UNIDAD 1 Y 2-Cemtrales (1)

CENTRALES ELÉCTRICAS
UNIDAD 1 (Diap. 2)
UNIDAD 2 (Diap. 33)
DEFINICIÓN DE CENTRAL ELÉCTRICA
Una central eléctrica es una instalación capaz de convertir la energía mecánica en energía
eléctrica.
Las principales fuentes de energía son el agua, el gas, el uranio, el viento y la energía solar.
Estas fuentes de energía primaria para mover los álabes de una turbina, que a su vez está
conectada en un generador eléctrico.
Hay que tener en cuenta que hay instalaciones de generación donde no se realiza la
transformación de energía mecánica en electricidad como, por ejemplo:
• Los parques fotovoltaicos, donde la electricidad se obtiene de la transformación directa de la
radiación solar.
• Las pilas de combustible o baterías, donde la electricidad se obtiene directamente a partir de la
energía química.
Central Térmica de Ciclo Combinado Sant Adrià
2. TIPOS DE CENTRALES ELÉCTRICAS
• Centrales hidroeléctricas: el agua de una corriente natural o artificial, por el efecto de un desnivel, actúa
sobre las palas de una turbina hidráulica.
• Centrales térmicas convencionales: el combustible fósil (carbón, fueloil o gas) es quemado en una caldera
para generar energía calorífica que se aprovecha para generar vapor de agua. Este vapor (a alta presión)
acciona las palas de una turbina de vapor, transformando la energía calorífica en energía mecánica.
• Centrales térmicas de ciclo combinado: combina dos ciclos termodinámicos. En el primero se produce la
combustión de gas natural en una turbina de gas, y en el segundo, se aprovecha el calor residual de los gases
para generar vapor y expandirlo en una turbina de vapor.
• Centrales nucleares: la fisión de los átomos de uranio libera una gran cantidad de energía que se utiliza para
obtener vapor de agua que, a su vez, se utiliza en un grupo turbina-alternador para producir electricidad.
• Centrales eólicas: la energía cinética del viento se transforma directamente en energía mecánica rotatoria
mediante un aerogenerador.
• Centrales termoeléctricas solares: la energía del Sol calienta un fluido que transforma en vapor otro segundo
fluido, que acciona la turbina-alternador que consigue el movimiento rotatorio y así, generar electricidad.
• Centrales de biomasa o de residuos sólidos urbanos (RSU): utilizan el mismo esquema de generación
eléctrica que una central térmica convencional. La única diferencia es el combustible utilizado en la caldera, que
proviene de nuestros residuos.
ENERGÍA ELÉCTRICA CONVENCIONAL Y NO
CONVENCIONAL
La energía eléctrica se puede clasificar entre energía eléctrica
convencional y energía eléctrica no convencional. Se denomina así
por la fuente de energía utilizada para generarla.
ENERGÍA ELÉCTRICA CONVENCIONAL
Corresponde a la energía producida por las primeras fuentes de energía
descubiertas por el hombre y que en la actualidad son las más comunes o conocidas
con las que se ha venido trabajando desde hace mucho tiempo y no ha sufrido una
variación importante. Así tenemos:
• La energía hidráulica que se genera en las centrales hidroeléctricas producida por la
fuerza del agua. Es denominada también hidroelectricidad.
• La energía generada por el procesamiento de los combustibles fósiles más conocidos
tales como el petróleo, de dónde se obtiene los siguientes derivados: la gasolina, el
Diesel 2 y Diesel 5, utilizada en la gran mayoría de motores en dónde se produce
combustión y explosión para generar trabajo.
• La energía generada por el carbón, que sirve como combustible para generar calor y
convertirse en trabajo.
• Una particularidad RESALTANTE de esta clase de energía es que las fuentes para
generar la misma es conocida como NO renovable.
ENERGÍA ELÉCTRICA NO CONVENCIONAL
Se conoce como Energía Eléctrica NO Convencional a aquella energía que es
generada por fuentes recientemente descubiertas o pocos conocidas y de poca
aplicación debido todavía a sus altos costos para implementarla.
Entre las más conocidas actualmente se tiene:
Energía solar: generada por el sol
Energía eólica: generada por la fuerza del viento
Energía química
Nuevas fuentes de energía que se puedan crear
A diferencia de las fuentes de energía eléctrica Convencional una particularidad
resaltante de este clase de energía es que las fuentes para generar las mismas son
conocidas como renovables
CENTRALES TÉRMICAS
CONVENCIONALES
1. ¿QUÉ ES UNA CENTRAL TÉRMICA
CONVENCIONAL?
En las centrales térmicas convencionales (o termoeléctricas convencionales) se
produce electricidad a partir de combustibles fósiles como carbón, fueloil o gas
natural, mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor. El término
‘convencionales’ sirve para diferenciarlas de otras centrales térmicas, como las
nucleares o las de ciclo combinado.
2. COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA CENTRAL
TÉRMICA CONVENCIONAL
 Caldera. En este espacio el agua se transforma en vapor, cambiando su estado. Esta
acción se produce gracias a la combustión del gas natural (o cualquier otro combustible
fósil que pueda utilizar la central), con la que se generan gases a muy alta temperatura
que al entrar en contacto con el agua líquida la convierten en vapor.
El agua que se transforma en vapor circula por unas cañerías llamadas serpentines, donde
se produce el intercambio de calor entre los gases de la combustión y el agua.
 Turbina de vapor. Máquina que recoge el vapor de agua y que, gracias a un complejo
sistema de presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje que la atraviesa. Esta
turbina normalmente tiene varios cuerpos, de alta, media y baja presión, para
aprovechar al máximo el vapor de agua.
El eje que atraviesa los diferentes cuerpos está conectado con el generador.
 Generador. Máquina que recoge la energía mecánica generada en el eje que atraviesa
la turbina y la transforma en eléctrica mediante inducción electromagnética. Las centrales
eléctricas transforman la energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y
alterna.
3. FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL
TÉRMICA CONVENCIONAL
El funcionamiento de las centrales termoeléctricas convencionales es el mismo independientemente del combustible que se
utilice.
Sin embargo, sí hay diferencias en el tratamiento previo que se hace al combustible y del diseño de los quemadores de las
calderas de las centrales.
 Centrales de carbón. Donde el combustible debe ser triturado previamente.
 Centrales de fueloil. Donde el combustible se calienta para una utilización más fácil.
 Centrales de gas natural. Que no precisa almacenaje, llegando así directamente por gaseoductos.
 Centrales mixtas. Que pueden utilizar diferentes combustibles, siendo necesarios los tratamientos previos anteriormente
citados.
Una vez el combustible está en la caldera, se quema. Esto provoca que se produzca energía calorífica que se utilizará para
calentar agua y así transformarla en vapor a una presión muy elevada.
A partir de este vapor se hace girar una turbina y un alternador para que este produzca electricidad.
La electricidad generada pasa por un transformador para aumentar su tensión y así transportarla reduciendo las pérdidas
por Efecto Joule.
El vapor que sale de la turbina se envía a un elemento llamado condensador para convertirlo en agua y así retornarlo a la
caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.
4. IMPACTOS MEDIOAMBIENTALES DE LAS
CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES
La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce de dos maneras básicas:
Emisión de residuos a la atmósfera
Este tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que utilizan las centrales
térmicas convencionales para funcionar y producir electricidad. Esta combustión genera partículas que
van a parar a la atmósfera, pudiendo perjudicar el entorno del planeta.
Por eso, las centrales térmicas convencionales disponen de chimeneas de gran altura que dispersan estas
partículas y reducen, localmente, su influencia negativa en el aire.
Además, las centrales termoeléctricas disponen de filtros de partículas que retienen una gran parte de
estas, evitando que salgan al exterior.
Transferencia térmica
Algunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar el calentamiento de las
aguas del río o del mar.
Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas de refrigeración, cuya
tarea principal es enfriar el agua a temperaturas parecidas a las normales para el medio ambiente y
así evitar su calentamiento.
CICLOS DE VAPOR
La energía térmica producida al quemar un combustible, puede convertirse en trabajo, cuando los productos de la combustión no
constituyen el medio operante del ciclo térmico. Este principio de la combustión externa indica la presencia de un medio operante
interpuesto de tal manera, que transmita el calor de la región de la combustión a la máquina térmica. El principio de la combustión
externa puede representarse así:
Figura 1
Combustible ------------ Calentador --------------- Motor -------------- Trabajo -------------Medio operante
-------------------------------El calor producido por la combustión se transmite por medio del calentador al medio operante; transportando por éste al motor, que
puede en cierta forma, transformar parte de la energía térmica que lleva el medio, en trabajo mecánico. El medio operante es una
substancia fluida capaz de absorber y devolver energía térmica mediante procesos químicos o físicos como son:
1)
Un cambio de temperatura pero que no cambie el estado físico, o la composición química
2)
Un cambio en composición química (cambia el estado)
3)
Un cambio de estado físico
El primero se puede llevar a cabo con un gas o presión que se calienta hasta una alta temperatura en el
calentador, luego se conduce al motor donde se expansiona, ejecuta trabajo, y se enfría. El aparato sería
voluminoso y mucha parte del rendimiento del motor se necesitaría para comprimir el gas frío antes de
calentarlo. Como un ejemplo de este sistema tenemos el ciclo cerrado de la turbina de gas. Se han puesto
medios operantes que absorban y devuelvan el calor por composición y descomposición química. Sin embargo
no se han utilizado, debido a que la tercera alternativa, se adapta muy bien para el ciclo de combustión
externa.
Los cambios de estado físico que se han usado mucho son la vaporización y la condensación. El fluido se somete
a la acción del calentador en forma de líquido bajo presión y allí se vaporiza por la energía térmica (se
calienta el líquido). Corre luego a alta presión al motor, que puede ser de la forma de máquina de vapor o
turbina. Allí se expansiona en un proceso de trabajo en el que la energía disponible que lleva se transforma en
trabajo mecánico.
El vapor a baja presión que descarga el motor no es difícil condensarlo en forma de líquido; produciéndose de
esta manera un ciclo cerrado. El estado termodinámico del medio operante, al circular del calentador al motor
y regresar otra vez, constituye el ciclo de vapor que se define como una sucesión de procesos termodinámicos
que sufre un fluido vaporizable, por medio de los cuales se produce trabajo mecánico de la energía térmica y
después de esta conversión, el fluido vuelve a su estado inicial listo para comenzar otro ciclo. Los ciclos de la
máquina consideran solamente los cambios que ocurren dentro de ella, pero el ciclo de vapor incluye además,
todos los cambios en el estado del vapor desde el punto que sale de la máquina hasta que está listo para
volver a entrar.
