, hasta que la cuchara se vacía y sube, lo cual hace que la válvula se cierre. Después de eso, la válvula no soltaría aire a no ser que esté equipada con una ventila para aire, como se muestra, o con una ventila termostática de aire que trabaje automáticamente.

Figura 13. La trampa de cuchara hacia arriba tiene una ventila de aire dentro del tubo de descarga. Trampa de cuchara invertida: (Figura 14) Una cuchara invertida va unida a una válvula de descarga en la parte superior del cuerpo de la trampa. Una pequeña ventila de aire está en la parte superior de la cuchara. Una mezcla entrante de agua, vapor y aire es separada. El aire entra a la cuchara, se fuga por la ventila y se junta en la parte superior de la trampa. El condensado sella la cuchara, que cuando está llena de vapor sube y cierra la válvula para repetir el ciclo. Si se necesita una mayor descarga de aire, se usa una ventila termostática en la parte superior de la trampa para que pase el aire y se selle contra el vapor.

Figura 14. La trampa de cuchara invertida hace salir el aire cada vez que la válvula se abre.


Trampa de impulso: (Figura 15) Dos orificios en una válvula hueca están balanceados por la presión que hay en un cilindro superior. Esta presión está controlada por un poco de condensado que pasa a través de los orificios en tándem. Un cambio en la temperatura del condensado, lo que acciona la válvula para que se abra.

Figura 15. La trampa de impulso es simple y compacta; tiene sólo una parte móvil.

135. ESQUEMA DE ARRANQUE PARA UNA CALDERA ACUOTUBULAR DE UNA PLANTA TÉRMICA. EXPLICAR ADEMÁS LA CURVA DE ARRANQUE DE LA CALDERA CONSIDERANDO QUE LA MISMA TIENE UNA PRESIÓN DE 68 BAR. El encendido de una caldera es una operación de gran importancia y repercusión para su explotación segura y propagada; durante el mismo los diferentes elementos sufrirán un proceso de calentamiento, el cual, de no ser bien controlado, podrá provocar tensiones adicionales que producen roturas.

Figura 16. Principales elementos que intervienen en el encendido de una caldera.


Figura 17. Curva de encendido de una caldera. Los elementos que tienen mayor peligro durante el encendido son los metálicos, especialmente el domo, los colectores y las tuberías de vapor de gran espesor. El peligro radica en que, si el calentamiento es muy brusco, producto de los espesores de estos elementos, se provocan diferencias de temperatura en sus superficies exterior e interior, que crean tensiones adicionales, que se suman a las producidas por la presión interior que están sometidos y pueden sobrepasar la resistencia del material y hacerlo fallar. La velocidad de crecimiento de la temperatura en las partes metálicas está determinada por la velocidad de incremento de la presión durante el arranque; por ello los fabricantes para cada caldera estipulan como una norma la razón de incremento de la presión. La duración del encendido de una caldera depende de su potencia, pero por lo general demora entre 2 y 5 horas. Los pasos que se deben dar para el encendido de una caldera colocada en un sistema centralizado son: 1. Se abren las válvulas de drenaje 1 y 2 con el fin de permitir cierta limpieza y la salida de cualquier agua acumulada. 2. Se abren las válvulas de purga de aire 3 y 4; la primera colocada en el domo y la segunda a la salida del sobrecalentador. 3. Se chequea que estén bien cerradas las válvulas de incomunicación 5 y6. 4. Se abre la válvula 7 de la línea de agua de alimentación y comienza a llenarse la caldera. Se recomienda que el agua este a 60° – 80°C. Una vez que ha salido cierta cantidad de agua se cierran las válvulas 1 de drenaje y la caldera se llena hasta que alcanza un nivel ligeramente inferior al normal de operación, ya que cuando comience la ebullición se incrementará por el volumen que desplacen las burbujas de vapor. 5. Se ponen en funcionamiento los ventiladores de tiro inducido o de tiro natural, para realizar una limpieza del conducto de gases y evitar que puedan quedar acumulado gases que provoquen una explosión cuando se enciendan los quemadores. 6. Se encienden el primer quemador, se conecta el tiro forzado, y comienza el calentamiento; deberá hacerse por la carta de régimen, lo que poseerá la curva de presión contra tiempo que deberá seguirse. El incremento de la presión se deberá controlar mediante el consumo de combustible. 7. Cuando por la válvula de purga de aire 3 comience a salir vapor se espera un cierto tiempo para garantizar que en el domo no queden aire y se cerrará. 8. Se continúa el incremento de la presión, y por lo tanto de la temperatura de los diferentes elementos y se expulsa vapor por la válvula de drenaje de aire 4 a la salida del sobrecalentador. El primer vapor que pasa por el sobrecalentador ayuda a evaporar el


