Parcial Plantas Termicas

CUESTIONARIO EXAMEN PARCIAL

TORRES GRANADOS CARLOS ORLANDO CÓDIGO 702062013

Ingeniero Mecánico IVÁN CANEVA RINCÓN

PLANTAS DE CONVERSIÓN TÉRMICA DÉCIMO SEMESTRE PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO BARRANQUILLA COLOMBIA I PA 2013

1.

¿QUE ES FLUIDO MOTOR?

Es considerado fluido motor toda sustancia capaz de entregar su energía química y convertirla en trabajo mecánico a través de algún proceso. 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 una superficie límite definida, es el caso típico de un combustible líquido que arde en presencia del oxigeno. 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 PARÁMETROS. 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 CORRELACIONES ENTRE LAS UNIDADES DE MEDICIÓN DE LA PRESIÓN AT, KGF/M2, N/M2, Y BAR. Las correlaciones son las siguientes: 1 at = 101325 N/m2 = 10336.7 kgf/m2 =1.013 bar.

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” tiene 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.

13. ¿DE QUE PARÁMETROS DEPENDE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UN GAS IDEAL 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: 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.

15. ¿DE LA DEFINICIÓN DE CAPACIDADES CAPACIDADES CALORÍFICAS CALORÍFICAS MEDIA Y VERDADERA E INDIQUE CUAL ES LA DIFERENCIA DIFERENCI A 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 c v se puede obtener con la siguiente expresión: c p



cv

  R

 Ahora cundo se desea conocer el calor transmitido por unidad de masa en un proceso determinado entre las temperaturas T 2 y T 1 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 1

2

c



1

16. ¿POR QUÉ LA CAPACIDAD CALORÍFICA CALORÍFIC A 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= 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.

19. EXPLIQUE LA ESENCIA DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y ESCRIBA SU EXPRESIÓN MATEMÁTICA M ATEMÁTICA 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 analizar el proceso de de calentamiento calentamiento de un gas a presión presión constante constante nos topamos topamos con el 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: Eint = Q – W 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 (isocorico), 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 isocorico: dW = P.dV (por ser un proceso a v = Cte) W=0 De la primera ley de la termodinámica tenemos que: Q – W0 = = CV . Entonces Q = CV . Para un proceso isotérmico Se tiene que: PV = Cte P.V = P1 . V1 = C  Además: dW = P. dV = 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

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 halla 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 TERMODINÁMICA.

FORMULACIONES

DE

LA

SEGUNDA

LEY

DE

LA

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 p 0, v0, t 0 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 polìtropa (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 " (figura 1).

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

 s

v0



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 isóbaro  s2  s1

T 2 T 1

(4)

 c P  ln

Proceso isocoro  s2   s1

Proceso isotérmico



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. corresponde 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 ts 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 maquinas 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 teórico 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. ¿PORQUE 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 l  / T  H  de la eficiencia de Carnot siempre tendrá un valor en el intervalo de cero a uno, con lo cual se puede entonces demostrar que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia de 100%.

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 T 2. Además el rendimiento del ciclo de Carnot sólo de las temperaturas de las fuentes de calor caliente y fría crece con el aumento de T 1 y con la disminución de T 2 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 T 1. La evacuación de calor hacia la frente fría se realiza durante la compresión por la isoterma T 2. Para el ciclo de Carnot el rendimiento es igual:

 t 

 1

q2 q1

 1

T   S 1 )  1 2 T 1 ( S 2  S 1 ) T 1

T 2 ( S 2

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 liquido podrá comenzar el proceso de ebullición.

33. MUESTRE EN CARACTERÍSTICAS.

EL

DIAGRAMA

PV

LAS

REGIONES

Y

LÍNEAS

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 por ciento 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 líquida y de vapor debido a que sus propiedades son las mismas.

Figura a: Diagrama PV para una sustancia pura

34. ESCRIBA LAS EXPRESIONES SOBRECALENTADO, SECO Y HÚMEDO

Figura b: Diagrama PV para las regiones ciclo, líquido/vapor y vapor  de un fluido puro.

PARA

LA

ENTALPÍA

DEL

VAPOR

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: hv.sobrecal = f (P, T)

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 = hf  + x. hfg = hf  + x . (hg – hf ) 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.