Existen varios vapores que pueden utilizarse como medios operantes. Los que se han propuesto seriamente o que se han
usado en la realidad son:
1. Se deberá poder disponer de cantidades abundantes del mismo y ser de bajo costo.
2. No debe ser corrosivo ni tóxico.
3. Las presiones que correspondan a la variación máxima de temperatura posible, esto es de la temperatura mínima de
seguridad, indicada por las propiedades de los metales de la caldera, tuberías, etc. A la temperatura mínima
exigida por la temperatura del agua de condensación no debe ser tan alta que sea comercialmente impracticable, ni
tan baja que haga el mantenimiento del vacío difícil.
4. Debe mojar las superficies de la caldera que la contienen y debe ser químicamente, a las temperaturas máximas de
la caldera.
5. Su calor en forma líquida debe ser una parte menor del calor total, ya que el calor utilizable se encuentra en forma
latente.
6. Debe disminuir considerablemente de volumen al condensarse.
FORMULAS DEL MOTOR DIESEL
ihp=PmepLANp/4562.4 hp (EEUU)
r -----Longitud del brazo dinamómetro neta, en Kg
Bhp=2piWrN/4562.4 hp
Bhp/ihp----- Eficiencia mecánica que se aplica a los
motores diesel
Bmep=bhpX4562.4/LANp Kg/cm^2
Pmed------ Presión media efectiva
L----- Carrera del pistón, en m
A----- Superficie del pistón, en cm^2
Np----Número de carreras del pistón por minuto
N-----Velocidad de rotación, rpm
W-----Fuerza dinamométrica neta, en Kg
Eficiencia térmica indicada nti=641.2/wiQ
Eficiencia térmica en el freno ntb=641.2/wbQ
Wi,wb-----Consumo de combustible, Kg/h para ihp
o bhp
Q----- Potencia calorífica del combustible, en
Calorias por Kg, que puede ser Qh o QL
ECUACIONES DE DEL CICLO DE VAPOR
n=W/JQ ------ Eficiencia de cualquier ciclo de trabajo
W ----- Trabajo ejecutado (Kg/Ciclo)
Q1 ----- Calor suministrado (Cal/Ciclo)
N=(T1-T2)/T1------Eficiencia del ciclo de Carnot
T1----- Temperatura 1
T2----- Temperatura 2
nr=(h1-h2)/(h1-ht3)----- Eficiencia del ciclo de Rankine
h1-h2= ------ Transformación de trabajo térmico ideal de una expansión isentrópica
ht3 ------ Calor del líquido a la presión de escape.
nR=(h1-h2-Wp/J)/(h1-ht3-Wp/J) ------Eficiencia del ciclo de R con trabajo de la bomba
Wp ------ Trabajo de la bomba por Kg fluido /ciclo en Kgm
La igualdad de entropía de la figura 2 por el ciclo 1-a-b-3-4 en lugar de la ecuación (3) se deberá
usar:
H1-h2+(10000/427)*Va(Pa-Pb)
En la que
Pa,Pb ----- Presiones en los estados a,b en (Kg/cm^2a)
Va ----- Volumen específico del vapor en el estado a en (m^2/Kg)
Ha -----Entalpía del vapor después de la expansión isentrópica a Po
nt=641/W(h1-ht) ----- Eficiencia térmica de un ciclo de vapor basado en el ciclo Rankine
Si se usa ht3 la ecuación se convierte en una eficiencia térmica real del motor. En la que :
W----- Consumo de vapor
ht -----Calor líquido del fluido que entra en el generador de vapor
La eficiencia nt se basa en la potencia indicada o en la flecha, según W sea el consumo en Kg/h/iph o
bhp.
Nc=861/Wk(h1-ht3) ----- Eficiencia térmica y eléctrica combinada de una unidad motor- generador
Es necesario determinar el consumo de vapor necesarios en las que se midan la potencia producida y el
consumo de vapor en un lapso de tiempo determinado.
Ejemplo 1
La eficiencia ideal para un ciclo Rankine de vapor operando entre una presión de 11.6 Kg/cm^2a, seco saturado y la presión atmosférica, se va a determinar. El trabajo de la bomba no
se tomará en cuenta . A 11.6 Kg/cm^2a, h1=664.28 Calorías después de la expansión isentrópica a 1.03 Kg/cm^2a, h2=556.49 Calorías, ht3=100Calorías.
Usando la ecuación (3)
nr=(h1-h2)/(h1-ht3) Eficiencia del Rankine
nr=(664.28-556.49)/(664.28-100)=17.9%
Calculemos en seguida la eficiencia térmica de una planta de ciclo abierto, (no se recicla el vapor) operando en las mismas condiciones terminales que la calculada. El agua de
alimentación se calienta a ht= 93.33 ºC. Se midió el gasto de vapor cuando producía 75bhp, y era de 1261 Kg/h.
Wb=1261/75=16.81 Kg/bhph.
Entonces con la ecuación (5)
nt=641/Wb(h1-ht) ----- Eficiencia térmica de un ciclo de vapor basado en el ciclo Rankine
nt=641/16.81(664.28-93.33)=6.7%
Ejemplo 2
Se muestra ahora el cálculo de la eficiencia de un ciclo Rankine de expansión incompleta. Supóngase vapor seco y saturado a una presión de 10.55 Kg/cm^2 a en el estado inicial;
presión a la que se suspende la expansión Pa=2.11 Kg/cm^2; presión del escape 0.211 Kg/cm^2 a.
Primero se determinan las entalpías y los volúmenes en los estados 1 y a. h1=663.44 h2=595.60, Xa=0.903, Va=0.903X0.858=0.775 m^3 , ht=60.78
Entonces con la ecuación (3) modificada por la expansión incompleta:
nR=(h1-h2-Wp/J)/(h1-ht3-Wp/J) ------Eficiencia del ciclo de R con trabajo de la bomba
n R=(663.44-595.60+(10000/427) X 0.775(2.11-0.211))/(663.44-60.78)=17.0%
PREOCUPACIONES MEDIOAMBIENTALES CON
LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.
La tecnología moderna consume grandes cantidades de energía eléctrica. Esta es
normalmente generada en una planta de energía que convierte otras clases de
energía en energía eléctrica. Cada sistema tiene ventajas e inconvenientes, pero
muchos de ellos plantean preocupaciones medioambientales.
La eficiencia de algunos de estos sistemas puede mejorarse mediante métodos de
cogeneración (combinando calor y energía). El vapor para un proceso puede
extraerse de turbinas de vapor. El calor sobrante producido por las centrales
térmicas puede utilizarse para la calefacción de edificios cercanos. Al combinar la
producción eléctrica y el calor, se consume menos combustible, con lo que se reducen
los efectos ambientales comparado con los sistemas separados de calor y energía.
PREOCUPACIONES MEDIOAMBIENTALES EN LOS DIFERENTES
TIPOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Combustibles fósiles
Energía Hidroeléctrica
Energía de las mareas
Energía Nuclear
Biomasa
Energía Solar
1. Reciclaje de módulos fotovoltaicos
7. Energía eólica
8. Energía geotérmica
9. Negawatios
COMBUSTIBLES FÓSILES
La mayoría de la electricidad actualmente se genera quemando combustibles fósiles. Esto produce
altas temperaturas, que mueven algún tipo de máquina térmica, a menudo una turbina de vapor.
Tales sistemas permiten que la electricidad sea generada donde haga falta, ya que el combustible
fósil puede ser transportado rápidamente. También se aprovechan de la gran infraestructura
diseñada para atender a los clientes de automóviles. Las reservas de combustibles fósiles son
grandes, pero finitas. El agotamiento de combustibles fósiles de bajo costo tendrá consecuencias
relevantes tanto para las fuentes de energía como para la manufactura de plásticos y muchos
otros artículos. Se han realizado estimaciones para calcular exactamente cuándo se producirá el
agotamiento, pero todavía se están descubriendo nuevas fuentes de combustible fósil.
Más graves son las preocupaciones acerca de las emisiones que resultan del quemado de
combustible fósil, el cual constituye un repositorio significativo del carbón enterrado bajo tierra. Al
quemarse se produce la conversión de este carbón el dióxido de carbono, el cual se diluye en la
atmósfera, lo que produce un incremento en los niveles del dióxido de carbono atmosférico, que
refuerza el efecto invernadero y contribuye al calentamiento global de la Tierra. La relación entre
el incremento de dióxido de carbono y el calentamiento global está aceptado casi universalmente,
a pesar de que los productos de combustible fósil replican vigorosamente a estos resultados.
Dependiendo del tipo de combustible fósil y del método de quemado, también se pueden producir
otras emisiones. A menudo se emite ozono, dióxido de azufre, NO2 y otros gases, así como humos.
Los óxidos de azufre y de nitrógeno contribuyen al smog y a la lluvia ácida. En el pasado, los
propietarios de plantas atacaban este problema mediante la construcción de grandes chimeneas
de humos, de modo que los elementos polucionantes pudieran diluirse en la atmósfera, lo que, si
bien ayuda a reducir la contaminación local, no lo hace con la global.
Los combustibles fósiles, en particular el carbón, también contiene en disolución material radioactivo,
por lo que, al quemarlo en muy grandes cantidades, arrojan este material al ambiente, provocando
niveles de contaminación radiactiva local y global bajos pero reales.
El carbón también contiene indicios de elementos pesados tóxicos tales como mercurio, arsénico y
otros. El mercurio vaporizado en una planta de energía puede estar en suspensión en la atmósfera
y circular por todo el mundo. Mientras en el ambiente existe una sustancial cantidad de mercurio,
de las que el procedente de otras actividades humanas está mejor controlado, el procedente de las
plantas de energía constituye una fracción significativa del resto de emisiones. Las emisiones de
mercurio de las plantas de energía en Estados Unidos se estiman en 50 t anuales para el año
2003, y varios cientos de toneladas anuales para las de China. Los diseñadores de plantas de
energía pueden dotar de equipos especiales para que se reduzcan tales emisiones.
Las prácticas mineras del carbón el Estados Unidos también incluyen la minería de excavación y
destrucción de las cimas de las montañas. Los restos de materia removida se dejan al descubierto y
son arrojadas a los lechos de los ríos locales, lo que provoca que la mayoría de todos los ríos de
las zonas carboníferas discurran rojos todo el año con ácido sulfúrico que mata toda la vida de los
ríos.
ENERGÍA HIDROELÉCTRICA
El agua en la Tierra circula en un ciclo constante: es evaporada de los mares, cae en forma de lluvia sobre la tierra, y desciende
desde los montes hasta volver a los mares. La energía hidroeléctrica extrae alguna de la energía de este flujo de descenso del
agua. Normalmente, las plantas de energía eléctrica están formadas por una Presa hidráulica que crea un gran embalse; cuando
hace falta energía, se permite que el agua fluya del embalse, a través de turbinas que generan electricidad.
