MAQUINAS-TERMICAS - Apuntes 2º ITM

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas

GENERADORES Y MOTORES TÉRMICOS I

APUNTES DE LA ASIGNATURA

Prof. Juan J. Víctor Koerting

Madrid, septiembre de 2.009

MÁQUINAS TÉRMICAS

CURSO BÁSICO SOBRE CALDERAS DE VAPOR (Prof. V. Koerting)

Bibliografia básica: Apuntes sobre Generadores y Motores Ténnicos, del Prof. Fernando Alegría Felices. En particular son de aplicación los capítulos:

Capítulo X: Vaporización y separación del vapor. Página 233 Capítulo XI: La circulación del fluido agua-vapor. Página 267 Capítulo XII: sobrecalentamiento y recalentamiento del vapor. Página 283 Combustión en lecho fluido. Página 509

(h)... , - INDICE DE TEMAS A TRATAR ~ ' eo ,"" Q c>S 11c "" '

Cb- VAPORIZACIÓN y SEPARACIÓN DE VAPOR

QJ)Diagrama de Clapeyron de un fluido condensable , J .2lCic1o de Rankine de una caldera de vapor 1.3'Definiciones basadas en la "curva de campana" 1.4 Vaporización y separación de vapor

ct CIRCULACIÓN DEL FLUIDO AGUA-VAPOR

2~1\ Concepto de circulación natural 2] :Clasificación de las calderas según la fonna de circulación 2J)conqepto de relación de circulación >,~:~" .....

<6.-4>Pérdida de carga de la circulación (/2. 5> elementos de una caldera ;J:~7 .. ,..\ .a..\ ea.\cl~

- - ¡ 3.- SOBRECALENTAMIENTO Y RECALENTAMIENTO DEL VAPOR

3.1 Papel del sobrecalentador y el recalentador en una caldera de vapor 3.2 ventajas de operar con vapor sobrecalentado . . 3.3 disposición en las calderas de vapor de los sobrecalentadores y recalentadores 3.4 Sistema de ajuste de Una caldera

. 3.5 Sobrecalentadores de convección 3.6 Factores que afectan al diseño de un sobrecalentador I

S., te. \toA:) .. ... ,~ ,,.f'U.al tM-t.. ... o.: '" .J. ~ ~ ,ro ~ 4.- CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y TÉCNICAS DE REDUCCIÓN

,:4.j )Contaminantes: Partículas, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno 4.2 Tecnología de combustión en lecho fluido 4.3 Desulfuración de gases de combustión 4.4 Factores que afectan a la formación de óxidos de nitrógeno .

~ . ... $ "" f e f¿. ~ ~ = ~ ';l) é, ,'" 'le. fl. e A. """ ~ c..c Madrid, ~ de 2.00~ , MAa.'lo ,.;- ,\) r¿ ~ ~ A."

I---------------------~----

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'-~~---------------~---,--- ,"o

CICLOS DE TURBINAS DE Vfo.POR

LI.I.13

Una máquina térmica trabaja con vapor de agua entre las temperaturas T= 453° K Y T== 355' K, sagún un ciclo de Carnot. Se sabe que el calor aportado al ciclo es Q = 350 kJ/kg Y queal final del proceso de aportación de calor, el título de vapor es x = 1.

SiJpide:1) Representar el ciclo en los diagramas p-v, T-1 Y h-$.2) Determinar, en el diagrama de Mollier las variables termodinámicas en el punto final de

cada proceso.3)Trabajo desarrollado y a~sorbido en los procesos de expansión y compresión.4) Trabajo neto del ciclo.5) Rendimiento del ciclo.