condensado que haya podido quedar en él y posteriormente inicia su calentamiento progresivo. 9. Durante el encendido debe realizarse en dos o tres ocasiones extracciones por las válvulas de drenaje 1; esto para la necesaria uniformidad del calentamiento. 10. A una presión aproximada de 5 átm. se abre ligeramente la válvula 5 y se permite que el vapor escape por la 2, con el objetivo de calentar la línea de suministro al cabezal. 11. A una presión ligeramente inferior a la del cabezal se abren completamente las válvulas 5 y 6 y se cierran las 4 y 2, lo que deja interconectada la caldera. Esta operación se hace a una presión menor para evitar que si la caldera se interconecta a una presión superior que la que tiene el cabezal, su presión podría caer bruscamente y producirse una intensificación de la evaporación producto de su capacidad acumuladora y verse afectado su régimen de circulación. Se recomienda que la presión de la caldera sea de 1 a 2 átm. menor que la del cabezal. 12. Conectada ya la caldera al cabezal se incrementará el combustible según la carga que deba tomar para satisfacer la demanda de los consumidores. 136.- SE TIENE UNA PLANTA TÉRMICA CON UNA CALDERA ACUOTUBULAR DE PRESIÓN ALTA. EXPLIQUE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LOS SOPLADORES DE HOLLÍN Y SU ESQUEMA DE OPERACIÓN. La eliminación de la ceniza de las superficies de transferencia durante la operación del generador de vapor se realiza fundamentalmente mediante equipos conocidos con el nombre de sopladores. En este caso la limpieza se efectúa a partir de chorros de vapor, aire o agua, que se suministran periódicamente mediante toberas. Los sopladores que se utilizan tanto para las superficies convectivas como radiantes son muy semejantes. El eje del aparato es accionado por un motor eléctrico a través de un reductor y mediante una guía y una leva recibe un movimiento de avance de manera que la boquilla, que posee dos toberas diametrales, se utiliza en el horno. Cuando el movimiento de avance termina, el eje comienza a girar y la leva presiona el vástago de la válvula de vapor, comenzando el suministro a las toberas, que trazan un círculo con los chorros. La limpieza efectiva en un diámetro de 2 a 2.5 m, durando el proceso de 0,5 a 1,0 minutos, pasado lo cual se cierra la válvula y la boquilla retorna a su posición inicial mediante el giro inverso del eje. De esta forma se protege el soplador de la posibilidad de un recalentamiento. Los sopladores trabajan con vapor saturado sobrecalentado, con temperaturas de hasta 400 oC y presiones de 10 a 15 atmósferas. El gasto de vapor requerido es de 4 a 6 T/h. Los sopladores para las superficies convectivas son muy parecidos al anterior, pero en este caso el tubo de soplado se encuentra situado permanentemente en el conducto, recibiendo sólo un movimiento giratorio. Esto es posible porque se instalan en zonas donde la temperatura es inferior a 75oC. El tubo posee dos filas de toberas, a una distancia una de otra de acuerdo al paso de los tubos de la superficie de transferencia. Al girar el tubo de soplado, los chorros trazan un cilindro que en un radio de un metro logran una limpieza efectiva.


138. SE TIENE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA CON UNA CALDERA ACUOTUBULAR QUE OPERA A UNA PRESIÓN DE 90 KG/CM 2. EXPLIQUE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y OPERACIONALES DE LOS CALENTADORES DE AIRE. Un gran paso fue la aparición de la caldera acuotubular horizontal de secciones (figura 18) que propició la creación de unidades de caldera de dimensiones relativamente pequeñas, con potencias de vaporización en amplios límites, y que solucionó en principio el problema del paso a presión más elevada del vapor. Un elemento de diseño que distingue a estas calderas son las cajas (secciones) de acero estampadas, que tienen resistencia suficiente para el funcionamiento a elevadas presiones hasta 100 kg-f/cm 2. Figura 18. Caldera acuotubular horizontal de secciones.

Los calentadores regeneradores se suministran en conjunto con las turbinas; no se prevén calentadores de reserva. Los calentadores se eligen según el paso de condensado principal o de agua de alimentación a través de ellos. Cuando el consumo de agua calentada es grande se instalan dos o tres hilos paralelos de calentadores regeneradores. Para el tipo de central mencionada se utilizan calentadores de tipo regenerativo. En la figura 19 se aprecia el corte de un calentador regenerativo. Hay un rotor movido por un pequeño motor de 3 o 4 hp con engranaje de reducción, el rotor gira a 3 rpm y consume normalmente 1.5 cv. Como se aprecia, el cojinete superior es de guía y empuje. El extremo inferior del árbol lleva otro cojinete de guía; ambos cojinetes son de bolas y sumergidos en aceite. En el corte-vista se indica un sector por encima y otro por debajo del rotor, que es fijo y separa las secciones de humos y de aires. El rotor lleva varias empaquetaduras radiales que rozan contra las placas de fondo y de techo e impiden la entrada de los humos en sector de aires.


