UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
NOMBRE DEL ALUMNO: MAXIMILIANO MARTÍNEZ RUIZ ESPARZA
ENSAYO TRANSFERENCIA DE CALOR Y PLANTAS DE VAPOR
ENSAYO *TRANSFERECIA DE CALOR Y PLANTAS DE VAPOR* La ingeniería ha sido siempre la piedra de salvación de la raza humana. Desde el principio de la civilización, sin saberlo, los primeros hombres hacían ingeniería cuándo buscaban herramientas para sus tareas de caza y recolección y las mejoraban. Surgieron el arco y la flecha, la rueda, el cincel y el mazo… Aunque la ingeniería ha estado siempre presente, es a partir de la revolución industrial cuando se hace realmente notoria la necesidad de la sociedad por una ingeniería que desarrolle soluciones a los problemas que surgen diariamente. Ésta loca carrera de encontrar soluciones a problemas existentes, y resolver los problemas que acarrean estas soluciones sigue hasta nuestros días y lejos de disminuir su marcha, cada día se hace más y más vertiginosa. La época en la que vivimos exige a la ingeniería soluciones inmediatas a problemas urgentes, como lo son la disminución de energéticos fósiles disponibles, la contaminación, el cambio climático, el pésimo manejo de recursos naturales, y todos los problemas actuales que se puedan mencionar tienen que ver en mayor o menor medida con la ENERGÍA y su uso eficiente. Es aquí donde la ingeniería térmica cobra importancia, pues su campo de estudio es precisamente la energía y su aprovechamiento. La termodinámica es la parte de la ciencia que estudia la energía y sus relaciones con el medio, en sus formas de calor y trabajo. A partir de las propiedades físicas de un sistema, como temperatura, presión y volumen principalmente, la termodinámica es capaz de explicar y predecir el comportamiento de dicho sistema en cuánto al tránsito de la energía se refiere. Como ya se dijo, la preocupación actual es el uso eficiente de la energía, y la ingeniería térmica, a través de la termodinámica, es la encargada de dar solución a este problema. La principal forma de energía en la actualidad es la energía eléctrica, ya que es esta forma de energía la que mueve a nuestro mundo industrializado, mueve nuestras máquinas y nos da luz y calor. Entonces el problema es la generación de suficiente energía eléctrica, o mejor dicho, la transformación de las fuentes de energía disponibles en la naturaleza en suficiente energía eléctrica. Un generador eléctrico funciona bajo el principio de inducción electromagnética, que dice que si un flujo magnético que enlaza a un conductor, cambia de alguna forma en el tiempo, se generará un voltaje en dicho conductor. La forma más fácil de variar el flujo que enlaza al conductor es variando la posición relativa entre el flujo y el conductor. En un generador eléctrico esto se hace girando varias bobinas de alambre alrededor de pares de polos magnéticos. Así entonces, generar electricidad es relativamente sencillo, el problema es generar el movimiento primario que hará girar al generador. Existen varias formas de producir éste movimiento, como una turbina hidráulica que aprovecha la presión del agua contenida en una presa y la energía que desata en su caída. Ésta energía puede parecer ideal, ya que no contamina, aparentemente sólo necesita de agua, pero tiene varios problemas. Para comenzar, es necesario un río lo suficientemente grande para albergar una presa, lo cuál no siempre se encuentra cerca de una ciudad, que es la principal consumidora de energía. La construcción de una presa tiene en definitiva impacto ecológico en el río donde se emplaza, cambiando el ecosistema del río pues impide flujo del mismo, inundando sus laderas y afectando a su flora y fauna. Además la obtención de energía está limitada por los periodos de secas, y aún en periodos con lluvias, el agua de embalse baja no se puede aprovechar después de