La energía hidroeléctrica es renovable, es decir, no dejará de funcionar en tanto el agua continúe fluyendo. Los efectos
medioambientales proceden del funcionamiento de los pantanos y la alteración consiguiente de las preexistentes condiciones del
flujo del agua.
Las presas hidroeléctricas pueden acumular sedimentos debido a los sólidos en suspensión que se depositan en el agua del pantano.
Si se acumulan suficientes sedimentos la toma de agua de las turbinas puede quedar bloqueada, por lo que las instalaciones
hidroeléctricas deben retirar los sedimentos y desprenderse de ellos de alguna manera.
Las presas hidroeléctricas también bloquean las rutas de migración de peces que necesitan remontar los ríos para el desove. Esto se
ha corregido parcialmente mediante la construcción de rampas para peces, que son pequeñas corrientes que los peces pueden
remontar para circunvalar la presa.
Es raro que un gran hidroproyecto se realice cerca de una ciudad o de una fábrica industrial que use toda la energía producida.
Habitualmente, largas líneas de transporte de energía llevan la electricidad a su destino. El tendido de la línea de transporte
requiere limpiar un estrecho pero largo corredor de bosque (o de otro terreno). Esta limpieza puede afectar a las rutas de
migración y provocar erosión del terreno, al tiempo que facilitan el acceso humano a las que, de otro modo, sería áreas aisladas.
Los efectos de la descarga de corona y la radiación electromagnética de baja frecuencia alrededor de los tendidos eléctricos son
una fuente de continua preocupación.
La Comisión Mundial sobre Presas en 2004 hizo público un informe subrayando un consenso sobre las mejores prácticas para
grandes presas, considerando los factores ecológicos, sociales y económicos, e incluyendo la discusión sobre emisiones de gases de
efecto invernadero.
ENERGÍA DE LAS MAREAS
En regiones tales como la Bahía de Fundy con muy amplias mareas, se pueden construir
plantas de energía de las mareas, para conseguir energía eléctrica del movimiento de las
mareas.
La energía de las mareas, también es renovable, en el sentido de que estará disponible
siempre que la Luna siga orbitando la Tierra. No obstante, tiene problemas ambientales
similares a los de la energía hidroeléctrica. Una planta movida por mareas normalmente
requiere una gran presa, que puede hacer peligrar los ecosistemas al limitar los movimientos
de los animales marinos. Tal vez más grave, una planta de este tipo reduce o incrementa el
vaivén de las mareas, lo que puede alterar gravemente los ecosistemas que dependen de ser
cubiertos periódicamente por las aguas; los resultados en los lechos pesqueros o marisqueros
pueden producir efectos económicos adversos. Ciertas plantas de mareas proyectadas en la
Bahía de Fundy podrían incrementar el vaivén de las mareas alrededor de 50 cm en lugares
tan alejados como la costa de Maine (en donde ahora las mareas no son particularmente
grandes).
ENERGÍA NUCLEAR
Planta de Energía Nuclear de Kewaunee, Kewaunee, Wisconsin.
La energía nuclear ha levantado mucha preocupación en la gente. Bajo funcionamiento normal, una planta de energía
nuclear libera muy poca contaminación de cualquier clase en el ambiente. Pero produce varios tipos de residuo nuclear.
Produce unos volúmenes moderados de residuo de bajo nivel; los cuales pueden ser retirados situándolos simplemente en
algún lugar que no sea accesible durante unos pocos años. Sin embargo, se genera una relativamente pequeña cantidad
(quizás una tonelada al año en el caso de una gran central nuclear) de residuo de alto nivel, que plantea un problema para
deshacerse de ella. Se puede esperar que sea peligrosa durante decenios, siglos o milenios, por lo que se deben encontrar
métodos de desprenderse de ella que sean extremadamente seguros. Normalmente, la mayoría de estos residuos se
almacenan en medios temporales que requieren una atención constante y cuidadosa. Se han sugerido varios métodos para el
destino final de los residuos, incluyendo el enterramiento a profundidad en estructuras geológicas estables, la transmutación
y el envío al espacio exterior. Algunos reactores nucleares, en especial el reactor rápido integral, se han propuesto, ya que
usando un diferente ciclo del combustible nuclear se evita la producción de residuos con contenido de isótopos radioactivos
de larga duración.
Los accidentes en las plantas de energía nuclear plantean un riesgo grave de contaminación ambiental. El accidente de
Chernobyl, por ejemplo, liberó grandes cantidades de contaminación radiactiva, provocando muchas muertes y dejando
grandes extensiones de terreno inutilizables para los próximos siglos. No obstante, la planta de energía nuclear de
Chernobyl se construyó sin una mínima preocupación por la seguridad; para las plantas de energía nuclear modernas es
mucho menos probable que tengan tales problemas. Sin embargo, el peligro potencial de sufrir un accidente, todavía existe,
por lo que muchos expertos siguen estando preocupados por el uso de la energía nuclear. Este peligro ha recibido una
significativa cobertura en la prensa popular, por lo que la gente tiene un miedo muy grande a la energía nuclear (en
contraste, la contaminación radioactiva debida al quemado del carbón es prácticamente desconocida, del mismo modo que
lo son la mayoría de riesgos de los otros métodos de generación de energía eléctrica).
La energía nuclear puede también plantear el riesgo de la proliferación nuclear. Los productos de la fisión pueden ser
reprocesados a partir del combustible del reactor y derivados a programas de armas nucleares, o un reactor puede ser
utilizado para producir material armamentístico a través de la transmutación por irradiación directa de neutrones.
BIOMASA
La energía eléctrica puede generarse mediante el quemado de cualquier cosa que pueda arder.
Hay energía eléctrica que se genera quemando cosechas que se han cultivado específicamente
para este fin. Normalmente, esto se hace mediante el fermentado de las plantas para producir
etanol, el cual es la materia que se quema. También se obtiene dejando que la materia orgánica
se pudra, produciendo biogás, el cual es quemado. También, cuando se quema, la madera es una
forma de combustible biomasa.
Al quemar biomasa se produce mucha mayor cantidad de dióxido de carbono que en el caso de
los combustibles fósiles. Se defiende esta práctica diciendo que, al cultivar biomasa se captura
dióxido de carbono de la atmósfera, de modo que la contribución neta al ciclo global del dióxido
de carbono atmosférico es cero lo que, en primer lugar, no es exactamente cierto, puesto que la
manipulación de los biocombustibles (cosecha y transportes también consume mucha energía), lo
que quiere decir que sería mucho mejor si no se quemase, puesto que seguiría reduciendo el
dióxido a oxígeno libre y no sería necesario consumir la energía adicional citada.
El proceso del cultivo de biomasa está sujeto a las mismas preocupaciones ambientales que
cualquier clase de agricultura. Utiliza una gran superficie de tierra y, para un cultivo económico,
puede necesitar de fertilizantes y pesticidas. La biomasa que se produce como un subproducto de
la agricultura puede ser prometedora, pero la mayoría de esta biomasa actualmente está siendo
utilizada como abono del suelo, cuando no hay otro, o como alimento del ganado.
ENERGÍA SOLAR
La paneles solares puede ser instalados a pequeña escala sobre los tejados de los
edificios, como en este barrio solar de la localidad de Friburgo (Alemania).
Artículo principal: Energía solar
La energía solar se extrae de la luz del Sol. Esto se puede hacer directamente, con
módulos fotovoltaicos, o mediante la utilización de conjuntos de espejos que
concentren la luz solar en un punto común que se calienta en extremo. Este calor
puede calentar agua hasta convertirla en vapor que, pasando por una turbina con un
generador, puede producir electricidad.
RECICLAJE DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Al finalizar su vida útil, la mayor parte de los paneles fotovoltaicos puede ser
tratada. Gracias a las innovaciones tecnológicas que se han desarrollado en los
últimos años, se puede recuperar hasta el 95% de ciertos materiales semiconductores
y el vidrio, así como grandes cantidades de metales ferrosos y no ferrosos utilizados
en los módulos. Algunas empresas privadas y organizaciones sin fines de lucro, como
por ejemplo PV CYCLE en la Unión Europea, están actualmente trabajando en las
operaciones de recogida y reciclaje de paneles al final de su vida útil.
DOS DE LAS SOLUCIONES DE RECICLAJE
MÁS COMUNES SON:
Paneles de silicio: Los marcos de aluminio y las cajas de conexión son desmantelados
manualmente al comienzo del proceso. El panel se tritura y las diferentes fracciones se
separan - vidrio, plásticos y metales. Es posible recuperar más de 80% del peso entrante y,
por ejemplo, el cristal mixto extraído es fácilmente aceptado por la industria de la espuma
de vidrio el aislamiento. Este proceso puede ser realizado por los recicladores de vidrio plano
ya que la morfología y composición de un panel fotovoltaico es similar al cristal plano
utilizado en la industria de la construcción y del automóvil.
Paneles de otros materiales: Hoy en día contamos con tecnologías específicas para el reciclaje
de paneles fotovoltaicos que no contienen silicio, alguna técnicas utilizan baños químicos para
separar los diferentes materiales semiconductores. Para los paneles de teluro de cadmio, el
proceso de reciclaje empieza por aplastar el módulo y, posteriormente, separar las diferentes
partes. Este proceso de reciclaje está diseñado para recuperar hasta un 90% del vidrio y
95% de los materiales semiconductores.[3] En los últimos años, algunas empresas privadas han
puesto en marcha instalaciones de reciclaje a escala comercial.
ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica obtiene la electricidad del movimiento del aire sobre la superficie
de la tierra. Las estaciones de energía eólicas normalmente están compuestas por
grandes “granjas de viento” (campos de grandes aerogeneradores) en ubicaciones
con relativamente fuertes y constantes vientos. Estas granjas normalmente se
consideran poco atractivas. Además, los aerogeneradores interrumpen vientos de
baja intensidad, y pueden ser muy ruidosos. Ambos hechos crean problemas para las
poblaciones de aves locales, especialmente la muerte de muchas de ellas. Los
aerogeneradores también necesitan un mantenimiento constante, ya que están
formados de muchas partes móviles expuestas a los elementos. Ahora un esfuerzo
considerable se ha realizado para conseguir granjas de viento a varios kilómetros
mar adentro. Los que apoyan este esfuerzo esperan que así se reduzcan las
preocupaciones que tienen los oponentes. Muchos propietarios de casas en áreas con
fuertes vientos y costosa instalación eléctrica convencional, instalan pequeños
aerogeneradores para reducir sus facturas de electricidad.
ENERGÍA GEOTÉRMICA
La energía geotérmica obtiene la electricidad de la diferencia de temperatura entre
las rocas calientes de las profundidades de la Tierra y la relativamente fría del aire
y el agua en su superficie. Esto requiere que la roca caliente esté relativamente poco
profunda, por lo que sólo puede ser aplicada en áreas geológicamente activas.
