Informe Informe Centrales Centrales Ter T ermoeléctricas moeléctricas
Integrantes: Felipe Cordova Roberto Castro Daniel Gatica Sección:
800
Introdcción !a primera central termoeléctrica nace en "eva #or$ #or$ en %88& constrida con la primera estación generadora' (l principio de fncionamiento de na central térmica se basa en el intercambio de energ)a calórica en energ)a mec*nica + lego en energ)a eléctrica' !as primeras centrales ,e se constr+eron eran m*,inas de vapor a pistón- similares en s fncionamiento a na locomotora + ,e mov)an al generador
Introdcción !a primera central termoeléctrica nace en "eva #or$ #or$ en %88& constrida con la primera estación generadora' (l principio de fncionamiento de na central térmica se basa en el intercambio de energ)a calórica en energ)a mec*nica + lego en energ)a eléctrica' !as primeras centrales ,e se constr+eron eran m*,inas de vapor a pistón- similares en s fncionamiento a na locomotora + ,e mov)an al generador
Ter T ermoeléctricas moeléctricas !os combstibles fósiles se .an tili/ado desde .ace décadas en la prodcción de energ)a' a+ varios tipos de centrales termoeléctricas de las ,e tili/an combstibles fósiles- reciben el apelativo de convencionales o cl*sicas' Centrales Termoeléctricas: Convencionales: 1Fel 2il 1 Carbón 1 Gas "atral "o convencionales:
1 "cleares
1 Solares 1 Geotérmicas
Fncionamiento
S fncionamiento se basa principalmente en este principio: 3asar de (nerg)a térmica a energ)a mec*nica + lego a energ)a eléctrica'
!as Termoeléctricas Convencionales (s na instalación empleada en la generación de energ)a eléctrica a partir de la energ)a liberada en forma de calor- normalmente mediante la combstión de combstibles fósiles como petróleo- gas natral o carbón' (ste calor es empleado por n ciclo termodin*mico convencional para mover n alternador + prodcir energ)a eléctrica' Caracter)sticas del Carbón: - (l carbón es n combstible fósil- de color negro-
m+ rico en carbono - Sele locali/arse ba4o na capa de pi/arra + sobre
na capa de arena + ti/a - Se cree ,e la ma+or parte del carbón fe
formada drante la era carbon)fera Se forma: - Se origina por descomposición de vegetales
terrestres- .o4as- maderas- corte/as- esporas- ,e
se acmlan en /onas pantanosas- lagnares o marinas- de poca profndidad - !os depósitos de carbón tienen frecente
asociación de mercrio - (n las cencas carbon)feras las capas de carbón
est*n intercaladas con otras capas de rocas sedimentarias - (n las cencas .lleras se conservan- tanto en el
carbón como en las rocas intercaladas- restos + marcas de vegetales terrestres ,e pertenecen a especies actalmente desaparecidas
Tipos de Carbón (l rango de n carbón mineral se determina en fnción de criterios tales como s contenido en materia vol*til- contenido en carbono 54o- .medadpoder calor)5co- etc' 6s)- a ma+or rango- ma+or es el contenido en carbono 54o + ma+or el poder calor)5comientras ,e dismin+en s .medad natral + la cantidad de materia vol*til
- 6ntracita - 7itminoso ba4o en vol*tiles - 7itminoso medio en vol*tiles - 7itminoso alto en vol*tiles - Sb1bitminoso - !ignito - Trba
!a .lla es n carbón mineral de tipo bitminoso medio + alto en vol*tiles
6lgnas aplicaciones - Generación de energ)a eléctrica - Co,e - Siderrgia - Indstrias varias - so domestico - Carbo,imica
%1 6moniaco &1 9etanol - 3etróleo Sintético
(stas dos ltimas aplicaciones antigas son m+ contaminantes + re,ieren mc.a energ)adesperdiciando as) n tercio del balance energético global' Debido a la crisis del petróleo se .an velto a tili/ar ;Dónde se encentra< (l carbón se encentra en casi todas las regiones del mndo- pero en la actalidad los nicos depósitos de importancia comercial est*n en (ropa- 6sia6stralia- Sd*frica + 6mérica del "orte' (l carbón se pede obtener de dos formas: 9inas de cielo abierto o de ta4o + en minas Sbterr*neas