Figura 19. Calentador de aire Ljungstrom con soporte central y motor para el rotor Estos nuevos cierres han disminuido los escapes de aire para la misma diferencia de presión entre las cámaras de humo y aire en una mitad, de modo que en las mismas condiciones de funcionamiento las fugas en este calentador no son mayores que en los de los tipos tubular y de placa. Los elementos del rotor son planchas con grandes ondulaciones entre ondas onduladas, siendo perpendiculares ambas ondulaciones. Este tipo de calentador de aire se construye en la actualidad para instalaciones en muy bajas temperaturas. En funcionamiento normal el humo del hogar asciende a través de la parte del rotor a él desti nada y calienta las planchas. Al girar el rotor esta sección pasa ala zona de aire y entrega el calor almacenado al aire que hace de refrigerante. Una comparación a bulto indicaría que un palmo d e altura en el calentador regenerativo equivale a 12 palmos en cualquier otro calentador. En grandes espacios, donde este es un factor de importancia, se prefiere el calentador regenerativo. Puesto que los elementos del rotor son calentados y enfriados continuamente. Se puede trabajar con una temperatura de 540ºC mientras que, en otros, el límite es de 430ºC a 450ºC. 139. EXPLIQUE EL SISTEMA DE PURGAS DE UNA CALDEA DE ALTA PRESIÓN PARA UNA PLANTA TÉRMICA. ¿CÓMO SE MANTIENE EL RÉGIMEN DE CONTROL QUÍMICO DEL AGUA EN EL DOMO? El sistema de purgas de una caldera de alta presión está constituido por una purga de fondo que retira los precipitados que se aglutinan y caen al fondo en la región más fría de la caldera y así evitar que se adhieran a la superficie de la caldera; y por una purga continua o intermitente que retira los precipitados que se mantienen en suspensión, si el vapor que abandona a la caldera es


duro, todos los sólidos disueltos o suspendidos en el agua más las sustancias químicas agregadas en el tratamiento térmico interno se acumularan, y gradualmente se concentrarán, por lo tanto el número de purgas debe ser lo suficiente y forzosamente debe estar en la parte de mayor concentración, con el objetivo de evitar pérdidas de calor por purga. Es usual y de muy buena práctica instalar línea de purga continua en el domo superior donde se libera el vapor. Las válvulas de purga deben estar una tras otra y se recomienda que la válvula que se encuentra hacia el exterior, sea la que se use para estrangular y regular el flujo; y la que está cerca al domo sea la de abrir y cerrar, para así reparar la válvula de estrangulación las veces que sea necesario. El régimen de control químico del agua en el domo debe proteger la corrosión de la caldera en su parte interior y evitar la cristalización del metal, debido que a medida que se incrementa la presión, el nivel de operación es más peligroso, por lo que es mejor controlar las impurezas que eliminarlas por purga. 141. DIFICULTADES OPERACIONALES DE LOS SISTEMAS DE CONDENSADOS. CUIDADOS QUE DEBEN OBSERVARSE EN SU OPERACIÓN.

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En toda instalación comercial donde un condensador de superficie sirva a un turboalimentador, encontramos los fenómenos de la diferencia de temperatura, variación del vacío en función de la estación del año y baja temperatura en el pozo de condensado.

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En grandes instalaciones condensadoras, la elevación de temperatura del agua puede ser tan pequeña como de 3 a 9 C con un salto térmico de 6 a 11 C entre el condensado y el agua de salida. Además, habrá una pequeña caída de temperatura entre la del vapor de escape que entra en el condensador y la del pozo de condensado.

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Teniendo en cuenta que muchas centrales térmicas que usan condensadores toman su agua de circulación de ríos o lagos cuyas temperaturas fluctúan según las estaciones del año, es evidente que el vacío que se obtiene también variará siendo máximo con el agua más fría.

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Es aconsejable separar del agua de alimentación las impurezas que luego pudieran atascar los tubos del condensador.

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Se usan bombas verticales y horizontales indistintamente. La bomba de corriente axial es una última adaptación que permite colocarla a la vista del personal de servicio, pueden usarse tubos de acero de fundición o túneles de hormigón para las canalizaciones de toma y descarga, según las condiciones locales.


Cuestionario de Plantas

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