an Nicolás de los 0ar'a< Nuevo León a 78 de ma=o del 7/*,
Introducción A$render A$render termodinámica termodinámica $uede ser una de las e)$eriencias e)$eriencias educacionales educacionales más estimu estimulan lante tes s = e)cit e)citant antes es $ara $ara #ue #ue esto esto sea así< así< debe debemos mos de tener tener cierto ciertos s conce$tos de >ísica = concernientes a balance de energía< inter$olaciones< entre demás estudios en relación entre calor con las di>erentes >ormas de energía Para nosotros es de relevancia = de suma im$ortancia el 5aber $odido contar con los servicios de nuestra em$resa investigada Iberdrola !A donde se nos mostró in>orm in>ormaci ación ón #ue #ue nos nos diero dieron n la base base rígida rígida $ara #ue #ue dura durante nte todo lo #ue #ue se a$rendió durante el curso< lo lleváramos = $lasmáramos con >in de $oder 5acer cálculos $ara algunas incógnitas #ue se nos $resentaban en nuestro análisis! Los Los tema temas s de bala balanc nce e de ener energí gía a en dis$ dis$os osit itiv ivos os como como cald calder era< a< turb turbin ina a e interc intercamb ambiad iadore ores s de calor calor se $rese $resenta ntan n en nuest nuestra ra secc sección ión de análi análisi sis! s! Las Las $ro$i $ro$ieda edade des s = caract caracterí erísti sticas cas del del ti$o ti$o $lanta $lanta inves investig tigad ada a se $rese $resent ntan an en la sección de 2arco teórico donde se >amiliari'a con la descri$ción del $roceso donde marcamos = se9alamos el traba?o de Iberdrola !A! Los diagramas de >lu?o ?uegan un $a$el im$ortante im$ortante en el estudio de la $lanta termoeléctrica termoeléctrica en cada uno de los dis$ositivos #ue se mane?an dentro de ella! Cuando tratamos del diagrama >uimos ca$aces de em$lear = $lasmar los datos #ue se obtuvieron en cada $arte de los dis$ositivos con el >in de e)$licar de una manera más clara = sencilla $ara la $ersona #ue estaría estudiando el caso! Nuestro análisis se basa $ara dar a conocer datos termodinámicos reales a escala industrial #ue lleven = estrec5en una relación con el e)tenso contenido de esta unida unidad d de a$ren a$rendi' di'a?e a?e!! La e)$os e)$osici ición ón de este este análi análisis sis esta esta adec adecua uada da a la e)$eriencia e)$eriencia = madure' como estudiantes $rinci$iantes $rinci$iantes en estos casos< es $or ello #ue deseamos dar a conocer = e)$licar conocimientos de calor @Q = traba?o @B< como también transmitir los conce$tos de los dis$ositivos utili'ados en relación a una una $lan $lanta ta term termoe oelé léct ctri rica ca = logr lograr ar un incr increm emen ento to en el cono conoci cimi mien ento to de la termodinámica!
2arco Teórico e denomina $lanta termoeléctrica a a#uella $lanta #ue $roduce energía eléctrica a $artir de la combustión de carbón< >ueloíl o gas en una caldera dise9ada al e>ecto! Una $lanta termoeléctrica es una instalación en donde la energía mecánica #ue se necesita $ara mover el rotor del generador =< $or tanto< obtener la energía eléctrica< se obtiene a $artir del va$or >ormado al 5ervir el agua en una caldera! Una central clásica se com$one de una caldera = de una turbina #ue mueve el generador eléctrico< la caldera es el elemento >undamental = en ella se $roduce la combustión del carbón< >uel o gas!