Gas "atral (l gas natral es na me/cla de gases ,e se encentra frecentemente en +acimientos fósiles- no1 asociado diselto o asociado con petróleo o en depósitos de carbón 6plicaciones del gas natral (l gas natral tiene diversas aplicaciones en la indstria- el comercio- la generación eléctrica- el sector residencial + el transporte de pasa4eros Desventa4as del petróleo + gas natral 1In=encia sobre el selo
1In=encia sobre el aga 1In=encia sobre la atmosfera 3ara solcionar estas desventa4as: %1 Incorporar n catali/ador en los tbos de escape de los atomóviles de gasolina &1 tili/ar 5ltros de catali/ador en las instalaciones de combstión >1 Tratar adecadamente el aga de refrigeración en las centrales térmicas ?1 (stablecer medidas de segridad @1 3romover la sstitción de estos combstibles por fentes de energ)a m*s limpias + renovables
!as Termoelectricas "o Convencionales (stas peden ser m*s e5cientes + menos contaminantes ,e las convencionales:
n ciclo combinado aprovec.a an m*s la energ)a disponible en n combstible 9ediante dos m*,inas generadoras de electricidad: - na trbina de gas + na trbina de vapor' - 2peran en ciclos termodin*micos distintos
conocidos como A 7ra+ton + Ran$+neB'
Central "clear
Central Geotérmica:
3rincipales enta4as: - (s na energ)a renovable' - !a energ)a geotérmica es m+ abndante' - (s constante A&? .oras al d)aB' - Relativamente limpia + barata ' - "o depende de componentes fósiles'
Desventa4as: - !a energ)a geotérmica no se pede transportar'
- las centrales geotérmicas son m+ grandes +
costosas' - tiene n gran impacto visal'
Diagrama de 92!!I(R (l diagrama de mollier es na representación de las propiedades del aga + del vapor de aga' Se sa n sistema principal de coordenadas 1S A(ntalp)a1(ntrop)aB
(n el diagrama la l)nea de satración Aborde de la campana de cambio de faseB- es na l)nea de importancia' Separa la l)nea del l),ido satrado de la /ona de vapor sobrecalentado' Dentro de la campana de cambio de fases las isóbaras se confnden con las isotermas' (s decir si la condensación es presión constante- también ser* a temperatra constante' na propiedad importante de estas l)neas de condensación es ,e son rectas' (l pnto de origen del diagrama de mollier Acoordenadas 0B es % atm' De presión + 0C de temperatra' 6ll) se 54a la entrop)a + entalp)a con valor 0
!os diagramas de 9ollier sales solo representan na porción del espacio completo 1S' (sta representación se limita a las temperatras + presiones m*s sales + en general se eEcl+e la /ona de l),ido satrado o sbsatrado'
("T6!36 !a entalp)a Asimboli/ada generalmente como también llamada contenido de calor- + medida en la nidad 7tHlbB- es na fnción de estado- A,e sólo depende de los estados inicial + 5nalB ,e se de5ne como la sma de la energ)a interna de n sistema termodin*mico + el prodcto de s volmen mltiplicado por la presión' !a entalp)a total de n sistema no pede ser medida directamente- al igal ,e la energ)a interna- en cambio- la variación de entalp)a de n sistema s) pede ser medida eEperimentalmente' !a entalp)a se pede aplicar nicamente a cerpos a presión constante' !a entalp)a se de5ne mediante la sigiente ecación: Dónde:
es la energ)a interna'
3 es la presión del sistema'
es el volmen del sistema'
!a entalp)a total de n sistema no pede ser medida directamenteJ la variación de entalp)a de n sistema s) ,e pede ser medida en cambio' !a
variación de entalp)a se de5ne mediante la sigiente ecación:
K es la variación de entalp)a'