Puede afectar a géisers cercanos (dado que tienen sistemas muy sensibles), pero la
única mayor preocupación ambiental es la polución por calor. Puesto que la energía
eléctrica se obtiene del chorro de calor, el exceso es lanzado bien al aire o al agua,
lo que, en cualquier caso, puede interferir con los ecosistemas locales. No obstante,
este tipo de polución es más o menos inevitable en todos los establecimientos de
población nórdicos. Las plantas geotérmicas también pueden emitir sales sulfuro de
hidrógeno, o radón transportado a la superficie por la corriente geotérmica.
NEGAWATIOS
Bajo esta expresión se cataloga como energía la obtenida como resultado de un uso
más eficiente de la electricidad. La energía negawatio es un modo de suministrar
energía eléctrica adicional a los consumidores sin incremento de la capacidad de
generación y con un coste de alrededor de la mitad de la generación a gran escala.
Por cuanto está relacionada con eficiencia en la utilización difiere según la escala y
el comportamiento del mercado. Este método de generación virtual puede
proporcionar décadas de crecimiento de suministro en el lugar de generación
reduciendo de esta forma los impactos ambientales de la generación convencional.
Dicho sencillamente, cuesta menos incrementar la disponibilidad aumentando la
eficiencia en el consumo, que incrementar la capacidad de las plantas generadoras.
EQUIPOS TERMOMECÁNICOS
UNIDAD 2
2.1 GENERALIDADES Y CLASIFICACIÓN DE
CALDERAS
Las calderas de vapor constan básicamente de una superficie de calefacción y cuerpo o tambores, que se encuentran encerrados en un
emplazamiento. Luego se añaden las conexiones, que constan de las válvulas y tuberías necesarias para la operación segura de la caldera.
Se surten con la caldera cuando se compra una instalación completa. Algunos compradores compran las calderas sueltas , que montan ellos
mismos en su emplazamiento y le hacen sus conexiones . Las conexiones constan de los elementos mínimos siguientes:
1.- Entrada del agua de alimentación. Una válvula de cierre y otra de retención, con la última instalada más cerca de la caldera.
2.- Descarga del agua, incluyendo válvulas especiales invulnerables a las suciedades del agua.
3.- Válvulas de seguridad para el vapor para evitar la elevación de la presión del vapor arriba de un valor determinado.
4.- Nivel de agua con tubo de vidrio, alarmas para indicar niveles bajos o altos de agua, etc. El objeto principal del nivel de agua es
indicar al operador de la caldera, qué nivel de agua tiene la caldera. Como debe mantenerse este nivel dentro dentro de una variación de
unos cuantos centímetros, o menos, de un nivel normal del agua, la parte visible del nivel del agua necesita abarcar solamente una altura
de 30 a 45 cm. en la que queda centrado el nivel normal del agua.
5.- Válvula principal de cierre y comprobación. Está montada en la salida principal del vapor y es a la que se conecta la tubería principal
del vapor.
6.- Desfogue de vapor. Es una pequeña comunicación con el exterior en la parte superior del tambor, normalmente cerrada por una válvula,
que puede abrirse cuando se desee que obre la presión atmosférica dentro de la caldera, como durante la ebullición inicial.
7.- Manómetro para medir la presión del vapor con sifón, grifo, y grifo de prueba para el inspector.
8.- Varias aberturas especiales, de acuerdo con los requerimientos del comparador, para la instalación de los elementos de control del
agua de alimentación, alimentación de reactivos, muestreo del agua, etc.
Accesorios de la caldera, que son protecciones de seguridad para evitar los niveles del agua bajos, sopladores de hollín, purificadores de
de vapor, economizador. Los niveles bajos del agua son una invitación a los desastres. No es tan peligroso como el exceso de presión, con
respecto a que, aunque el agua baja puede ser perjudicial a la caldera, no es tan probable que produzcan una explosión que destruya
los elementos vitales, al menos en las calderas de tipo de tubos de agua. Pero puede producir la ruina parcial o total de la caldera por
exceso de calentamiento; por lo que los propietarios precavidos usan alarmas y dispositivos de seguridad automáticos con frecuencia.
Algunos de estos son :
1.- Silvatos de alarma que indiquen niveles altos o bajos de agua, generalmente colocados en el nivel de agua.
2.- Interruptores operadores por flotadores cuando baja el nivel, para parar los motores eléctricos que mueven que mueven los
alimentadores de combustible.
3.- Tapones fusibles de temperatura de fusión baja, de aleación colocados en el casco de la caldera, abajo del nivel del agua mínimo de
seguridad. A pesar de estas protecciones de seguridad se leen ocasionalmente informes de calderas que se han arruinado por exceso de
calentamiento, debido a la falla de los equipos automáticos de seguridad, o por la indiferencia o descuido de algún operador.
Deshollinadores. Las superficies de calefacción de las calderas, especialmente las que queman carbón, de tubos de agua, tienen la
tendencia a cubrirse con residuos de la combustión, es decir, de hollín, escoria, ceniza volante. Esta capa suelta es un impedimento
indudable a la transmisión de calor, y deberá quitarse después de cada vez que alcance un espesor suficiente para elevar la temperatura
de los gases de la combustión. Los deshollinadores deberán operarse con frecuencia suficiente para mantener limpios los tubos.
Purificadores de vapor. El vapor generado puede ser inadecuado para algunos usos en virtud de su calidad o su falta de pureza . La
calidad es medida de la cantidad de humedad que arrastra el vapor, mientras que su pureza es la ausencia de materias solidas o
disueltas en vapor húmedo. La impureza se mide en partes por millón (ppm) de materias extrañas en el vapor por peso. Se presenta en el
vapor principalmente porque el vapor generado arrastra gotitas de agua de la caldera que contienen materias sólidas o disuelta.
Después de pasar por un recalentador las impurezas consisten también en partículas solidas de polvo.
Economizadores. Los economizadores de las calderas son calentadores de agua de alimentación, que obtienen el calor de parte de los
productos gaseosos de la combustión descargados de la caldera. Consisten siempre en una superficie de calefacción tubular, como
serpentín.
CALDERAS
INTRODUCCION
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el
agua para aplicaciones en la industria.
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada
"marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo
(de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.
Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un
industrial inglés muy conocido.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.
Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual
comenzó en ese siglo y continua en el nuestro.
Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente
terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia,
necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros.
Vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión
caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000
libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.
Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París,
resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.
GENERALIDADES
Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales:
 Cámara de agua.
Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera.
El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms. por lo menos a los
tubos o conductos de humo superiores.
Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua.
Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se
distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.
Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua.
Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad superior a 150 H de agua por
cada m2 de superficie de calefacción.
Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos
tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.
Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño
diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción.
Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen
de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el
nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su
reducida superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco
económicas.
Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de
calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y
producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren especial cuidado en la
alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden
secarse y quemarse en breves minutos.
Cámara de vapor.
Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor
del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor
debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel
del agua y la toma de vapor.
TIPOS DE CALDERAS
Calderas de Gran Volumen de Agua.
Calderas Sencillas.
Estas calderas se componen de un cilindro de planchas de acero con fondos combados. En la
parte central superior se instala una cúpula cilíndrica llamada domo, donde se encuentra el
vapor más seco de la caldera, que se conduce por cañerías a las máquinas.
La planchas de la calderas, así como los fondos y el domo se unen por remachadura.
Esta caldera se monta en una mampostería de anillos refractario, y allí se instalan el fogón
carnicero y conducto de humo. En el hogar, situado en la parte inferior de la caldera, se
encuentran las parrillas de fierro fundido y al fondo un muro de ladrillos refractarios, llamado
altar, el cual impide que se caiga el carbón y eleva las llamas acercándolas a la caldera.
CALDERAS CON HERVIDORES.
Este tipo de calderas surgieron bajo la necesidad de producir mayor cantidad de vapor. Los
hervidores son unos tubos que se montan bajo el cuerpo cilíndrico principal, de unos 12 metros
de largo por 1.50 metros de diámetro; estos hervidores están unidos a este cilindro por medio
de varios tubos adecuados.
Los gases del hogar calientan a los hervidores al ir hacia adelante por ambos lados del
cuerpo cilíndrico superior, tal como en la caldera anteriormente mencionada.
Las ventajas de estas calderas, a comparación de las otras, es por la mayor superficie de
calefacción o de caldeo, sin aumento de volumen de agua, lo que aumenta la producción de
vapor. Su instalación, construcción y reparación es sencilla. Los hervidores pueden cambiarse o
repararse una vez dañados.
La diferencia de dilatación entre la caldera y los hervidores pueden provocar escape de
vapor en los flanches de los tubos de unión y, a veces, la ruptura. Esta es una de las
desventajas de esta caldera.
CALDERAS DE HOGAR INTERIOR.
En este tipo de calderas, veremos las características de funcionamiento de la caldera con
tubos hogares "cornualles". Estas calderas están formadas por un cuerpo cilíndrico principal
de fondos planos o convexos, conteniendo en su interior uno o dos grandes tubos sumergidos
en agua, en cuya parte anterior se instala el hogar.
El montaje se hace en mampostería, sobre soportes de fierro fundido, dejando un canal para
que los humos calienten a la caldera por el interior en su recorrido hacia atrás, donde se
conducen por otro canal a la chimenea. Su instalación se puede hacer por medio de dos
conductos en la parte baja, para que los humos efectúen un triple recorrido: hacia adelante
por los tubos hogares, atrás por un conducto lateral, adelante por el segundo conducto y
finalmente a la chimenea.
Hasta aquí
Los tubos hogares se construyen generalmente de plantas onduladas, para aumentar la
superficie de calefacción y resistencia al aplastamiento.
CALDERA DE MEDIANO VOLUMEN DE AGUA
(IGNITUBULARES).
Caldera Semitubular.
Esta caldera se compone de un cilindro mayor de fondos planos, que lleva a lo largo un haz
de tubos de 3" a 4" de diámetro. Los tubos se colocan expandidos en los fondos de la
caldera, mediante herramientas especiales; se sitúan diagonalmente para facilitar su limpieza
interior.
Más arriba de los tubos se colocan algunos pernos o tirantes para impedir la deformación y
ruptura de los fondos, por las continuas deformaciones debido a presión del vapor, que en la
zona de los tubos estos sirven de tirantes.
Para la instalación de la caldera se hace una base firme de concreto, de acuerdo al peso de
ella y el agua que contiene. Sobre la base se coloca la mampostería de ladrillos refractarios
ubicados convenientemente el hogar y conductos de humos. La caldera misma se mantiene
suspendida en marcos de fierro T, o bien se monta sobre soporte de fierro fundido.
Estas calderas tienen mayor superficie de calefacción.
CALDERA LOCOMOTORA.
Esta caldera se compone de su hogar rectangular, llamada caja de fuego, seguido
de un haz tubular que termina en la caja de humo. El nivel del agua queda sobre el
ciclo del hogar, de tal manera que éste y los tubos quedan siempre bañados de
agua.