que el vaso ha llegado a cierta altura, esto lo hace una fuente intermitente de energía. Aún así, si se sabe manejar, es una de las mejores fuentes de energía. Otra forma de energía que ha cobrado impulso es la energía del viento, eólica, que se aprovecha instalando decenas de “molinos de viento” en grandes extensiones de terreno. Éstos molinos son en realidad turbinas cuyas aspas están diseñadas aerodinámicamente para transformar el movimiento lineal del viento en movimiento circular que impulsa al los generadores. Ésta forma de energía no contamina y puede parecer la solución al problema, pero tiene el inconveniente de que el viento no es constante, cambia de intensidad y de dirección a lo largo del día y de las estaciones, lo que la convierte también en intermitente, con el problema de que afecta también al ecosistema, pues las aves se ven amenazadas por las turbinas. La energía solar, que funciona bajo principios diferentes de la inducción electromagnética, puede parecer la solución, y en muchos casos lo es, pero tiene el inconveniente de ser intermitente, además, aún no tiene la capacidad de entregar la potencia de las grandes plantas generadoras. La forma más popular de impulsar a un generador ha sido por mucho tiempo la turbina de vapor y su variante la turbina de gas. Éstas turbinas aprovechan las propiedades termodinámicas de dichos fluidos, que al aplicarles calor se expanden y ésta expansión se utiliza para realizar trabajo. Éste tipo de generación de energía recibe el nombre genérico de termoeléctrica, pues es el calor la forma de energía a utilizar. En éste ensayo nos ocuparemos de las plantas de vapor. El problema entonces es generar el calor necesario para convertir agua en vapor y que éste se expanda para realizar trabajo en la turbina que impulsa el generador. Éste calor se puede generar de diferentes maneras, por ejemplo se puede aprovechar el calor proveniente de la actividad volcánica bajo tierra, en las llamadas plantas geotérmicas, en las que se insertan tuberías en el subsuelo y por ellas se inyecta agua a presión, ésta agua se calienta y se evapora y se traslada a la turbina para aprovechar su energía. La energía geotérmica no contamina pero su inconveniente es la disponibilidad, ya que la actividad volcánica no se encuentra disponible en todas partes. Otra forma relativamente reciente de calentar el agua es mediante la energía nuclear, concretamente mediante la reacción de fisión en la que átomos de material fisionable como el uranio o plutonio se bombardean con protones de baja velocidad, los cuáles desestabilizan al átomo y lo hacen “explotar”, dividiéndose en átomos más ligeros y emitiendo gran cantidad de energía. La energía nuclear tiene varias ventajas respecto a las energías por fósil, principalmente su densidad energética, esto es, por la misma cantidad de combustible, la energía nuclear entrega mucha más energía que los combustibles fósiles. Los deshechos de la energía nuclear tienen un volumen mucho menor a los deshechos fósiles, que son principalmente gases que se liberan a la atmósfera, mientras que los deshechos nucleares son sólidos y pueden contenerse en bidones. El gran problema es que los deshechos nucleares son radioactivos y tienen que manejarse con extremo cuidado. En un futuro, la energía eléctrica puede encontrar solución a este problema y convertirse en la mejor opción. Por último, la forma más fácil de obtener el calor para el vapor, es y ha sido desde el inicio de la revolución industrial el quemar combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y sus derivados y gas. El proceso en una planta de vapor accionada por combustible fósil es el siguiente: En un edificio llamado hogar de la caldera se quema el combustible para producir calor. Dentro del mismo edificio se ubica un recipiente llamado caldera el cuál contiene agua. El agua de la caldera se calienta y entra en ebullición, alcanzando una gran presión y temperatura. El vapor se extrae de la caldera por medio de una tubería que va hacia la
turbina de vapor. A la turbina entra vapor con alta presión y temperatura, el cuál al expandirse cede energía y provoca la rotación de las paletas de la turbina generando trabajo. De la turbina sale vapor de baja energía que tiene una presión y temperaturas mucho menores que con las que entró a la turbina, es un vapor con calidad, con un porcentaje de humedad. Después de salir de la turbina, el vapor con calidad entra a un condensador, que es un intercambiador de calor para ceder energía a otro fluido de enfriamiento. De ésta forma el vapor se condensa y se vuelve líquido para poder inyectarlo a presión en la caldera nuevamente, y el ciclo se repite. Describiremos cada paso de una planta