Funcionamiento de una $lanta termoeléctrica con gas natural e #uema el combustible< en este caso es el gas natural< con el calor generado se 5ierve un >luido DaguaE< = se 5ace $asar el va$orgas resultante $or una turbina< el va$orgas mueve a la turbina< = la turbina al girar $roduce energía eléctrica = luego el va$orgas se condensa dónde se lo manda al tan#ue $ara ser nuevamente calentado mediante la #uema de combustibles< = así sucesivamente! 0as Natural! "l gas natural es una de las varias e im$ortantes >uentes de energía no renovables >ormada $or una me'cla de gases ligeros #ue se encuentra en =acimientos de $etróleo< disuelto o asociado con el $etróleo o en de$ósitos de carbón! e usó metano = etano! Aun#ue su com$osición varía en >unción del =acimiento del #ue se saca< está com$uesto $rinci$almente $or metano en cantidades #ue comGnmente $ueden su$erar el 8/ o 83H< = suele contener otros gases como nitrógeno< C 7< &7 = 5elio! "n la actualidad se están constru=endo numerosas centrales termoeléctricas de las denominadas de un ciclo combinado< #ue son un ti$o de central #ue utili'an
gas natural< como combustible $ara alimentar una turbina de gas! Luego los gases de esca$e de la turbina de gas todavía tienen una elevada tem$eratura< se utili'an $ara $roducir va$or #ue mueve una segunda turbina< esta ve' de va$orJ cada una de estas turbinas esta aco$lada a su corres$ondiente alternador $ara generar la electricidad como en una central termoeléctrica clásica!
Función de una $lanta termoeléctrica Nosotros nos centraremos en las centrales térmicas convencionales o clásicas< nos re>erimos mediante este término a las centrales #ue utili'an combustibles >ósiles como materia $rima< es decir< carbón< >uel = gas natural! Kurante el $roceso #ue lleva toda $lanta cabe mencionar de la energía liberada durante la combustión en la cámara de la caldera< inde$endientemente del ti$o de combustible< =a #ue reali'a la >unción de eva$orar el agua en los tubos de la caldera = $roducir va$or! i se trata de una central térmica de gas natural< la energía liberada durante la combustión en la cámara de la caldera = esto 5ace eva$orarse el agua en los tubos de la caldera = $roduce va$or! "l va$or de agua se bombea a alta $resión a través de la caldera< a >in de obtener el ma=or rendimiento $osibleJ como consecuencia a esta $resión en los tubos de la caldera< el va$or de agua $uede llegar a alcan'ar tem$eraturas de 5asta ,// C Dva$or recalentado #ue conocemosE! "ste va$or entra a gran $resión en la turbina a través de un sistema de tuberías< en donde la turbina consta de tres cuer$osJ de alta< media = ba?a $resión res$ectivamente! "l ob?etivo de esta tri$le dis$osición es a$rovec5ar al má)imo la >uer'a del va$or< =a #ue este va $erdiendo $resión $rogresivamente< así $ues< el va$or de agua a $resión 5ace girar la turbina< generando energía mecánica!
La energía mecánica de rotación #ue lleva el e?e de la turbina es trans>ormada a su ve' en energía eléctrica $or medio de un generador síncrono aco$lado a la turbina! Nosotros nos centraremos en las central clásicas< nos re>erimos mediante este término a las centrales #ue utili'an combustibles >ósiles como materia $rima< es decir< en nuestro análisis la de una de gas natural! Iberdrola !A es una $lanta donde tiene un orden en su línea de traba?o contando con una caldera donde em$ie'a el ciclo< donde el >lu?o de va$or va a una turbina $ara irse a un intercambiador de calor $ara $asar a una bomba $ara allí em$e'ar de nuevo el $eriodo en la caldera< es $or ello #ue vamos a dar la im$ortancia de estos cuatro dis$ositivos #ue son de gran im$ortancia en cual#uier $lanta termoeléctrica!
Caldera "s todo a$arato a $resión en donde el calor $rocedente de cual#uier >uente de energía se trans>orma en energía utili'able< a través de un medio de trans$orte en >ase li#uida o va$or! La caldera es un caso $articular en el #ue se eleva a altas tem$eraturas de intercambiadores de calor< en la cual $roducen un cambio de >ase! Además< son reci$ientes a $resión< $or lo cual son construidas en $arte con acera laminado a seme?an'a de muc5os contenedores de gas!
Ti$os de calderas *!
Acuotubulantes% a#uellas en #ue el >luido se mueve $or los tubos durante el calentamiento! on las más utili'adas en las centrales termoeléctricas!
7!