Para evitar las deformaciones de las paredes planas del hogar, se dispone de una
serie de estayes y tirantes, que se colocan atornillados y remachados o soldados a
ambas planchas. Los tubos se fijan por expandidores a las dos placas tubulares y se
pueden extraer por la caja de humo, cuando sea necesario reemplazarlos.
Todas las calderas locomotoras se hacen de chimenea muy corta, las que producen
pequeños tirajes naturales.
CALDERAS DE GALLOWAY.
Reciben este nombre las calderas de uno o dos tubos hogares, como la Cornualles,
provistas de tubos Galloway. Estos tubos son cónicos y se colocan inclinados en
distintos sentidos, de tal manera que atraviesan el tubo hogar. Los tubos Galloway
reciben el calor de los gases por su superficie exterior, aumentando la superficie
total de calefacción de la caldera.
LOCOMÓVILES.
Este nombre lo recibe el conjunto de caldera y máquina a vapor que se emplea
frecuentemente en faenas agrícolas. La caldera puede ser de hogar rectangular,
como la locomotora, o cilíndrico. La máquina se monta sobre la caldera, y puede ser
de uno o dos cilindros. Todo el conjunto se monta sobre ruedas y mazos para el
traslado a tiro.
Estas calderas tienen también tiraje forzado al igual forma que las locomotoras.
Deberán estar provistas, además, de llave de extracción de fondo, tapón fusible,
válvula de seguridad, manómetro, etc., accesorios indispensables para el estricto
control y seguridad de la caldera.
CALDERAS MARINAS.
Los buques a vapor emplean calderas de tubos de humo y de tubos de agua. Entre
las primeras se emplean frecuentemente las llamadas "calderas de llama de retorno"
o "calderas suecas".
Este tipo de calderas consta de un cilindro exterior de 2 a 4.1/2 metros de diámetro
y de una longitud igual o ligeramente menor. En la parte inferior van dos o tres y
hasta cuatro tubos hogares, que terminan en la caja de fuego, rodeado totalmente
de agua.
Los gases de la combustión se juntan en la caja de fuego, donde terminan de arder y
retoman, hacia atrás por los tubos de humo, situados más arriba de los hogares.
Finalmente los gases quemados pasan a la caja de humo y se dirigen a la chimenea.
SEMIFIJAS.
En algunas plantas eléctricas, aserraderos, molinos, etc., se emplea el conjunto de caldera y
máquina vapor que recibe el nombre de "semifija".
La caldera se compone de un cilindro mayor, donde se introduce el conjunto de hogar
cilíndrico y haz de tubos, apernado y empaquetados en los fondos planos del cilindro
exterior. El hogar y el haz de tubos quedan descentrados hacia abajo, para dejar mayor
volumen a la cámara de vapor. Todo este conjunto se puede extraer hacia el lado del hogar,
para efectuar reparaciones o limpieza.
El emparrillado descansa al fondo en un soporte angular, llamado "puente de fuego" y tiene
también varios soportes transversales ajustables. El hogar se cierra por el frente por una
placa de fundición, revestida interiormente de material refractario, donde va también la
puerta del hogar y cenicero.
El vapor sale por el domo de la caldera, pasa por el serpentín recalentador, se recalienta y
sigue a la máquina.
CALDERAS COMBINADAS.
Las construidas con más frecuencia son las calderas de hogar interior y semitubular.
En la parte inferior hay una caldera Cortnualles de dos o tres tubos hogares o una
Galloway, combinada con una semi tubular que se sitúa más arriba. Ambas calderas
tienen unidas sus cámaras de agua y de vapor, por tubos verticales.
Los hogares se encuentran en la caldera inferior. Los gases quemados se dirigen
hacia adelante, suben y atraviesan los tubos de la caldera superior, rodean después
a esta caldera por la parte exterior, bajan y rodean a la inferior, pasando
finalmente a la chimenea.
El agua de alimentación se entrega a la caldera superior y una vez conseguido el
nivel normal de ésta, rebalsa por el tubo vertical interior a la cámara de agua de la
cámara inferior. Ambas calderas están provistas de tubos niveles propios. El vapor
sube por el tubo vertical exterior, se junta con el que produce la caldera superior y
del domo sale al consumo.
CALDERAS DE PEQUEÑO VOLUMEN DE AGUA
Acuotubulares
Las calderas acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y
otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión
de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo.
En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de
calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más
alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente
estaban diseñadas para quemar combustible sólido.
La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las
características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura.
A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se
disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a
cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su
temperatura.
Tipos de calderas acuotubulares (Tipos, Características, Producción)
Un ejemplo de estas calderas es la caldera acuotubular STEINMÜLLER. Estas
calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados
sobre el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o
cuerpo cilíndrico, en donde se produce la separación del agua y el vapor.
Además el vapor que se obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo
pasar por un sobrecalentador.
La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada
una, a una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de
temperatura. Desde su construcción estaban preparadas para quemar
carbón, pero en el año 1957 el Prof. Lorenzo Lambruschini con la ayuda de
sus alumnos, le incorporó sopladores y quemadores para combustibles
líquidos.
En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres
accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de
seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.
A lo largo de los últimos 50 años, el concepto sobre el que se basa el
proyecto de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales
como consecuencia de las innumerables investigaciones que permitieron
conocer los procesos de la combustión, transmisión del calor, circulación del
agua y de la mezcla agua-vapor y del acondicionamiento del agua de
alimentación.
Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaños, disposiciones,
capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.
La caldera de la derecha tiene un hogar con dos entradas para ingreso del
combustible sólido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal
superior, con las válvulas de seguridad incorporadas. Es para una presión de
unas 30 atm. y una temperatura de unos 400 ° C.
En las calderas anteriores, la izquierda en cambio, es del tipo humotubular
altamente reforzada, con tubos sobrecalentadores en los mismos conductos de
humo, preparada para combustible líquido o gaseoso, y aplicaciones navales
OTROS TIPOS DE CADERAS ACUOTUBULARES.
Las calderas de vapor verticales acuotubulares marca OLMAR, están
formadas por un tubo de gran diámetro en su interior al que se
acoplan una serie de colectores por los que circula el agua.
Este tipo de calderas permiten una muy fácil accesibilidad a su
interior y están especialmente diseñadas para pequeñas industrias
tales como tintorerías, lavanderías, lácteos, panaderías.
Las calderas verticales OLMAR, se construyen con producciones que
varían desde la obtención de 70 Kg/h hasta 1.200 Kg/h y a unas
presiones comprendidas entre 2 y 14 Kg/cm2. Se utilizan distintos
tipos de combustibles, pero no solo los líquidos, sino que las calderas
verticales OLMAR, permiten la construcción de hogares especiales
para combustibles sólidos, tales como orujillo, madera, e incluso en
algunos casos se fabrican con hogares mixtos para combustibles
solidos-liquidos. AQUI
VENTAJAS:
 La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del
diseño hasta 350 psi.
 Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.
 Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".
 La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3,
4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.
 El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.
 Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.
 Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.
 Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.
 Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.
 El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de
transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de
tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas
de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.
CALDERA BABCOCK-WILCOX.
Compuesta de uno hasta tres colectores superiores de agua y vapor, unidos al haz de tubos rectos
inclinados por ambos extremos y el colector inferior de impurezas.
El hogar es generalmente de parrilla mecánica, utiliza como combustible hulla menuda, la cual es
depositada en la tolva avanzando al interior del hogar.
Una vez penetrado al hogar, se destila quemándose los gases con llama larga; el coke que resulta
se sigue quemando, hasta quedar solo ceniza y escoria. Los gases calientan primeramente la parte
superior del haz tubular, el recalentador del vapor, para continuar según las flechas hasta
dirigirse a la chimenea.
El agua se inyecta a la cámara de agua del colector superior, bajando e iniciando así su
calentamiento, poniéndose en contacto con la parte menos caliente de los tubos de agua. Se junta
con el vapor que allí se forma y circulan activamente, favorecidos por la inclinación de los tubos. El
vapor se recibe por válvulas colocadas en la parte más alta y se recalienta en su paso por el
recalentador al encender la caldera y para impedir que se fundan los tubos secos del
recalentador, se inunda, abriendo la llave de vapor y la de agua, posteriormente se cierra esa
llave y se elimina el agua por la llave inferior.
CALDERAS STIRLING.
Constan de tres colectores superiores dispuestos paralelamente entre sí, con sus cámaras de
vapor interconectadas por tubos de acero. Las cámaras de agua de los dos primeros
colectores están comunicadas. Los colectores superiores están conectados al inferior mediante
tres haces de tubos delgados, expuestos al calor del hogar y de los gases producto de la
combustión.
Consumen hulla u otro combustible sólido, como también líquidos o gaseosos. Los gases siguen
el recorrido de las flechas calentando sucesivamente los haces tubulares, pasando finalmente
a la chimenea.
El agua es inyectada al último de los tres colectores superiores, descendiendo por el haz
menos calentado, para luego ascender por los dos anteriores, junto con el vapor que se
produce en ellos. El vapor es obtenido del colector central superior, colocado a mayor altura
que los otros dos, pudiendo ser enviado al recalentador que se monta sobre el primer haz de
tubos. Se pueden obtener más de 80.000 Kg. de vapor por hora en esta caldera.
CALDERA BORSIG.
Compuesta de un colector superior de agua y vapor, unido al inferior de agua e impurezas
por un haz de tubos verticales curvados en sus extremos, de tal manera que penetren
radialmente en las paredes de los colectores, para facilitar su expandidura. En un extremo
superior se encuentra el recalentador de vapor.
Tiene dos clases de tubos:
De descenso del agua (90-12 mm. diámetro).
De vaporización (53,5-60 mm. diámetro).
El agua de alimentación es inyectada en forma directa a los tubos de descenso, que están
provistos de un embudo, mientras que el otro embudo donde terminan esos tubos por su parte
inferior, permite la precipitación de los sedimentos sobre el fondo del hervidor superior.
El agua más caliente sube por los tubos de vaporización al colector superior, de donde se
extrae el vapor. Sobre los tubos de descenso va un mamparo refractario, para guiar los gases
producto de la combustión.
CALDERA YARROW Y THORNYCROFT.
Empleadas principalmente en buques de vapor. Compuestas ambas de un colector
superior y de dos inferiores, unidos por dos haces de tubos. La caldera Yarrow tiene
los colectores inferiores achatados para así facilitar la expandidura de los tubos. La
Thornycroft tiene tubos curvos, que entran radialmente a los colectores, aumentando
también su longitud y superficie y superficie de calefacción de la caldera.
Pueden quemar hulla o petróleo, en su amplio hogar, donde es quemada toda la
materia volátil. Los gases suben calentando los tubos y recalentadores, que se ubican
sobre ellos.
