CUESTIONARIO DE PREGUNTAS 112. Establecer una analogía entre una central termoeléctrica y un ciclo Rankine y explique la func funció iónn de cada cada una una de sus sus part partes es me medi dian ante te su repr repres esen enta taci ción ón en un di diag agra rama ma termodinámico. 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 lo efectúa en este caso una bomba para líquidos, la cual comprime isentropicamente él 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 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. turbina.
Extracción de calor a presión constante en un condensador. Figura 1. 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 temp temper erat atur uraa prom promed edio io a la cual cual sumi sumini nist stra ra calo calorr dura durant ntee el proc proces esoo 3-3’ 3-3’ es mayo mayorr que que la temperatura existente durante el proceso adición de calor en la sección de la caldera, ca ldera, mientras que la temperatura de condensación sigue 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 Rankine en el cual el suministro suministro y extracción extracción del de calor se efectúan a presión presión constante 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 H o = i0 – i con.ad (Figura 6). En el proceso real, a causa de las pérdidas de energía, en la turbina turbina sólo se utiliza una parte de la caída caída de vapor disponible disponible Hi = i0 – icon. Figura 2. Proceso convencional convencional de trabajo de una turbina de de condensación en el diagrama diagrama i-s
i0, icon.ad : entalpía inicial y final del trabajo del vapor en el proceso ideal de trabajo de la turbina, en kJ/kg icond : entalpía final del vapor en el proceso real de trabajo de la turbina.
114. Se tiene una planta térmica cuya generación de vapor se desarrolla a partir de calderas acuotu acuotubul bulare aress que trabaj trabajan an con petról petróleo eo.. Muestr Muestree median mediante te un dia diagra grama ma de flujo flujo la organización del sistema de combustible y explique su operación.
Figura3. Esquema del sistema de mazut de una central termoeléctrica
1. carro cisterna 3. receptáculos 5. Ca Calentadores de de se serpentín 7. Filtros burdos 9. Calentadores de vapor 11. 11. Bomb Bombas as de seg segun unda da ele eleva vaci ción ón 13. Medidor de gasto
2. canales entre rieles 4. Bomba de inmersión 6. De Depósitos pr principales 8. Bomba de primera elevación 10. Filtros finos 12. 12. Regu Regula lado dorr de gast gastoo 14. Válvula reguladora.
De todos los combustib combustibles les líquidos líquidos en los generadores generadores de vapor sólo se utiliza petróleo 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 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 perdidas 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. 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 paralelo, 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 =
....... = ∆b (2) n
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 representan 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. 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 parafínicos son particularmente muy viscosos y requieren ser calentados a mayores temperaturas a veces hasta 105 a 130 0C. 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 tiene 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. Los domos 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. 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.
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 ó 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 3. Parte radiante media 5. Sobrecalentador de v primario 7.Paquete de salida del sobrecalentador de v.
2. Parte radiante inferior 4. pantallas 6. Sobrecalentador de vapor secundario 8. Paquetes del sobrecalentador de v.
primario. 9. Economizador acuoso
Secundario
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 a 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 numero 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 acabo 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
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 condensado 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 desaireaciónalimentación 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 CO2, 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 tubuladura 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 través 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 liberarla 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: •
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 mas los sistemas de recirculación con refrigerantes artificiales. 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 deposito 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 de condensado 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 esta 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/cm2. 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/cm2. 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 destinada 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 esta constituido por una purga de fondo que retira los precipitados que se aglutinan y caen al fondo en la región mas 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 mas 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 esta 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. •
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.
BIBLIOGRAFÍA
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CENTRALES TERMOELECTRICAS. V. Ya. Rizhkin. Primera y Segunda parte. Editorial Mir Moscú. 1979.
INSTALACIONES TERMOENERGETICAS DE LAS CENTRALES ELECTRICAS. D. P. Elizarov.
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TERMOTECNIA pvT. Conferencias. Ing. Iván Caneva Rincón. Barranquilla, 1996.