Pirotubulantes% el >luido en estado lí#uido está en un reci$iente atravesado $or tubos a través de los cuales $asan gases a altas tem$eraturas! "l agua lí#uida se eva$ora al contacto con los tubos calientes!
Características.
W ≈ 0 ! "stos dis$ositivos no e>ectGan al traba?o!
∆ E c ≈ 0. "l cambio de energía cinética< si es #ue 5a=< es des$reciable! ∆ E p ≈ 0. "l cambio de energía $otencial se considera des$reciable
"l calor es trans>erido internamente en la caldera 5acia un >luido< comGnmente agua o en algunos casos aceite térmico $ara $osteriormente ser a$rovec5ado en $rocesos de $otencia = /o calentamiento! "s necesario una gran cantidad de energía $ara convertir agua en va$or< esa energía es de muc5a utilidad< $or eso esta energía $roducida es liberada = trans$ortada a través de medios adecuados 5acia lugares o $untos de interés es$ecí>ico! "se calor >ormidable #ue se genera es liberada en >orma de calor< cuando entra en contacto con otra su$er>icie más >ría< este va$or es seguro< = no contaminante< = #ue es ca$a' de satis>acer cual#uier necesidad de energía en la industria!
Ke 5ec5o no 5a= e?em$lo me?or #ue el de la caldera $ara a$rovec5ar la energía = los controles $ara esto cada día me?oran = se 5acen más interesantes< 5a= muc5as em$resas #ue están contribu=endo más = más en dise9ar me?ores calderas = $ara cada necesidad en la industria = lo #ue es me?or aGn $ara uso general! Turbina
Las turbinas son dis$ositivos #ue< de un modo general< $ertenecen al gru$o de má#uinas térmicas generadoras = cu=a >ran?a de o$eración va desde $e#ue9as $otencias D./ MB $ara microturbinasE 5asta 3// 2B $ara los Gltimos desarrollados! Ke esta >orma< com$iten tanto con los motores alternativos como con la instalación de va$or de $e#ue9a = media $otencia! "l va$or entra a alta $resión = tem$eratura< = se e)$ansiona en la turbina< trans>ormando una $arte de su ental$ía en energía mecánica! A la salida de la turbina< el va$or 5a $erdido $resión = tem$eratura! Características.
Qneto≈ 0 La relación de trans>erencia de calor es $e#ue9a $ara este dis$ositivo
res$ecto al traba?o del e?e! Wneto≠ 0 Im$lica e?e rotatorio #ue cru'a su >rontera< $or lo #ue el termino de
traba?o es im$ortante ∆ E p ≈ 0 "l cambio de energía $otencial #ue e)$erimenta un >luido cuando >lu=e
$or la turbina suele ser mu= $e#ue9o = casi siem$re omite! ∆ E c ≈ 0 Las velocidades< son demasiadas ba?as $ara $roducir algGn cambio
signi>icativo en la energía cinética! "l término turbina de va$or es mu= utili'ado $ara re>erirse a una má#uina motora la cual cuenta con un con?unto de turbinas $ara trans>ormar la energía del va$or< también al con?unto del rodete = los álabes directores!
(omba Kis$ositivo #ue adiciona energía a un >luido $ara moverse = trasladarse de un $unto a otro! Para esto se utili'a la bomba< la cual trans$orta energía mecánica en energía 5idráulica Denergía debido a una di>erencia de alturaE
"l agua de alimentación de calderas desem$e9a un $a$el im$ortante $ara el correcto >uncionamiento de los generadores de va$or! Puesto #ue este ti$o de dis$ositivos está en uso las 74 5oras del día< un correcto tratamiento del agua de alimentación de calderas $ermite evitar o reducir las averías = tiem$os de $arada!
Intercambiador de calor! Kis$ositivo dise9ado $ara trans>erir calor de un >luido a otro< sea #ue estos estén se$arados $or una barrera sólida o #ue se encuentren en contactoJ son $arte esencial de los dis$ositivos de re>rigeración< acondicionamiento de aire< $roducción de energía = $rocesamiento #uímico! "l calentamiento = en>riamiento de gases = lí#uidos son los e?em$los más 5abituales de transmisión de calor $or convección! Las torres de en>riamiento son un ti$o de intercambiadores de calor #ue tienen como >inalidad #uitar el calor de una corriente de agua caliente< mediante aire seco = >río< #ue circula $or la torre! "l agua caliente $uede caer en >orma de lluvia = al intercambiar calor con el aire >río< va$ori'a una $arte de ella< eliminándose de la torre en >orma de va$or de agua!