5nal es la entalp)a 5nal del sistema' (n na reacción ,)mica- 5nal es la entalp)a de los prodctos' inicial es la entalp)a inicial del sistema' (n na reacción ,)mica- inicial es la entalp)a de los reactivos' !a ma+or tilidad de la entalp)a se obtiene para anali/ar reacciones ,e incrementan el volmen del sistema cando la presión se mantiene constante por contacto con el entorno- provocando ,e se realice n traba4o mec*nico sobre el entorno + na pérdida de energ)a' ( inversamente en reacciones ,e casan na redcción en el volmen debido a ,e el entorno reali/a n traba4o sobre el sistema + se prodce n incremento en la energ)a interna del sistema' (n este caso- la variación de entalp)a se pede eEpresar del sigiente modo: D L D M 3 D
Donde D pede indicar na variación in5nitesimal Aa mendo denotada como dB o na diferencia 5nita Aa mendo denotada como KB' Sin importar si la presión eEterna es constante- la variación in5nitesimal de la entalp)a obedece a: d L T dS M d3
Siempre + cando el nico traba4o reali/ado sea a través de n cambio de volmen' !a entalp)a es la cantidad de calor- a presión constante- ,e trans5ere na sstancia' 3esto ,e la eEpresión T dS siempre representa na transferencia de calor- tiene sentido tratar la entalp)a como na medida del calor total del sistema- siempre + cando la presión se mantenga constanteJ esto eEplica el término contenido de calor' 3ara na reacción eEotérmica a presión constante- la variación de entalp)a del sistema es igal a la energ)a liberada en la reacción- incl+endo la energ)a conservada por el sistema + la ,e se pierde a través de la eEpansión contra el entorno' 6n*logamentepara na reacción endotérmica- la variación de entalp)a del sistema es igal a la energ)a absorbida drante la reacción- incl+endo la energ)a perdida por el sistema + la ganada a través de la eEpansión contra el entorno'
Entalpía estándar o normal !a variación de la entalp)a est*ndar de la reacción Adenotada como 0 ó 2B es la variación de entalp)a ,e ocrre en n sistema cando na nidad e,ivalente de materia se transforma mediante na reacción ,)mica ba4o condiciones normales na variación de la entalp)a est*ndar comn es la variación de la entalp)a est*ndar de formación- ,e .a sido determinada para na gran cantidad de sstancias' !a variación de entalp)a de cal,ier reacción ba4o cales,iera condiciones se pede comptar- obteniéndose la variación de entalp)a de formación de todos los reactivos + prodctos' 2tras reacciones con variaciones de entalp)a est*ndar son la combstión Avariación de la entalp)a est*ndar de
combstiónB + la netrali/ación Avariación de la entalp)a est*ndar de netrali/aciónB' ("TR236 Concepto de entrop)a Caracter)sticas Transferencia de entrop)a Irreversibilidad + entrop)a 3rincipio de amento de entrop)a Calclo de variaciones de entrop)a
Concepto de entrop)a'
Desigaldad de Clasis: !a desigaldad de Clasi es na relación entre las temperatras de n nmero arbitrario de fentes térmicas + las cantidades de calor entregadas o absorbidas por ellas- cando a na sstancia se le .ace recorrer n proceso c)clico arbitrario drante el cal intercambie calor con las fentes' (sta desigaldad viene dada por: dN H T OL 0 (n el caso de na cantidad in5nita de fentes'
(ntrop)a: (n la desigaldad de Clasis no se .an impesto restricciones con respecto a la reversibilidad o no del proceso- pero si .acemos la restricción de ,e el proceso sea reversible podemos ver ,e no importa el camino ,e semos para recorrer el proceso- el cambio de calor dN va a .acer igal en n sentido o en otro por lo ,e llegaremos a ,e: dN H T L 0 Como estamos imponiendo ,e semos n camino cal,iera esta diferencial es na diferencial eEacta + diremos ,e representa a na fnción de estado S ,e pde representarse por dS' (sta cantidad S recibe el nombre de entrop)a del sistema + la ecación: dN H T L dS establece ,e la variación de entrop)a de n sistema entre dos estados de e,ilibrio cales,iera se obtiene llevando el sistema a lo largo de cal,ier camino reversible ,e na dic.os estados- dividiendo el calor ,e se entrega al sistema en cada pnto del camino por la temperatra del sistema + smando los coe5cientes as) obtenidos' (n la pr*ctica- generalmente los procesos no son del todo reversible por lo ,e la entrop)a amenta- no es