de vapor de manera más detallada. LA CALDERA Como ya se dijo, la caldera es un recipiente metálico que contiene agua a presión. La caldera recibe calor desde el hogar de la caldera y lo utiliza para elevar la temperatura del agua en su interior. El agua entonces pasa de un estado de líquido comprimido hasta un estado de líquido saturado. Una vez alcanzado el punto de saturación, el agua sigue recibiendo calor pero su temperatura permanece constante y cambia de líquido a vapor, aumentando la presión en la caldera. Dependiendo del tipo de caldera y el objetivo que tenga el vapor ahí producido, se puede extraer de la misma vapor con calidad, vapor saturado seco o vapor sobrecalentado. En la producción de vapor para una turbina se prefiere extraer vapor sobrecalentado ya que puede transferir más energía a la turbina, además de que la humedad que aparezca en el proceso será menor. Es indeseable que el vapor que llegue a la turbina tenga humedad pues le causa daños que ya se mencionarán cuándo se estudie el funcionamiento de la turbina. El flujo de vapor que salga de la caldera dependerá de la demanda de energía en la turbina, que a su vez depende de la demanda de energía en el generador. Cuándo la turbina necesita un mayor flujo de vapor, éste se extrae de la caldera. Para que la caldera satisfaga la demanda de vapor, necesita que el hogar le proporcione una mayor cantidad de calor. Cuándo se aumenta la extracción de vapor en la caldera, la presión en el interior baja. Como el agua se encuentra a una temperatura y presión de saturación, al bajar la presión y mantener constante la temperatura, surge un fenómeno conocido como producción de vapor flash. El vapor flash surge al entrar el agua en ebullición a baja presión, lo que ocasiona la formación de burbujas de vapor que revientan violentamente. El vapor flash siempre se trata de evitar, pues es un vapor con alto contenido de humedad que al ser extraído y llevado a la caldera ocasiona más problemas. Además, en el interior de la caldera cuándo existe vapor flash, la cantidad de agua en la caldera disminuye, lo que deja una mayor superficie metálica expuesta a al calor del hogar y se puede dañar. La formas de evitar la formación de vapor flash es aumentando la extracción de vapor de manera progresiva y no bruscamente, además de cuidar el nivel real de agua en la caldera. El circuito de agua-vapor en una planta generadora se puede considerar cerrado, ya que el agua pasa por un ciclo que se repite. Por lo mismo se debe tener en cuenta que si se extrae una cantidad de vapor de la caldera, se debe ingresar a la misma una cantidad equivalente de agua para evitar los problemas ya descritos. Éste tipo de control se logra en la actualidad mediante sensores electrónicos de nivel, los cuales miden el nivel real de agua en la caldera y envían señales a actuadotes para que aumenten o disminuyan el flujo de agua de entrada a la caldera para que el nivel permanezca lo mas constante posible. El nivel de agua en la caldera debe permanecer cerca de un valor calculado para dicho efecto. Un alto nivel de agua provoca que el vapor entre con humedad a la toma de vapor, y un nivel bajo provoca que se exponga metal al calor. Otro aspecto a tener en cuenta cuándo se ingresa agua en la caldera, es que la producción de vapor siempre bajará en mayor o menor medida dependiendo de la cantidad de agua de entrada. Esto se
debe a que al ingresar agua como líquido comprimido (ya que es impulsada por una bomba) a la caldera, el calor del hogar se utilizará para elevar la temperatura del agua de ingreso en vez de utilizarse para producir vapor. Es por esto que el nivel de agua debe mantenerse lo mas constate posible, para que la extracción de vapor y la entrada de agua estén en equilibrio y la producción de vapor sea constante. LA TURBINA Una vez producido el vapor en la caldera, se extrae y se conduce a la turbina. La turbina es una máquina que convierte la expansión del vapor en movimiento rotatorio para impulsar al generador. El vapor entra a la turbina con una presión y temperatura elevadas, casi siempre como vapor sobrecalentado, y sale con una temperatura y presión menores a las de entrada, como vapor con calidad. Al existir una caída de presión y temperatura, con la consecuente aparición