Es común encontrar dentro de este tipo las llamadas calderas verticales.
CON TUBOS DE HUMO Y DE AGUA.
Están compuestas de un cilindro mayor con un hogar cilíndrico y tubos de humo, de
agua o de ambos a la vez. El hogar es interior y queda rodeado de una parte de la
cámara de agua. Los gases ascienden verticalmente a lo largo de los tubos de humo
o rodean los tubos de agua, entregándoles la mayor parte de su calor. Son montados
sobre una base de concreto y ladrillos refractarios. Son empleados en la pequeña
industria.
Padecen en general de algunos defectos, tales como:
• Rendimiento bajo por combustión deficiente y escape caliente de humos.
• Destrucción rápida de los tubos al nivel del agua por el recalentamiento de ellos.
• Son peligrosas en caso de explosión.
• Como cualidades positivas presentan:
• Son de fácil construcción.
• Ocupan reducido espacio y son fáciles de ubicar.
PIROTUBULARES.
La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de
recuperación presenta las siguientes características.
El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora
interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación
y acumulación de vapor.
La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación,
hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.
El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la
cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En
cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz
superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior
para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.
El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante y
bancada de sólida y firme construcción suministrándose como unidad compacta y dispuesta a
entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones a instalación.
La caldera, una vez realizadas las pruebas y comprobaciones reglamentarias y legales por una
Entidad Colaboradora de la Administración, se entrega adjuntando un "Expediente de Control de
Calidad" que contiene todos los certificados y resultados obtenidos.
TIPOS DE CALDERAS PIROTUBULARES (TIPOS,
CARACTERÍSTICAS, PRODUCCIÓN)
Calderas horizontales
Las calderas de vapor pirotubulares OLMAR, se
fabrican con producciones comprendidas entre un
mínimo de 200 Kg/h y un máximo de 17.000 Kg/h y
con presiones que pueden oscilar desde 8 Kg/cm2
hasta 24 Kg/cm2.
Cada unidad pasa por estrictos controles durante el
proceso de fabricación. Los resultados de estos
controles, a los que se suman los que realizan nuestros
proveedores en su propio material, conforman un
Expediente de Control de Calidad. De esta forma se
cumple lo indicado en el Código de Construcción, así
como en todas las normas oficiales en vigor, tanto
nacionales como de la Unión Europea.Aqui
Los procesos de soldadura están homologados y los operarios cualificados, siendo las
soldaduras radiografiadas según las exigencias del Código de Diseño empleado.
A diferencia de otras calderas, cuya parte trasera solo es asequible por el interior
del hogar, la caldera de vapor OLMAR dispone en la parte de atrás de una puerta
abisagrada y de apertura total que deja al descubierto todo el interior. La facilidad
de manipulación y la total accesibilidad, permiten al operario realizar las tareas de
limpieza y mantenimiento desde el exterior y lo que es muy importante, incluso
inmediatamente después de haber detenido el quemador.
Obsérvense otras dos características técnicas de suma importancia, la cámara
tornafuego refrigerada por agua en su interior y la ondulación del tubo hogar.
Como puede apreciarse el conjunto configura un sistema de tres pases de gases
antes de la salida de estos por la chimenea, lo que permite la obtención de altos
rendimientos térmicos que garantizan un 89 +/- 2%.
Igual atención que el proceso de fabricación, nos merece el mantenimiento de las
máquinas, para lo cual la empresa dispone de técnicos especialmente formados
pudiendo así garantizar un servicio de asistencia rápido y profesional.
Diagramas de diferentes calderas:
•Caldera igneotubular, de gran eficiencia
térmica (88 a 92%)
•Caldera Acua-igneotubular de tres pasos
de gases. alta eficiencia térmica a plena
carga ( 75 a 80%)
2.2 SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN Y
QUEMADO DE COMBUSTIBLES
 Permiten alimentar una amplia variedad de materiales de desecho solido.
 Reduce la necesidad de utilizar combustibles fósiles.
 Sistemas integrales simples y compactos.
 Sistema modular de simple integración a líneas existentes.
 Recuperación de la inversión en lapso de tiempo muy corto.
SISTEMAS PARA ALIMENTACIÓN DE
COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS
Para reducir las emisiones de gases con efecto invernadero, resultado del uso de combustibles
fósiles, los sistemas de alimentación de combustibles alternativos de Schenck Process proveen
soluciones amigables con el medio ambiente. La clave del sistema es la posibilidad de medir y
alimentar una amplia variedad de materiales, considerados desechos, a los quemadores
principales y a los calcinadores de los hornos de producción de cemento y cal, reduciendo la
necesidad de utilizar combustibles fósiles no renovables tales como el carbón. Con el reemplazo
de 5t/h de combustibles fósiles en una operación de 24 horas al día con un sistema Schenck para
dosificación de combustibles alternativos equivale a retirar cerca de 20.000 automóviles de la
carretera anualmente.
Los sistemas de dosificación de combustibles alternativos de Schenck Process incluyen los elementos
necesarios para mantener la precisión de la dosificacion, alimentando un amplio rango de
dosificación y manteniendo un flujo constante de material al horno. Precisiones de ±1% dentro del
rango 1 : 20 y ratas de alimentación desde 0,25t/h hasta 10t/h ayudan a la productividad
mediante el transporte neumático de material, libre de pulsaciones, gracias a nuestra exclusiva
válvula rotatoria IDMS barridas por aire, soplador y diseño integral del sistema. La consistencia y
el impacto total sobre el ambiente de los sistemas para alimentación de combustibles alternativos
los hacen una solución logica en las operaciones de fabricación de cemento y cal.
CAPACIDADES DEL SISTEMA: MATERIALES DE
DESECHO QUE SE PUEDEN ALIMENTAR:
Recepción
Biomasa
Almacenamiento
Cartón
Transporte
Desechos de la construcción
Pesaje y alimentación
Lodos secos de aguas residuales
Papel
Combustibles derivados de desechos industriales
Aserrín
Plásticos tronzados
Llantas de caucho
Schenck Process ofrece sistemas modulares para dosificación de combustibles alternativos que
pueden manejar el material desde su recepción hasta su inyección al quemador del horno o
calcinador. Los módulos típicos incluyen entre otros los siguientes equipos:
• Estaciones de recepción para descarga de contenedores transportados por semi-remolques.
• Transportadores de cadenas.
• Bandas dosificadoras.
• Esclusa rotativa barrida por aire.
• Sopladores .
• Líneas de transporte neumático.
• Electrónica de control y supervisión para operación contínua.
EQUIPO
Las características de los sistemas semi-móviles comprenden pequeños soportes de apoyo que no requieren cimientos
especiales y pueden ser instalados en cualquier superficie firme donde un camión pueda desplazarse. Es posible
ubicar el sistema cerca del horno o hasta una distancia de 300 pies (91,5m aproximadamente). El desmantelamiento
y reubicación del sistema en otra parte de la planta puede ser hecho en un corto periodo.
Componentes opcionales del sistema
Quemado de combustibles alternativos
Desde la recepción y almacenamiento de material hasta su introducción en el quemador del horno o calcinador
Schenck Process puede diseñar un sistema de Alimentación de Combustibles alternativos para cumplir con las
necesidades particulares de la planta o cada uno de sus hornos.
Quemado:
El combustible alternativo puede ser quemado utilizando un quemador convencional en los hornos o en la torre de
pre-calcinación.
• El éxito de la aplicación depende de la selección del punto adecuado para el quemado, las características del
combustible y las ratas de alimentación.
Transporte:
Las configuraciones dependen del tamaño de partícula, distancia de transporte y punto de introducción del
combustible en el sistema entre otros.
Neumático
• Utilizado para tamaños de partícula menores a 50mm.
• Garantiza el transporte protegido sin emisiones de polvo al ambiente.
• Se usa para la inyección quemadores existentes multi-canal o en nuevos quemadores con esta
característica.
Mecánico
• Utilizado para tamaños de partícula mayores a 50mm, grandes o difíciles de transportar.
• Se usa cuando las distancias de transporte son largas y/o las cantidades a dosificar son altas.
• Sistema de transporte adecuado cuando el combustible puede ser alimentado dentro de precalentadores y torres de calcinación.
Pesaje y dosificación:
Productos para pesaje y dosificación contínua diseñados para manejar múltiples tipos de combustible
alternativo.
• Dosificadores por pérdida de peso MECHATRON®.
• Bandas dosificadoras MULTIDOS®.
• Bandas dosificadoras DMO.
Recepción y almacenamiento:
Contando con gran flexibilidad y variedad de equipos para recepción y almacenamiento de
combustible que incluyen:
• Sistemas de descarga de Big Bag SacMaster®.
• Cargadores para tolvas.
• Remolques con pisos móviles, contenedores móviles de volteo o estaciones basculantes de descarga.
• Unidades de recepción de materiales a granel para camiones con sistemas de descargue
basculantes.
• Bodegas de almacenamiento con reclamadores.
• Tolvas circulares con capacidad de 16m3 o 20m3.
Transferencia:
Equipos para movilizar el combustible alternativo desde la recepción o almacenamiento hasta la
siguiente etapa.
• Transportadores de cadenas.
• Transportadores tornillos sinfín de alta capacidad.
• Bandas transportadoras en artesa o de diseño especial.
2.4 DEFINICIÓN DE GENERADOR DE
VAPOR Y DE CALDERA
Introducción
Como es bien sabido, la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma, y
el hombre en su afán de aprovechar mejor la energía que extrae de la naturaleza,
para mejorar y garantizar su calidad de vida, ha originado diversas formas de
realizarlo desde hace mucho tiempo, pero emplea parte de la misma energía para
lograrlo, con variados dispositivos, sistemas y/o equipos, por ejemplo en las centrales
termoeléctricas.
Esta forma de transformar la energía química de un combustible en energía
calorífica, se realiza en el dispositivo llamado caldera o generador de vapor (GV).
DEFINICIÓN DE GENERADOR DE VAPOR Y DE CALDERA.
El termino de generador de vapor está siendo utilizado en la actualidad
para reemplazar la denominación de caldera, e indica al conjunto de
equipos compuestos por: horno (u hogar), cámaras de agua(o evaporador),
quemadores, sobrecalentadores, recalentadores, economizador y
precalentador de aire (Fig. 2). Las calderas son dispositivos de ingeniería
diseñados para generar vapor saturado (vapor a punto de condensarse)
debido a una transferencia de calor, proveniente de la transformación de la
energía química del combustible mediante la combustión, en energía
utilizable (calor), y transferirla al fluido de trabajo (agua en estado líquido),
el cual la absorbe y cambia de fase (se convierte en vapor). El término de
caldera ha sido por mucho tiempo utilizado y los dos términos se usan
indistintamente. Es común la confusión entre los términos de caldera y
generador de vapor, pero la diferencia es que el segundo genera vapor
sobrecalentado (vapor seco) y el otro genera vapor saturado (vapor
húmedo).La producción de vapor a partir la combustión de combustibles
fósiles se utiliza en todo tipo de industrias de transformación de materias
primas y en las centrales termoeléctricas.