Las torres de en>riamiento se clasi>ican segGn la >orma de subministra miento de aire en% Torres de circulación natural - Atmos>éricas: "l
movimiento del aire de$ende del viento = del e>ecto as$irante de
los as$ersores! e utili'a en $e#ue9as instalaciones! Ke$ende de los vientos $redominantes $ara el movimiento del aire!
-
Tiro natural : "l >lu?o del aire necesario se obtiene como resultado de la di>erencia
de densidades< entre el aire más >río del e)terior = 5Gmedo del interior de la torre! Utili'an c5imeneas de gran altura $ara obtener el tiro deseado! Kebido a las grandes dimensiones de estas torres se utili'an >lu?os de agua de más de 7/////g$m! "s mu= utili'ado en las centrales térmicas!
Características de un Intercambiador de calor.
W = 0 No im$lica traba?o!
∆ E c ≈ 0 "l cambio de energia cinética< si es #ue ocurre es insigni>icante! ∆ E p ≈ 0 "l cambio en la energía $otencial es des$reciable!
Ti$os de Plantas Termoeléctricas! Centrales termoeléctricas convencionales! e llaman centrales clásicas o de ciclo convencional a a#uellas centrales térmicas #ue em$lean la combustión del carbón< $etróleo DaceiteE o gas natural< $ara generar la energía eléctrica! on consideradas las centrales más económicas = rentables< $or lo #ue su utili'ación está mu= e)tendida en el mundo económicamente avan'ado = en el mundo en vías de desarrollo< a $esar de #ue estén siendo criticadas debido a su elevado im$acto medioambiental! Centrales termoeléctricas de ciclo combinado! "n la actualidad se están constru=endo numerosas centrales termoeléctricas de las denominadas de ciclo combinado< #ue son un ti$o de central #ue utili'a gas natural< gasóleo o incluso carbón $re$arado como combustible $ara alimentar una turbina de gas! Luego los gases de esca$e de la turbina de gas todavía tienen una
elevada tem$eratura< se utili'an $ara $roducir va$or #ue mueve una segunda turbina< esta ve' de va$or! Cada una de estas turbinas está aco$lada a su corres$ondiente alternador $ara generar la electricidad como en una central termoeléctrica clásica! Normalmente durante el $roceso de $artida de estas centrales< sólo >unciona la turbina de gas< a este modo de o$eración se le llama ciclo abierto! i bien la ma=oría de las centrales de este ti$o $ueden intercambiar de combustible Dentre gas = diéselE incluso en >uncionamiento! Al >uncionar con $etróleo diésel ven a>ectada su $otencia de salida Dba?a un */H a$ro)!E< = los intervalos entre mantenimientos ma=ores = >allas< se reducen >uertemente! Como la di>erencia de tem$eraturas #ue se $roduce entre la combustión = los gases de esca$e es más alta #ue en el caso de una turbina de gas o una de va$or< se consiguen rendimientos mu= su$eriores< del orden del 33H!
Plantas termoeléctricas más im$ortantes alrededor del mundo! "l gas natural está ganando más territorio en las estadísticas mundiales como uno de los combustibles más >ósiles más usados en el mundo $ara la generación del mundo! A continuación< daremos una breve relación de las $lantas más im$ortantes a nivel mundial = #ue son la envidia $ara muc5os de #uienes o$eran en Latinoamérica centrales termoeléctricas% FUTTU! La central térmica Futtsu de gas natural licuado D0NLE de 3!/4/ 2B situada en C5iba< 6a$ón< es en la actualidad la segunda ma=or instalación de energía de gas natural del mundo! Consta de cuatro $lantas de energía de ciclo combinado $uestas en servicio entre *8-, = 7/*/!
Futtsu >ue encargada entre 7//- = 7/*/< constando de tres sistemas de ciclo combinado 0"
*/8&
con
un
dise9o
de
e>iciencia térmica
del
3-<,H!