de humedad en el vapor, se crean ciertos problemas que se deben tener en cuenta. La turbina está diseñada para trabajar con vapor y no con líquidos, y aún teniendo en cuenta la aparición de líquido en el diseño de la turbina, siempre es un problema. Los alabes de la turbina giran a gran velocidad y el vapor que pasa entre ellos también tiene una gran velocidad, sobre todo en las etapas terminales donde hay baja presión. Al existir gotas de humedad en el vapor, éstas golpean a los alabes de forma continua produciendo corrosión y sedimentación de partículas, lo que a largo plazo puede provocar un desbalance del conjunto y que éste choque con las paredes de la turbina, dañando así a la máquina. Se podría pensar que si el agua es pura, no se tendría sedimentación ni corrosión en el metal de la turbina, pero esto no es del todo cierto, ya que aún cuándo el agua se trate y purifique, siempre habrá intrusiones de gases de la atmósfera al interior de la turbina, debido a la diferencia de presión entre la atmósfera y el interior de la turbina, que alcanza presiones de vacío en las etapas finales. Por ésta razón, gases atmosféricos se cuelan por entre las juntas de la piezas móviles y se mezclan con el agua, gasificándola. Por eso, el agua que entra a la caldera debe tratarse primero para retirar el exceso de gas y partículas metálicas que pudieron haber arrastrado a su paso por el circuito de tuberías, para así minimizar los efectos nocivos en la turbina. Otro aspecto a tener en consideración es la velocidad a la que gira la turbina. El generador eléctrico debe producir energía alterna a 60 Hz para poder entregarla a la red. La frecuencia generada depende de la velocidad de rotación de la máquina, y como la frecuencia debe ser constante, entonces la velocidad de giro también debe serlo. Entonces la turbina debe girar a una velocidad constante que será definida por la configuración de la máquina eléctrica. La potencia desarrollada por la turbina, y que será la potencia entregada al generador, es proporcional a la velocidad de giro y al torque aplicado. Cuándo el generador le demanda potencia a la turbina con una velocidad constante, depende entonces únicamente del torque aplicado para poder variar la potencia. Entonces, para variar la potencia en la turbina se debe variar el torque en ella. Esto se logra variando el flujo y la presión del vapor que llega a la turbina. Mientras mayor sea la caída de presión en la turbina, mayor será la energía disponible para realizar trabajo en la turbina, y mientras menor sea la diferencia de presión, la energía disponible será menor. También, si el flujo de vapor que llega a la turbina es grande, el trabajo desarrollado será mayor y viceversa. Para variar la presión del vapor que llega a la turbina existen 2 métodos: de estrangulamiento y por toberas. El método de estrangulamiento consiste en ubicar una válvula de estrangulamiento entre la salida de la caldera y la entrada de la turbina. Si la válvula está totalmente abierta, no hay ningún cambio en el fluido. Pero si se estrangula el paso de vapor, habrá una caída de presión entre los extremos de la válvula y el vapor que entre a la turbina tendrá una menor presión. Si se aplica la primera ley de la termodinámica a la válvula, podemos
ver que ni se transfiere calor ni se realiza trabajo, por lo que la entalpía de entrada es igual a la de salida. Esto quiere decir que el único efecto de la válvula es bajar la presión. El gran inconveniente de éste sistema es que se le quita al fluido la propiedad de producir trabajo y no se aprovecha, es decir, se utiliza energía para elevar su presión y luego se desaprovecha al no utilizarla para realizar trabajo. Su ventaja es que es un sistema muy sencillo para controlar a la turbina, puesto que solo se necesita girar la llave de la válvula para producir el cambio. El segundo método, llamado de toberas, consiste en dividir la entrada de vapor a la turbina en varias tomas llamadas toberas. Cada tobera alimenta de vapor a la turbina de forma independiente y cada una cuenta con una válvula de estrangulación. Cuándo se quiere regular la potencia de la turbina, se abren totalmente las válvulas de un cierto número de toberas mientras que otras se cierran totalmente, entonces sólo una tobera se