conservativa + ello es en gran parte el misterio de este concepto' 1
Caracter)sticas asociadas a la entrop)a'
1 !a entrop)a se de5ne solamente para estados de e,ilibrio' 1 Solamente peden calclarse variaciones de entrop)a' (n mc.os problemas pr*cticos como en el disePo de na ma,ina de vapor- consideramos nicamente diferencias de entrop)a' 3or conveniencia se considera nla la entrop)a de na sstancia en algn estado de referencia conveniente' 6s) se calclan las tablas de vapor- e donde se spone cero la entrop)a del aga cando se encentra en fase li,ida a 0QC + presión de % atm' 1 !a entrop)a de n sistema en estado se e,ilibrio es nicamente fnción del estado del sistema- + es independiente de s .istoria pasada' !a entrop)a pede calclarse como na fnción de las variables termodin*micas del sistema- tales como la presión + la temperatra o la presión + el volmen'
1 !a entrop)a en n sistema aislado amenta cando el sistema eEperimenta n cambio irreversible' 1 Considérese n sistema aislado ,e contenga & secciones separadas con gases a diferentes presiones'
6l ,itar la separación ocrre n cambio altamente irreversible en el sistema al e,ilibrarse las dos presiones' 3ero el medio no .a sfrido cambio drante este proceso- as) ,e s energ)a + s estado permanecen constantes- + como el cambio es irreversible la entrop)a del sistema .a amentado'
Transferencia de entrop)a' !a entrop)a est* relacionada con la aleatoriedad del movimiento moleclar Aenerg)a térmicaB- por esto- la entrop)a de n sistema no decrece si no .a+ cierta interacción eEterna' 2crre ,e la nica manera ,e el .ombre conoce de redcir la energ)a térmica es transferirla en forma de calor a otro cerpoamentando as) la energ)a térmica del segndo cerpo + por ende s entrop)a' 3or otro lado trans5riendo energ)a térmica es posible redcir la entrop)a de n cerpo' Si esta transferencia de energ)a es reversible- la energ)a total permanece constante- + si es irreversible la entrop)a amenta' De lo anterior se concl+e ,e el calor es n =4o de entrop)a' (n el caso de la transferencia de energ)a mec*nica- i'e' f de traba4o- no .a+ n =4o directo de entrop)a'
Si la transferencia de energ)a mec*nica en n sistema se reali/a con irreversibilidad se prodcen amentos de entrop)a en el sistema- es decir se generan entrop)a' (sta generación de entrop)a trae consigo na pérdida de traba4o tili/able debido a la degradación de la energ)a mec*nica prodcida por las irreversibilidades presentes como lo es el roce'
Irreversibilidad + entrop)a' 6.ora nos podr)amos pregntar: ;De ,é depende la reversibilidad de n proceso< na respesta a esto es decir ,e la variación de entrop)a es el criterio ,e permite establecer el sentido en ,e se prodcir*n en n proceso determinado ,e cmpla con el primer principio de la termodin*mica' 6s)- el ingeniero mec*nico est* interesado en la reversibilidad + en las variaciones de entrop)a por,e desde s pnto de vista algo se .a perdido cando se .a prodcido n proceso irreversible- en na m*,ina de vapor o en na trbina' !o ,e se .a perdido- sin embargo- no es energ)a- sino na oportnidad' !a oportnidad de transformar energ)a térmica en energ)a mec*nica' 3esto ,e la energ)a interna de na sstancia ,e evolciona en na ma,ina térmica se recpera generalmente por absorción del calor- decimos ,e lo ,e se pierde es na oportnidad de convertir calor en traba4o mec*nico'
(s imposible eEtraer calor de na nica fente + .acer fncionar na ma,ina c)clicaJ en cambio podr)amos .acer fncionar na ma,ina entre dos fentes- na caliente + otra fr)a- eEtra+endo calor de na + entreg*ndosela a la otra- + disponiendo de na parte de ese calor para prodcir traba4o mec*nico' na ve/ ,e las fentes .an alcan/ado la misma temperatraesta oportnidad esta irremediablemente perdida' 3or lo tanto cal,ier proceso irreversible en na ma,ina térmica dismin+e s rendimiento- es decir- redce la cantidad de traba4o mec*nico ,e pede obtenerse con na cierta cantidad de calor absorbido por la sstancia ,e evolciona'