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

En la figura 2 observamos un diagrama T-s que corresponde a un ciclo rankine con sobrecalentamiento. El fluido se comprime isentropicamente desde 1 hasta 2 ósea desde una presión hasta la presión de trabajo isobaricamente 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 liquido subenfriado a liquido saturado y corresponde al cambio de entalpía del liquido (área 1). De el segmento 2'-3 ocurre el fenómeno de traspaso de liquido 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 ultimo 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 isobaricamente que sucede en el vapor o vapor sobrecalentado.

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

Diagrama Tvs 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 temperatur a 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 rendimiento 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

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 deunidades 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

y el flujo de calor entonces es q x''



k 



T 2

T 1  T 2  L

 T 1  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 interfase 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 h cf  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 ebullición y condensación están también agrupados bajo el tópico general de transferencia de calor por convección.

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 formula 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 oxigeno 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 liquido: 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, desecho 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? 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 S v, 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 + S t+ A t+ Wt = 100% Donde el índice “t” nos indica 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 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 todo 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 L t :  At + Wt = Lt

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 



100  ( A t   W t  )

c

C 

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: C S  , H S  , O S  ,  N S  , S S  , A S 

en este caso C    H   O ,  N   S    A 100 % Donde el índice “s” indica que la composición porcentual de los diferentes elementos está S 

S 

S 

S 

S 

S 

referida a la masa seca.  A una humedad del combustible de trabajo W t , 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   C t 

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 (estequiométrica) 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.

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 temperatura 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 prometen 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. DISPOSITIVOS AUXILIARES

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. Sobrecalentadotes 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. Sobrecalentadotes 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 convectivo vertical. 3- Sobrecalentador convectivo horizontal. 4- Atemperador. 5- Colector.

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 principio termodinámico del tipo en un generador de vapor o instalación de caldera es el siguiente: Los gases calientes que se producen en el hogar de un generador de vapor, que son el producto de la combustión del combustible, invaden todo el interior de la caldera y como tienen una menor densidad (peso especifico) que el aire de medio ambiente, tienden a subir y en su lugar tiende a entrar aire frió, de hecho, entonces, del principio termodinámico del tiro, que es el movimiento de los gases a lo largo del conducto de la caldera, es el mismo que el de la circulación natural del agua. Definimos el tiro de una caldera como la diferencia de presión entre dos puntos a igual altura, estando una en el interior de la chimenea y el otro en el exterior, y que es capaz de producir un flujo de gases. Sin tiro, se producirá una estratificación en el proceso de combustión y la llama o proceso de combustión muere por falta de aire. 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).

Existen 2 clases de procedimientos de tiro: El tiro natural: se produce por una chimenea por la que la caldera evacua los gases. El aire frió admitido por el hogar (por medio de las compuertas de entrada) empuja para desplazar los gases caliente más ligeros de hogar (por diferencia de densidad. Así, los gases calientes suben (como el globo, 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. El tiro mecánico puede ser de dos clases: El tiro Forzado: se crea con ventiladores, tiene que tomara aire de la atmósfera y pasándolo a través del calentador llevarlo al horno, y tiene como función principal suministrar el aire necesario para la combustión. El tiro Inducido: estos ventiladores tienen la función de tomar los gases y descargarlos a la chimenea para que esta los expulse a la atmósfera.

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.

63. ¿Cuáles son las causas de las pérdidas q4 por imperfección mecánica de la combustión y q3 por imperfección química de la combustión del combustible? La perdida q 4 es debida a la combustión mecánica incompleta del combustible. Esta perdida 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 perdyda de calor Q 3 debida a la combustión química incompleta del co}bustible, provocada por la presencia en los gases de hu}o que sqlen de la unidad de productos de la combustión incompleta (CO, H 2, CH4, etc) o sea de gases carburantes no combustionados (no quemados).

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. 4. Árboles. 5. Baos. 6. Barrotes. 7. Rueda de tornillo sinfín. 8. Tornillo sinfín.

FIGURA . Esquema de una parrilla de cadena

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 de escoria 9. Tolva para sedimento 10. Canal entrada de aire 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 Palanca Reductor Cuba de encendido

Motor eléctrico Piñón cilíndrico y estrella Listón de atizaje

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.

68 ¿QUÉ TIPOS DE HOGARES DE CÁMARA SE EMPLEAN PARA EL QUEMADO DE COMBUSTIBLE PULVERIZADO, LÍQUIDO Y MOLIDO? 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 TIPOS DE MOLINOS COMBUSTIBLE?