estrangula. De ésta forma se logra controlar tanto el flujo de ingreso a la tobera como la presión del vapor. Como la presión varía solo en una tobera, el desperdicio de energía disponible para trabajo es menor, pero su desventaja es que es más complicado que el sistema de estrangulamiento, además de ser más caro por el sistema de control necesario para evitar problemas por los cambios de presión entre toberas. Aún así es más eficiente y termina financiándose sólo. Algunas plantas de vapor utilizan sistemas de extracción en las turbinas para mejorar la eficiencia del sistema. En el proceso que se llama de recalentamiento, se hace una extracción de vapor en una etapa intermedia de la turbina y se lleva de vuelta al hogar de la caldera para elevar su presión y temperatura y se regresa a la turbina. El proceso llamado regenerativo, la extracción de vapor de la caldera se utiliza para calentar el agua que va a entrar a la caldera. Éstos 2 procesos mejoran el rendimiento de la planta y pueden aplicarse conjuntamente al mismo sistema, pero se debe tener cuidado de alcanzar un equilibrio entre las extracciones para evitar bajar el rendimiento. EL CONDENSADOR Cuándo el vapor sale de la turbina, lo hace a baja temperatura y a una presión que muchas veces alcanza valores de vacío en forma de vapor con calidad. Para que una bomba pueda regresar esa agua a la caldera, tiene que condensarse en su totalidad, puesto que la bomba sólo trabaja con líquidos. Para esto se usa un condensador, que no es sino un intercambiador de calor, en el que el vapor con calidad le cede energía a otro fluido de enfriamiento, el cuál es típicamente agua de otro circuito. El condensador consiste en un serpentín de tubería de material conductor, por el cuál se hace circular uno de los fluidos, encerrado en un recipiente por el que circulará el otro fluido. El diseño del condensador debe hacerse con mucho cuidado ya que estará sometido a grandes presiones internas, debido a que al condensarse, el volumen del agua es miles de veces menor al del vapor, lo que provoca un vacío. Para que éste vacío no afecte el flujo de vapor, el condensamiento del agua debe tener una velocidad constante. Para ello se puede variar el flujo de agua de enfriamiento que pasa por el intercambiador. A mayor flujo de agua de enfriamiento, ésta será capaz de extraer más calor del vapor. Se debe tener en cuenta que con el pasar del tiempo, los tubos del condensador irán acumulando suciedad en sus paredes, lo que limitará su capacidad de transferir calor y reducirá el desempeño del sistema. Esto se puede controlar dando mantenimiento y limpiando el condensador. Como se dijo en la descripción de la turbina, lo que hace que el trabajo de turbina aumente es la diferencia de presión a la entrada y salida de la misma. Ya se describió como se puede controlar la presión a la entrada de la turbina, pero la presión a la salida también se puede variar. Podemos ver que la presión a la salida de la turbina es la presión que existe en el condensador, por lo tanto, si varía la
presión en el condensador, variaremos la presión de salida de la turbina. Para aumentar el rendimiento de la turbina se necesita bajar la presión de salida y por consiguiente la del condensador. La presión del condensador disminuirá si disminuye la temperatura en el mismo, la presión y temperaturas serán las de saturación, ya que se está llevando a cabo un cambio de fase. Para disminuir la temperatura a la que el vapor se condensa se debe disminuir la temperatura del agua de enfriamiento. Realmente no existe gran control en la presión de salida de la turbina, ya que dependerá de la temperatura a la que se encuentre el agua de enfriamiento que generalmente se toma del mar o de un río, o en otros casos de una torre de enfriamiento, lo que la hace dependiente de la temperatura atmosférica. Aunque no tengamos gran control sobre ésta presión, la información puede ser útil para decidir donde emplazar la toma de agua de enfriamiento, es obvio que nos conviene tomar agua de un depósito a menor temperatura para mejorar el rendimiento de la planta. LA BOMBA Por último, la bomba se utiliza para insertar el agua condensada de regreso a la caldera. El condensador se hace necesario en el circuito debido a la necesidad de la