Figura 1. Caldera pirutubular Figura 2.Generador de vapor
CLASIFICACIÓN
Entre la clasificación de las calderas se puede catalogar:
- Por la naturaleza del servicio pueden ser: Fija, portátil, locomotora o marina.
- Por el tipo de combustible: Calderas de carbón, de combustibles líquidos, de combustibles
gaseosos,
mixtos y de combustibles especiales (residuos, licor negro, cáscaras de frutos).
- Por el tiro: Tiro natural o tiro forzado (con hogar en sobrepresión, en depresión o en equilibrio).
- Por los sistemas de apoyo: Calderas apoyadas y calderas suspendidas.
- Por la transmisión de calor: Calderas de convección, calderas de radiación, calderas de
radiaciónConvección.
- Por la disposición de los fluidos: Calderas de tubos de agua (acuotubulares o generadores de
vapor) y AQUI
CALDERAS DE TUBOS DE HUMOS
(PIROTUBULARES).
La caldera de vapor pirotubular generalmente tienen un hogar integral (denominado
caja de fuego) limitado por superficies enfriadas por agua. Las horizontales con
hogar integral se utilizan en instalaciones de calefacción a baja presión.
Estas calderas, diseñadas especialmente para el aprovechamiento de gases de
recuperación, presenta las siguientes características: El cuerpo de la caldera, está
formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un
paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y
acumulación de vapor. La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal
dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido
en otra cámara de salida de humos.
CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE VAPOR O
CALDERA ACUOTUBULAR
El generador de vapor que se tomará como base para este trabajo
es el perteneciente a la unidad Nº 1 la central termoeléctrica
Planta Centro, Edo. Carabobo, Venezuela, que es una caldera
acuotubular fija, de combustible gaseoso, de tiro forzado con el
hogar en sobrepresión, suspendida mediantes grandes vigas I, con
transmisión de calor a través de convección y radiación, de tipo
acuotubular, es de tubo hervidor de tipo radiante, de colector de
vapor único (tipo "el paso"), que es conocida mundialmente como
una caldera de circulación natural de gran capacidad. Su función es
generar vapor sobrecalentado y está compuesta en su interior por:
Un economizador, un tambor separador o domo, el evaporador, un
sobrecalentador seccionado, un recalentador y un precalentador de
aire.
El corte longitudinal de este generador de vapor junto a sus
principales equipos, es construido con el software SCADA
MOVICOM.X2 para una mejor comprensión del recorrido de los
fluido de sus principales sistemas que conforman dicho dispositivo.
PRINCIPALES SISTEMAS DEL GENERADOR DE
VAPOR
Debido a la extensa gama de sistema que conforman un generador de vapor, a
continuación se describen solo tres sistemas o circuitos con sus respectivos equipos,
que están involucrados en este trabajo, que son: Circuito de aire de combustión,
circuito de gases de combustión y circuito de agua-vapor.
Circuito de aire de combustión
Este circuito es el sistema que se encarga de suministrar el aire, para que junto al
combustible , se realice la combustión. Pero este aire a su paso tiene que atravesar
unas series de equipos de recuperación de calor, encargados de absorber la energía
que pudieran arrastrar hacia la chimenea los humos, el vapor y el condensado (ya
utilizados) antes de ser tratado nuevamente.
A continuación se describe el recorrido del aire solo por ramal o lado, porque el otro
es simétrico. Se especifican las características principales de los equipos que
atraviesa a su paso el aire, rumbo al hogar de la caldera para la combustión, el cual
comienza por el:
- Ventilador de tiro forzado (VTF): Es un ventilador centrifugo que toma el aire de la
atmósfera a 30 ºC y lo succiona para descargarlo en un ducto cuadrado de metal a
cierta presión baja en mmca ( milímetro de columna de agua) para que llegue al
hogar:
- Calentador de aire con condensado (CAC): Son varios paneles compuesto cada uno
por un colector (entrada de condensado) superior, unido a otro similar colector
inferior (de descarga) mediante tubos con aletas, para una mejor transferencia de
calor entre el condensado en su interior (proveniente de los CAV) y el aire que pasa
entre los tubos con aletas.
Su función principal es aumentar la temperatura al aire hasta 80 ºC a expensas del
calor del condensado proveniente de los CAV, disminuyendo la presión del aire, para
luego pasar al:
- Calentador de aire a vapor (CAV): Equipo similar a los CAC pero en su interior
pasa vapor saturado.
Su función es de aumentar la temperatura del aire a 140 ºC, pero su presión cae para entrar
al:
- Precalentador de aire regenerativo (Luvo): Es un intercambiador de calor gas-gas, circular,
de 5 mts de diámetro por uno de alto, que rota a una velocidad angular de 1 a 3 rpm,
debido a un motor acoplado a una caja reductora de engranajes. Estos "luvos" están
compuestos por láminas corrugadas (u onduladas) paralelas y concéntricas a su eje de
rotación.
A la entrada y salida del precalentador, se conforma un ducto con una pared divisoria
longitudinalmente que origina dos secciones (canales) en el precalentador: un canal para el
aire y otro (en sentido contrario) para los gases. A medida que el "Luvo" gira, los gases de
combustión, que vienen de atravesar y calentar los serpentines del economizador, entran al
precalentador y pasan paralelamente entre las planchas corrugadas y las calientan. Debido
al constante giro, estas planchas ya calientes, se colocan en el paso o trayectoria del aire,
saliendo este último con una temperatura de 312ºC, rumbo al hogar de la caldera para la
combustión. Luego estas láminas enfriadas por el aire se colocan nuevamente, debido a la
constante rotación, en la trayectoria de los gases para ser calentadas nuevamente, y así
sucesivamente.
LA PRESIÓN DEL AIRE EN ESTE EQUIPO CAE Y
LLEGA A LA:
- Caja de aire: Es el recinto que cubre a los quemadores y deja pasar el aire a los;
- Registros: Son laminas colocadas en forma solapada ( semejante a las persianas de
una ventana circular ) encargadas de regular el aire de combustión, al estar abiertas
dejan pasar el aire y al estar cerrada forman un cilindro que no deja pasar el aire
hacia su interior, en donde se encuentra la lanza del quemador.
- Quemador: El aire al salir del precalentador de aire regenerativo viaja por un ducto
hasta llegar a la caja de aire en donde se encuentran 24 quemadores (12 para la parte
frontal,4 en cada nivel y 12 para la trasera, también 4 por nivel y en donde cada
quemador tiene la función de:
a) Inyectar el combustible: En forma directa el gas y en forma atomizada si es líquido.
b) Dar paso al aire necesario para efectuar la combustión, el cual se logra mediante el
registro de paletas.
c) Crear una gran turbulencia en el aire suministrado y en el combustible debido a los
difusores, formando una mezcla homogénea, buena para la combustión.
d) Aumentar la turbulencia cuando se utilice gas, con las estrías del ladrillo o material
refractario, con las que están moldeada las cavidades alrededor de los quemadores.
- Hogar o evaporador: Es la última parada del aire, ya que es la zona de radiación
del generador de vapor en donde se produce el calor necesario para la generación
de vapor, mediante la combustión de la mezcla aire-combustible, la cual origina la
llama o fuego.
Por cada generador de vapor están colocando 24 quemadores de aceite y gas, 12
unidades en la pared delantera y 12 unidades en la pared trasera de la caldera,
siempre en una caja de aire común.
El evaporador se compone exclusivamente de superficie de calefacción de radiación
y forma las paredes envolventes de hogar. Estas paredes se componen de tubos sin
aletas, los cuales están unidos estancamente entre sí mediante almas soldadas o
membranas.aqui
El evaporador está dividido en 4 paredes envolventes del
hogar, o sea la pared anterior, la cual forma
simultáneamente la parte anterior del hogar, las dos
paredes laterales compuestas exclusivamente de panales
tubulares verticales, el techo y la pared posterior del
hogar.
La parte superior de la pared posterior forma
simultáneamente el paso al sobrecalentador, que es
influenciado por los gases de combustibles que consta de
tubos sueltos. Esta parte del generador de vapor llamada
"Evaporador" está formada por haces de "tubos de
subida" situados de forma vertical (paredes frontal,
trasera y laterales) y horizontal (techo y piso) que se unen
por la parte superior con el domo y por la parte inferior
con unos colectores que son alimentados por los "tubos
bajantes" provenientes del domo (ver figura 13). Esta zona
recibe una temperatura aproximada de 1426ºC debido al
calor producido por la llama directa y por los humos de la
combustión.
CIRCUITO DE GASES DE COMBUSTIÓN
Al quemarse la mezcla combustible-aire en el hogar de la caldera o zona de radiación,se forman
los humos o gases de combustión, los cuales son conducidos a través de la caldera(por toda la
zona de convección), desde el hogar por el paso ascendente (primer paso vertical), luego pasa al
tiro horizontal (paso horizontal) y por ultimo recorre el paso descendente (segundo paso vertical).
En su recorrido los gases de combustión le transmiten su calor a los sobrecalentadores,
recalentador, economizador y precalentador de aire. Estos equipos se definen de la siguiente
forma:
- Sobrecalentadores:
Es la sección de tubos que aprovecha el calor de los gases de escape para elevar la temperatura
del vapor generado por encima de la temperatura de saturación. El vapor sobrecalentado
aumenta el rendimiento del ciclo del vapor. En una turbina, por cada 40ºC de incremento de
temperatura sobre la de saturación, se obtiene un aumento del 3 % sobre el rendimiento. El vapor
sobrecalentado evita condensaciones en las tuberías y a la vez erosiones y desequilibrios en los
equipos.
El sobrecalentador es de tipo convectivo, el cual permite que la temperatura de recalentamiento
sea independiente de la carga de la caldera. También hay que decir que está subdividido en
cuatro sobrecalentadores, en donde en los dos últimos hay una pequeña inyección de agua a
través de un atemperador para controlar la temperatura de salida del sobrecalentador 3.
- Sobrecalentador 1: Este es el único equipo que no está en
suspensión desde el techo de la caldera. La primera etapa
está formada por las paredes envolventes del tiro horizontal
(paso horizontal) soldadas y formando paredes, techo y suelo
con tubos con membranas, así como el espacio situado debajo
para los colectores y el atemperador de inyección, las
paredes envolventes del tiro de convención vertical ( segundo
paso vertical). Los distintos sistemas están conectados en
paralelos y afinados de tal manera uno con otro, quien los
puntos de separación de los sistemas paralelos no se pueden
originar diferencias de temperatura inadmisibles. Los humos a
una temperatura de 1426ºC le transfiere el calor a estas
paredes y techo, bajando la temperatura de los gases a
1339ºC.