SE EMPLEAN PARA LA TRITURACIÓN DEL

Los tres tipos principales de pulverizadores (molinos) pueden clasificarse como: Velocidad baja: menos de 75 rpm. Velocidad media: entre 75-225 rpm. Velocidad alta: más de 225 rpm. 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 especifico 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 esta 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 esta dotado de unos martillos batidores que están fijados en unos sujetadores de batidores de ebullición libre (pesos de los martillos 8Kg y gira 1000rpm).

Figura . Molino de Bolas de Marcha lenta

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 vapor-agua. 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 13. Este comprende paredes tapizadas de tubos de agua, economizadores, supercalentadores, recalentadores y calentadores de aire. Como se ve en la figura 8, 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.

73. ¿EN QUE SE DIFERENCIA LAS CALDERAS DE CIRCULACIÓN NATURAL DE LAS CALDERAS DE CIRCULACIÓN ARTIFICIAL? La circulación natural se debe a que el agua fría, mas 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 mas 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/cm 2 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 de la 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/cm 2 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. 2 Presión máxima: 18 Kg/cm . Producción máxima: 7000 Eficiencia aprox: 70%. Quema cualquier combusrible: sólido,

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 flusería 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/cm 2 y los fluses son por lo general de menos de 64 mm de diámetro. Puede operar con carbón y con fuel oil, 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 2 Kg/cm . Producción máxima: 8000 Eficiencia: 75-80%. Quema cualquier combusrible: sólido, líquido y gaseoso.

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/cm 2, 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/cm 2, pero se han hecho proyectos para 56 Kg/cm 2 y 482°C. GRANDES: Son los de mayores 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/cm 2 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/cm 2. 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.

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 proc eso,

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 turbogrupos de vapor de condensación, suministran una sola especie de energía: energía eléctrica; en cambiolas centrales termoeléctricas de calorificación (CTEC), suministran a los consumidores exterirores energía eléctrica y energía calorífica con vapor o el agua caliente.

Fig.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)

Fig.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, las centrales termoeléctricas de condensación se 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.

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 U 235 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 U 238. A resultas de cadenas de transformaciones de U 238, se forma Pt 239 un nuevo isótopo radioactivo que también se divide por los neutrones lentos y pueden servir de combustible nuclear.

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.

Fig.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/seg, 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/seg. 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 235 U 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 tiene 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 refrigerado 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).

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 superalta 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,que 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 calentador  abierto y uno cerrado.

Diagrama Ts del ciclo regenerativo con recalentamiento El vapor en cantidad de D I, DII, DIII, … de la primera, segunda, tercera, etc., tomas es

D0



... 

3600 N el [h

I i

    1 h     1   2 h     1   2   3 h  II i

III i

IV i

... 

3600 N el

    1   2   3   4 h iV     1   2   3   4   5 h iVI ]M g

, (1  110)

donde hiI, hiII, hiIII, hiIV, hiV, y hiVI son los saltos de calor útilmente empleados, obtenidos para los comportamientos de la turbina (Ver figura);