"l combustible de 0NL $ara alimentar a la $lanta de energía térmica Futtsu< es suministrada a través de un gasoducto submarino desde una terminal cercana #ue dis$one de una ca$acidad $ara mane?ar 5asta nueve millones de toneladas de 0NL al a9o!
MABA0"! La central térmica Maagoe con 4!-/7 2B de ca$acidad instalada< ubicada en Maagoe< 6a$ón< es la tercera $lanta de energía de gas natural más grande del mundo $ro$iedad de C5ubu "lectric Poer Com$an=< la cual dis$one de cuatro unidades!
Las dos $rimeras unidades de Maagoe de +// 2B de ca$acidad cada una< >ueron $uestas en servicio en *8-8 = *88/! La tercera = cuarta unidad de ciclo combinado integran turbinas de gas 2+//*FA de &itac5i = turbinas de gas de la serie F de 2itsubis5i< $uestas en servicio en *88, = *88+! "n total< la central eléctrica utili'a seis tan#ues de 0NL con una ca$acidad de almacenamiento de -4/!/// metros cGbicos! Cabe mencionar #ue las calderas = turbinas construidas en esta $lanta tan gran >ueron dise9adas = $ro$orcionadas $or ingenieros de 2itsubis5i = Tos5iba!
KA&TA;N TAIBAN! La central Ka5Tarn de 4!.-4 2B< ubicada en 0uan=in< Tao=uan< al norte de Taián< es la cuarta $lanta de energía de gas natural más im$ortante del mundo!
La $lanta >ue desarrollada en dos eta$as entre 7//3 = 7//8! La eta$a* consistió en la instalación de dos unidades de generación integradas cada una $or tres turbinas de gas 23/*F de 2itsubis5i< mientras #ue la eta$a7 inclu=ó la instalación de tres unidades de generación com$uestas cada una $or dos turbinas de
gas!
La $lanta utili'a gas natural suministrado $or la C5inese Petroleum Cor$oration DCPCE< #ue >irmó un acuerdo en 7//. $ara suministrar gas a la $lanta de energía durante un $eríodo de 73 a9os!
C&ITA con .!88, 2B de ca$acidad instalada< la central térmica C5ita ubicada en Aic5i< 6a$ón< es la #uinta $lanta de energía de gas natural más grande del mundo! $erada $or la C5ubu "lectric Poer Com$an=< la $lanta comen'ó a o$erar $or en
*8--!
La central eléctrica de C5ita se com$one actualmente de seis unidades de gas natural licuado< cuatro de las cuales o$eran en ciclo combinado< donde las $rimeras cuatro unidades< originalmente dise9adas $ara generar energía a $artir de $etróleo crudo $esado< se reada$taron $ara la generación de energía a base de gas natural!
Kescri$ción del Proceso Iberdrola "nergía 2onterre=< !A! de C!1! es una industria de origen es$a9ola $rivada dentro de em$resas de servicios eléctricos >undada en el *888< se encuentra a#uí en Nuevo León en el munici$io de Pes#uería Mm *77 Carretera a Kulces Nombres! "stá $lanta está dise9ada $ara utili'ar el gas natural como combustible en >unción $ara la caldera< se $roduce electricidad a $artir de este mediante un ciclo termodinámico de aguava$or! 0racias a la combustión de gas natural se generan gases a mu= alta tem$eratura #ue al entrar en contacto con el agua lí#uida la convierten en va$or! Consta de una caldera donde la tem$eratura de entrada de agua es de */3 OC con un >lu?o másico de +/ tonseg!
Los gases de salida del 5orno ceden su calor al va$or #ue circula $or el interior de los tubos #ue con>orman los $a#uetes de sobrecalentadores de la caldera! "n éstos< el va$or alcan'a la tem$eratura adecuada $ara ser a$rovec5ado en una turbina #ue mueve a su ve' un alternador $ara $roducir energía eléctrica< a$ro)imadamente 4/ 2B! "l va$or #ue sale de la turbina se en>ría en un condensador con ca$acidad $ara *,7 Tm5ora! "l agua se en>ría $or medio de un intercambiador de calor = como se convierte nuevamente en agua< esta Gltima retorna otra ve' a los tubos #ue con>orman las $aredes de la caldera< reiniciándose así el ciclo $roductivo! "sta agua condensada se as$ira $or medio de * bomba! Cabe mencionar #ue los gases $rocedentes de la combustión de las calderas $asan $or un sistema de tratamiento $ara su de$uración!