3rincipio del amento de entrop)a' Todos los procesos reales son irreversibles' Se prodcen a na velocidad con diferencia s 5nitas de temperatra + de presión entre los diferentes partes de n sistema o entre n sistema + el medio ambiente' (n mec*nica se introdcen los conceptos de energ)a- cantidad de movimiento + otros por,e se conservan' !a entrop)a no se conserva- sin embargoeEcepto en los procesos reversibles + esta propiedad no familiar- o falta de propiedad de la fnción entrop)a- es na ra/ón del por,e eEiste cierto misterio sobre el concepto de entrop)a' Cando se me/cla n vaso de aga caliente con no de aga fr)a-
el calor entregado por el aga caliente es igal al recibido por el aga fr)a- sin embargo la entrop)a del aga caliente dismin+e + la del aga fr)a amentaJ pero el amento es 9a+or ,e la disminción por lo ,e la entrop)a total del sistema amenta' ;De dónde .a salido esta entrop)a adicional< !a Respesta es ,e .a sido creada drante el proceso de me/cla' 3or otra parte- na ve/ ,e fe creada- la entrop)a no pede ser destrida' (l niverso debe cargar con este amento de entrop)a' !a energ)a no pede ser creada ni destrida- nos dice el primer principio de la termodin*mica' !a entrop)a no pede ser destrida- pero pede ser creada- nos dice el segndo principio'
Calclo de variaciones de entrop)a' 3roceso isotérmico: Como la temperatra es constante se saca fera de la integral + ,edar)a:
S& 1 S% L, H T 3roceso no isotérmico: (n mc.os procesos- la absorción reversible de calor est* acompaPada por n cambio de temperatra- es este caso eEpresamos el
calor en fnción de la temperatra integramos + obtendremos: (n n proceso a volmen constante:
d, L cv dT (ntonces
S& 1S% L cv ln T&HT% (n n proceso a presión constante:
d, L cp dT (ntonces
S& 1S% L cp ln T&HT% 3roceso adiab*tico: (n n proceso adiab*tico como no eEiste transferencia de calor la variación de entrop)a es cero'
C2"S92 TR9IC2 "IT6RI2 ndice de calor neto AIC"B 3ara canti5car el aprovec.amiento del combstible para la generación eléctrica- se tili/a el )ndice conocido como IC"- conocido también como Consmo Térmico nitario o Consmo de
Combstible para Generación (léctrica- ,e se encentra eEpresado con la sigiente fórmla:
Dónde:
Ns L Calor sministrado- como combstible al sistema de cogeneración A$UB
N L Calor til proporcionado A=ido calienteB por el sistema de cogeneración A$UB
. L (5ciencia convencional de generación de energ)a térmica AVB
( L Generación eléctrica del sistema de cogeneración A$UB (l IC" eEpresa la cantidad de combstible adicional ,e es necesario introdcir al sistema de cogeneración con respecto al ,e se consmir)a para prodcir el calor til re,erido mediante sistemas convencionales Apor e4emplo na caldera de vaporB + la generación convencional de electricidad mediante
nidades termoeléctricas' (s de gran tilidad para comparar el comportamiento de distintos es,emas entre s)' Cabe aclarar el valor del AIC"B no solo depende del sistema de cogeneración- sino también de la aplicación espec)5ca a la ,e se destine +a ,e en ella se de5nir* canto calor se tendr* como til del potencial total ,e presente dic.o es,ema'
Conclsión (n conclsión a este traba4o las centrales termoeléctricas se rigen por métodos de traba4o comple4os- +a sean convencionales o no convencionales' (n canto al tema medio ambiental- se .an ido creando nevas formas de amortigar este impacto con el 5n de cidar m*s el planeta- n e4emplo claro de esto son las centrales no convencionales las cales brindan ma+or aprovec.amiento de los materiales tili/ados para la generación de electricidad + al