DI

 1 D0 ; DII   2 D0 ; DIII  3 D0 ; DIV   4 D0 ; DV  5 D0 ;

98. DESCRIBA EL DISEÑO (CONSTRUCCIÓN) DE LOS ESQUEMAS BÁSICOS DE LOS APARATOS DE CONDENSACIÓN. La estructura de principio del condensador se muestra en la figura 23. El condensador  tiene cuerpo cilíndrico o en forma del paralelepípedo 1 fabricado en del acero al carbono. El suministro del vapor a través de la tubuladura de salida de la turbina se opera a través de la boca del condensador 2. de ordinario los condensadores modernos se sueldan con la tubuladura de la turbina, lo que asegura una elevada estanqueidad de su unión contra la penetración del aire. El agua de enfriamiento entra en el condensador y sale de éste pasando a través de las cámaras de agua. Con más frecuencia los condensadores con respecto al agua se hacen de dos pasos o de un solo paso. En primer caso el agua entra en la cámara delantera de agua 3 que tiene el tabique 4, pasa a través de la mitad inferior  de los tubos y la cámara trasera 5, da la vuelta y se dirige a los tubos dispuestos en la parte superior de la cámara delantera de agua, pasa a través de todo el sistema de tubos y sale de la cámara trasera de agua. Las cámaras de agua se separan del espacio principal en que entre los tubos circula el vapor y el condensado obtenido por medio de las chapas portatubos 6 y 7. El elemento principal del condensador es el juego de tubos, o sea, el haz de tubos 8. se utilizan tubos de gran longitud (de hasta 9m y más), que ordinariamente tiene un diámetro exterior de 25 y 8 mm con espesor de 1mm y se fabrican de latón, de una aleación de cobre y níquel y rara vez de aleación de titanio o de aceros inoxidables. Como regla, los tubos se fijan en las chapas portatubos mediante laminado. Para mejor estanqueidad de la unión de los tubos se emplea adicionalmente un untado de betún o de pasta epoxídica; es posible la unión soldada de los tubos de acero con las chapas portatubos. El condensado se acumula en la parte inferior del condensador, en el colector de condensado 12 . Puesto que la superficie interior de los tubos del condensador se ensucia, empeorándose las condiciones del intercambio térmico y, por consiguiente, se desmejora el vacío, es necesario limpiar periódicamente los tubos. Para llevar a cabo esta limpieza sin para la turbina, de ordinario, el agua de enfriamiento se suministra al condensador en dos flujos paralelos, entonces durante la inspección, limpieza y reparación de una mitad de los tubos, la condensación del vapor se realiza sólo en aquella mitad de los tubos por los cuales circula el agua. A consecuencia de esto la presión final crece, mientras que la carga de la turbina con frecuencia se reduce.

Figura . Esquema estructural del condensador de dos pasos. 1- cuerpo; 2- boca; 3- parte de entrada de la cámara delantera de agua; 4- tabique; 5  – Cámara trasera de agua; 6 y 7  – chapas portatubos; 8- tubos de condensación; 9refrigerador de aire; 10- deflectores de vapor; 11- succión de la mezcla de vapor y de aire; 12- colector de condensado; 13- dispositivo de descarga para el vapor y de aire; 12colector de condensado; 13- dispositivo de descarga para el vapor que ha entrado de la IRRR; 14- tubos de salida del vapor de las cámaras de toma del CBP.

99. ¿QUÉ TIPOS DE CONDENSADORES CONOCE USTED? DESCRÍBALOS, CARACTERÍCELOS. En las instalaciones de turbinas de vapor se pueden emplear los siguientes tipos de condensadores: de superficie acuosos y aéreos, y también mezcladores. En las instalaciones de turbinas de vapor modernas de tipo estacionario se emplean exclusivamente condensadores acuosos de superficie. Su principal ventaja consiste en la conservación del condensado para la alimentación de las calderas. Los condensadores aéreos, aunque en ellos el condensado también se conserva, son más voluminosos, pues tienen coeficientes 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 trenes eléctricos y en regiones donde no hay fuente de aprovisionamiento de agua. Los condensadores mezcladores debido a la perdida de condensado con el agua de enfriamiento no se emplean en las instalaciones de turbina de vapor modernas, la principal ventaja de estos condensadores consiste en la posibilidad de obtener un vacío más profundo para una temperatura dada del agua de enfriamiento.

102 Describa el esquema y el ciclo de una ITG con compresión biescalonada y enfriamiento intermedio del aire y calentamiento biescalonado de gas. En la figura se muestra el esquema y el ciclo de una ITG con compresión biescalonada del aire y con regeneración (Recuperación). El aire atmosférico se succiona al compresor k 1 y se comprime hasta la presión P* ; su temperatura durante esto aumenta de T3 a T*4 . 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 , en 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 de 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 dirige 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 del aire en el compresor K1 considerándose las perdidas internas se representa por medio de la línea 3  – 4*, y en el compresor K2 por la línea 3* - 4. El enfriamiento del aire en el enfriador de aire se expresa por la línea 4* -3*. Todos los restantes procesos se realizan del mismo modo que en una ITG con regeneración.

107 DESCRIBA EL ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN DE GAS-VAPOR CON GENERADOR DE VAPOR DE ALTA PRESIÓN.

Fig. Esquema básico de la instalación-gas IVG-200-130 En la figura anterior 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 570/570 oC; La turbina de vapor 16, para parámetros del vapor de 127,5 bar y 565/565 oC; El conjunto o unidad de turbina de gas 2 con potencia de 35-50 MW para parámetros del gas de 6,38 bar y 770 oC. 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. 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 liquido. 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 P 0 =127.5 bar y T 0= 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 T 1= 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 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 vaporgas será más elevado que el rendimiento de las instalaciones de vapor y de gas tomadas por separado.