Kiagrama de Proceso
T entrada 74!73OC
Poder calorí>ico% ..!8- (TUlb
h1= 440.15 102 ton H20
Vapor
B má)! 4/ 2B
T4// OC P7 ., Mgcm 7
m ´ = 70
´ Q &7/ .!/- ) */ +
5.7344!4 M6Mg 0as Natural P 7/ Mgcm 7
Consumo al mes *7// Mgm . m ´ *!- Mgs
P 88/ lb In 7$sia T *,// OF
7, m.
T* .//
m ´ = 13.3 Kg/s T7 83OC
Análisis "n el balance de energía de la
caldera se
des$recia el traba?o = el cambio en la
energía cinética = $otencial ´ −w ´ = ∆ H + ∆ Ec + ∆ Ep Q
Por tanto ´ = ∆ H Q
donde
´ Q
−h p ´¿ m
4888.4
1
1 105 °C
E
´ Q +/
´ Q .!/-/3 ) */ + 6gseg
"n el balance de energía de la
turbina<
sabemos #ue son adiabáticas = también
des$reciamos la energía cinética = $otencial!
´ −w ´ = ∆ H + ∆ Ec + ∆ Ep Q
Entonces −w ´ = ∆ H
Donde el trabajo es igual a 40Mw -(40MW) =1.8kgs ( 7344!4 M6Mg -4888.4k!seg)
El trabajo de la turbina es 40MW " nuestro resultado es -4#1$.#
"n el balance de energía del Condensador< no 5a= traba?o al igual #ue tam$oco se considera la energía $otencial = cinética . ´ = ∆ H Q
"n el condensador tenemos todos los datos solo no conocemos la ental$ia 5.
"ntonces des$e?amos
m2 ( h 2− h 4 )+ h 1 57 m1
2**!- g
&*7344!4 M6M0
&7*.44
27*.!.g
&.
&4.8+!8,
La ental$ia . es igual a 87.4!3"ntonces
´ = ∆ H Q
"l calor es igual a
m 1 ( h 3− h 1 ) + m 2 ( h 2− h 4 )
"l calor es 73*,4!,3 6gseg
Conclusión "ste análisis demuestra la im$ortancia de $oner en $ráctica los conocimientos de la termodinámica = al mismo tiem$o e)aminamos con detenimiento el es$íritu #ue nació en cada uno de nosotros en la investigación de todo lo relacionado al dise9o< cálculo e im$lementación de $rocesos termodinámicos en una $lanta! 1isto lo e)$uesto a la investigación se obtienen conclusiones $ositivas en cuanto a la determinación del >uncionamiento de los dis$ositivos #ue veíamos en el libro = #ue son reales ante datos #ue observábamos durante clase =a >uera de un salón de clases = #ue se com$ara a nivel industrialJ uno como alumno todavía se $uede bene>iciar $or#ue uno ace$ta = cree en lo #ue se vio durante la unidad de a$rendi'a?e! Como conclusión >inal $odría decirse #ue es muc5o más >ácil el uso = el mane?o de controlar = de saber utili'ar datos termodinámicos con las unidades #ue se utili'an de cada dato debido a #ue nos dimos cuenta #ue =a toda la in>ormación lo tienen mu= marcado en tablas los em$leados = o$erarios dentro de la $lanta< de
igual manera el estar com$rometidos esta carrera $ro>esional con esta materia < tenemos la idea de darle la im$ortancia #ue debe alcan'ar la rama de la termodinámica en estudiantes de la Ingeniería Industrial debido a #ue es >undamental = con muc5as a$licaciones dentro de ella desde el análisis de costos de los combustibles a utili'ar #ue en nuestro >ue el gas natural < 5asta el cálculo de la e>iciencia de las ma#uinas #ue se utili'an así como el cálculo del ciclo del traba?o de la ma#uinaria = e#ui$o!