bomba, ya que la bomba no puede trabajar con una mezcla de agua y vapor, se hace necesario condensar el vapor para que la bomba lo pueda manejar. La energía que utiliza la bomba es muy pequeña en comparación con la generada por la turbina, aún así se toma en cuenta para calcular la energía neta entregada por la planta y la eficiencia de la misma. EL HOHAR DE LA CALDERA Es un edificio alto donde se aloja la caldera y el horno donde se quema el combustible y transfiere calor a la caldera. El combustible que ahí se quema normalmente es sólido, como el carbón. La geometría del hogar es muy importante en el diseño, ya que de ésta dependerá la eficiencia del quemado del combustible, pues variará el flujo de aire que entra y se mezcla con el combustible. En la parte de abajo del hogar existen dispositivos para extraer las cenizas del combustible. Mientras mejor sea un combustible, existirán menos cenizas, y mientras mejor sea la calidad del quemado, las cenizas contendrán menores residuos de combustible. La importancia de un buen quemado del combustible tiene relación directa con la eficiencia de la planta, ya que con un mejor quemado, se obtiene más energía de una misma cantidad de combustible. Además, un buen quemado se traduce en menor contaminación, aún cuándo la emisión de gases no se puede evitar, se puede reducir la emisión de monóxido de carbono, el cuál es tóxico, mediante un buen quemado. Un aspecto a tomar en cuenta es que la extracción de cenizas se debe hacer con cuidado, ya que este proceso tiende a bajar la temperatura del hogar, lo que afecta a toda la planta. Por ésta razón, la extracción de cenizas se debe hacer periódicamente para que la cantidad de materia extraída se mínima. Una variante de fuente de calor para el hogar es el que se conoce como ciclo combinado. Consiste en que los gases de salida de una turbina de gas de una planta generadora de gas se utilizan para calentar el hogar de la caldera, con lo que se aprovecha la alta temperatura de los gases de escape de la planta de gas. Así entonces se obtiene energía de 2 turbinas impulsadas una por gas y la otra por vapor, y la única fuente de energía es entonces el gas. De forma muy general, ésta es la descripción de los principales componentes de una planta generadora de energía por vapor. El reto es hacer éstas plantas cada vez más eficientes para así aprovechar la energía del combustible. Hoy en día, una planta simple
de vapor tiene una eficiencia de 30%, una planta con ciclo de recalentamiento, al igual que una con ciclo regenerativo alcanzan una eficiencia alrededor del 35%, una planta que involucre los 2 ciclos, llega a tener un 40%, y si se tiene un ciclo combinado, se pueden alcanzar de 45 hasta un 50% de eficiencia. Éstos valores de eficiencia son relativamente bajos, si los comparamos con las máquinas eléctricas que tienen eficiencias de hasta 99%. La ineficiencia en las máquinas térmicas se debe a las pérdidas del sistema. La máquina de carnot, que es un sistema ideal teórico, dice que una máquina real no puede obtener más energía de la que ella obtendría entre una fuente suministradora de calor y un sumidero de pérdidas. En una máquina real, aparte de las perdidas existentes por fricción y escape de calor, la más importante es la pérdida por el condensador. Para simplificar, diremos que el condensador enfría el agua que después de debe calentar. Si idealmente existiera una bomba que trabajara con vapor con calidad, no habría necesidad de tener un condensador y se perdería menos energía. Por otro lado, el vapor que sale de la turbina, tiene aún energía, la cuál se conoce como de bajo nivel, ya que no sirve para producir trabajo en una turbina. Otra vez, si idealmente existiera una turbina que recibiera vapor y entregara líquido saturado, se aprovecharía la totalidad de la energía disponible, lo que elevaría enormemente la eficiencia, y de hecho no habría necesidad de la bomba mágica que trabaja con vapor con calidad. Estos dispositivos, la bomba y turbina “mágicas”, aún no existen, pero sería excelente acercarse lo mas posible a ellas. De forma muy condensada, éste es el contenido que se expuso en las diversas sesiones de las pláticas sobre transferencia de calor y plantas de vapor, recordándonos que el reto es para nosotros.