- Sobrecalentador 3: El sobre calentador de alta presión 3
está suspendido del techo y dispuesto como primera
superficie de calefacción en el flujo de gases de combustión
en el paso horizontal, después del hogar y está compuesto
por manojos de tubos paralelos y verticales en forma de
serpentines y separados uno de otro a una distancia de 37
mm.
En los tubos la temperatura uniforme se logra mediante una
selección adecuada de los grosores de pared y mediante
una selección correspondiente de las longitudes. Aquí los
gases entran a una temperatura de 1339ºC, ceden su calor y
salen a una temperatura de 1189ºC.
- Sobrecalentador 4: A igual que el sobrecalentador 3, está
suspendido desde el techo. La unión al sobrecalentador de la
etapa 4, se realiza del cabezal de salida del atemperador
a través de 24 tubos de unión con 133 mm de diámetro
exterior, del sobrecalentador de alta presión 3. Los
serpentines de tubos de los sobrecalentadores 3 y 4, quedan
colgados mediante resortes a través de dispositivos
especiales de suspensión, que a su vez atraviesan el techo
del tiro horizontal. Estos resortes compensan la diferencia de
dilatación entre la dilatación de las paredes envolventes y
de los tubos. Los gases entran a este sobrecalentador a una
temperatura de 1179, al ceder su calor estos gases salen
con una temperatura de 995ºC, y luego se desvían hacia el
tiro vertical descendente (segundo paso vertical) y atraviesa
otro grupo o manojos de serpentines tubos que van de arriba
hacia abajo y uno después del otro
- Recalentador: El recalentador de presión media está suspendido desde el techo y
dispuesto como intercambiador de calor de manojos de serpentines de dos etapas
horizontales y dispuestos en el tiro de convención vertical descendente, como
superficie de calefacción superior y es fluido en contracorriente en la primera etapa
y en la segunda etapa en corriente paralela a los gases de combustión.
Los humos a una temperatura de 983ºC le transfiere el calor a estas paredes y
techo, bajando la temperatura de los gases a 673ºC.
- Sobrecalentador 2: Estos serpentines están dispuesto horizontalmente en el tiro de
convección vertical (Figura 17). Los gases entran a 642ºC, ceden su calor y salen con
una temperatura de 381ºC.AQUI
- Economizador: Los economizadores cubren la misma función que los calentadores
de agua (de recibir el agua de las bombas de agua de alimentación y descargarla
a una temperatura mayor en el tambor de separación del generador de vapor),
estos se usan en lugar de incrementar la superficie generadora de vapor dentro de
la caldera, ya que el agua absorbe calor al estar a una temperatura menor que la
de saturación, los gases pueden enfriarse aún más, para lograr mayor recuperación
de calor y aumentar la eficiencia. Este elemento está suspendido desde el techo,
colocado debajo del recalentador de presión media. El economizador está dispuesto
como intercambiador de calor como un manojo de tubos de aleación de acero en
forma serpentines, en una etapa horizontal perpendicular al los gases de combustión,
los cuales pasan entre ellos paralelamente (Figura 18). Los gases lo atraviesa y le
ceden su calor saliendo con una temperatura de 381ºC. Al final de la caldera, los
gases de combustión son desviados horizontalmente hacia abajo y llevados,
simétricamente respecto al centro de la caldera.
- Precalentadores de aire regenerativo: Es un equipo para recuperar calor de los
gases de combustión. El aire pasa a través de este cambiador de calor antes de ser
mezclado con el combustible, y dado que la temperatura de los gases es superior a
temperatura ambiente, se transfiere una cantidad de calor que reduce las pérdidas
de energía. El calor añadido al aire pasa al hogar, reduciendo el combustible
necesario en una cantidad igual, en valor calorífico, al que ha sido transferido al
aire. Aproximadamente por cada 25ºC que se eleve la temperatura del aire, se
ahorra un 1% de combustible. Los gases de combustión o humos entran con una
temperatura de 334ºC y salen del precalentador de aire con una temperatura de
154ºC, por un canal que se divide en dos: el primero envía una parte de los humos
con una temperatura de 148ºC a la chimenea .
- Ventilador recirculador de gases (VRG): A igual que el VTF, es un ventilador
centrifugo que absorbe parte de los gases de combustión y lo inyecta por debajo
del generador de vapor, para subir la temperatura en el hogar y disminuir el
consumo de combustible.
CIRCUITO DE AGUA - VAPOR
El agua es succionada por las bombas de agua de alimento, donde cada unidad o
planta cuenta con tres bombas de 50% cada una (dos en servicio y una de reserva.
Dichas bombas impulsan el agua a través de los precalentadores de alta presión, la
cual es conducida a la caldera a un precalentador llamado "economizador", en
donde el agua se calienta por convección en el interior de las tuberías de estos
serpentines, los cuales fueron calentados por convección en el exterior, por los gases
producidos en la combustión y que van hacia la chimenea. Esta agua entra al
economizador con una temperatura de 249 º C y sale con una de 306 º C, atraviesa
el paso vertical ascendente de la caldera y entra al AQUI
- Domo o tambor de separación: En donde sus cuatros principales funciones son:
A) Separación del agua del vapor: Consiste en la separación del líquido que pudiera
arrastrar el vapor que sale del tambor hacía el sobrecalentador y evitar que la
evaporación del líquido en el sobrecalentador dejen depósitos que dificulten sus
condiciones de transferencias de calor y ocasionen recalentamiento y posibles
quemado de sus tubos. Esta separación la realiza mediante dos mecanismos de
separación: Primario y Secundario
A.1) La separación primaria: Este mecanismo se efectúa mediante la acción de
gravedad, acción centrifuga e impacto.
A.1.1) Acción de gravedad: Al entrar la mezcla agua-vapor al domo se aprovecha
la mayor densidad de líquido respecto al vapor, procurando la mayor superficie de
evaporación (nivel medio del tambor el agua desciende y el vapor asciende) y el
máximo recorrido del vapor por las placas deflectoras turbulencia, vórtices y bajas
velocidades de flujo)
A.1.2.) Acción centrifuga: Multiplica la diferencia de densidades mediante una
aceleración artificial (centrifuga) obtenida en los ciclones, campanas de reversión o
cambios bruscos de dirección.
A.1.3.) Impacto: El impacto se la burbuja de vapor contra pantallas u otros tipo de
obstáculos, ayuda a romper la tensión superficial de la película envolvente.
A.2.) La separación secundaria o secado: La separación de las minúsculas gotas de
líquidos que viajan en suspensión dentro del vapor, se logra haciéndolo pasar por
recorridos intrincados (filtros de malla, viruta o placas perforadas).
B) LAVADO DEL VAPOR:
En los generadores de vapor, es posible que juntos con el agua se evaporen algunas
impurezas del tipo sílice, las cuales pasan por los sobrecalentadores y eventualmente
se condensan en la turbina donde pueden ocasionar erosión y desbalance de las
paletas. El lavado se puede realizar por atomización de agua destilada en el vapor
que va a salir del domo( con una temperatura de 358 ºC), bajándole la temperatura
a las partículas en el vapor, obligándola a precipitar en el líquido para después
expulsarla mediante la purga continua de las sustancias perjudiciales para el
generador de vapor, en la parte inferior del domo.
C) Suministro de agua fría a los tubos de descenso y ascenso: Del domo el agua sube su
temperatura y desciende por los tubos de caída o bajada (por fuera de la caldera), hasta
unos colectores debajo de la caldera que distribuyen el agua por los tubos de ascenso o de
subida, que son las "paredes de agua" o "evaporador", hacia arriba hasta llegar de nuevo al
domo. A medida que el calor producido por la combustión, calienta el agua que va por las
"paredes de agua", esta empieza a evaporarse, con lo que se forma una mezcla agua- vapor,
que es conducida a un colector arriba y luego entra al domo. Este proceso cíclico que cumple
el agua domo - tubos de descenso o caída -tubos de ascenso o de subida - domo, es lo que se
denomina" Circulación Natural" (la densidad del agua es mayor que la del vapor), ya que
debido al peso del agua en los tubos de caída, esta impulsa a la mezcla agua-vapor por los
tubos de ascenso hacia el domo.
La mezcla agua-vapor al entrar al domo sufre una separación. El agua separada
del vapor se mezcla con el agua que viene del economizador, aumentando la
temperatura de esta mezcla a 332ºC la cual entra a los tubos de caída.
D) TRATAMIENTO INTERNO DEL AGUA DEL
GENERADOR DE VAPOR:
El tambor de separación es el lugar más conveniente para provocar la sedimentación de
impurezas (destilación intensa), para evitar que estas se adhieran al metal, para extraer
agua de alta concentración de impurezas y para controlar la corrosión del metal por parte
del agua.
Esto se logra mediante alimentación de aditivos químicos tales como soda o potasa caustica o
fosfatos (aceleran la sedimentación), compuestos coloidales (reducen la adherencia) y
anticorrosivos. La eliminación de agua de alta concentración se realiza mediante sistemas de
purga de las zonas de mayor precipitación.
El vapor separado sale del domo, ya como vapor saturado a una temperatura de 358ºC y
pasa al sobrecalentador 1, que son las "paredes de tubos" de la caldera, pero en la parte
convectiva (tubos en contacto con los gases de combustión en el canal horizontal y en el
segundo canal vertical). Del sobrecalentador 1, el vapor sale con una temperatura de 379ºC
hacia el sobrecalentador 2, que son serpentines en paralelos formando un banco o panel
suspendidos desde la parte exterior del techo, calentados por los gases, y sale con una
temperatura de 401 ºC.
. Después el vapor pasa al sobrecalentador 3 en donde eleva su
temperatura a 455 ºC y luego este vapor pasa por una estación de
"Atemperamiento" donde se disminuye su temperatura, para
asegurar que absorberá el calor suficiente en el próximo y ultimo,
que es el sobrecalentador 4, para salir a una temperatura de 541
ºC y entrar a la turbina de alta presión. Este vapor que sale del
último sobrecalentador (4) va a la turbina de alta presión, donde se
expande contra los alabes de ésta y la energía cinética y térmica
del vapor se convierte en energía mecánica, imprimiéndole un
movimiento rotatorio al eje de la turbina. Esto induce a que el vapor
pierda gran parte de su energía térmica bajando su temperatura a
343°C y a su presión a 43, el vapor es conducido nuevamente a la
caldera hacua el elemento denominando recalentador, donde su
presión baja a 41.5 pero su temperatura aumenta a 540ºC y sale
hacia la turbina de media presión.
Nuevamente, la energía térmica se convierte en energía mecánica y
coayuda al movimiento del eje de turbina, para luego pasar a la
turbina de baja presión, donde realiza de nuevo su trabajo y entra
al condensador donde vuelve a su estado líquido.