-e-e-e-

[1 ]

p T h I p=cteI

3"

-T=cte

sv s

( 2 ] El punto (3) está definido por los datos del problema puesto que siendo: Tl = 4530 K,x» = '. en el diagrama tenemos:

h!, =2775kJ/kg, vJ =0.19ml/kg, Pl =10bai, Sl =6,58 kJ/kg °K

Puesto que:

Qu = 350 kJ/kg y

tenemos:,r

h2 = 2775' - 350 = 2425 kJ/kg Y T2 == 4530 K

Definido el punto (2) por h2 y T1leemos las demás variables termodinámicas cuyos valores son:

P2 = 10 bar. V2 = 0,16 m3,1kg, $2 = 5,8 kJ/kg o K. X2 = 0,825 (O I

Dado que el ciclo de Carnot se define por dos isotermas y dos adiabáticas reversibles, trazando des-de el punto (2) la vertical hasta encontrar a la Hnea de temperatura Tr = 3550 K, obtenemos el pun-

14

to (1). (Diagrama T-s) MOTORES TERMICOI

T. = 355" K. h. = 20 1 O, kJ/kg. P. = 0.5 bar. '. = 5.8 kJlkg • K. x. = 0.725. v. = 2.3 m' /kg " .

De la misma forma trazando la vertical desde el punto (3) obtenemos las variables termodinámicas de' punto (4), que son:

T. :::: 35SOK, h.:::: 2290 kJlkg, P.:::: 0,5 bar, $.:::: 6,58 kJ/kg o K

x. :::: 0,845, v. = 2,75 m"/kg

[ 3 ) Trabajo desarrollado en el proceso de expansión:

Wexp =h;s - h. = 271.5 - 2290 =485 kJ/kg

Trabajo absorbido en la compresión:

Wcornp =hz -h1 =2425-2010=415kJ/kg

[ 4 ) El trabajo útil o neto vale:

Wy = W.llp -:- Wcornp :::: 485 - 415:::: 10 kJ/kg

También podemos decir que~

Wu :::: O·aportado - Q cedido = lb) - hz } - (/7. - hl

) =

:::: (2775 - 2425) - (2290 - 2010):::: 70 kJ/kg

/"(>5) El rendimiento del ciclo vale: ('vo )

n::::~=..lQ..::::020 "" O2 ,, 350 '

también podemos expresar el rendimiento del ciclo de Camot como:

n :::: 1 -5:::: 1 - 355:::: O 216 "U TI 453'

LA no coincidencia en el valor del rendimiento obtenido por los dos caminos es debida únicamente, a fos errores cometidos al leer los valores de la entafpfa sobre el diagrama de Mollier.

-*-

.... ---- ~

~. ~~,~ .• ~- ·~jI!!M.*~i~~¡fII):PI!dA±P~~.~+~$~:!III, iIlil'1"""'''''--___________ ___ _ • • .... P.:. ,....:' •. s...fI .... ~ .'. "1 . '" ~ . . ~ . ' _ .. ". . ....

I ~.

. ,

CICLOS DE TURBINAS DE VAPOR1.1.2. 15

Una turbina de vapor trabaja según un ciclo de Clausius-Rankine, determinado por los si-guientes valores:

Presión de admisión de la turbina:Temperatura de admisión de la turbina:Presión en el condensador:

77 bar (manorílétrica)520°C

0,05 bar (absoluta)

suponiendo que la evolución del fluido en la instalación se realiza sin fricción, se pide:

1) Diagramas h-I,p-v y T-$ de (a evolución.2) Trabajos específicos de la turbina y de la bomba.3) Calor aportado en la caldera y ,cedido en el condensador por unidad de masa.4) Gasto másico de vapor, si la·instalación desarrolla 10.000 kw efectivos, suponiendo los

rendimientos mecánicos de la turbina y de la bomba igualesa la unidad.5) Potencia necesaria para accionar la bomba.6) calor aportado en la caldera y cedido en el condensador por unidad de tiempo.7) Rendimiento térmico del ciclo.

-.-.-.~(2)

En la figura adjunta hemos representadoel esquema de la instalación.

(1) (4)

( 1) la representación de la evolución en los diagramas es la que sigue:

ph 3

s

T 3

~ ~4

v s

."':.t

!~,

//

Para obtener, el punto (4) trazamos desde (3) una isentrópica (prOcesoadiabático V reve,..¡..ble) hasta la Unea depresión del condensador P. =Pl = 0,05 bar '1Obtenemqsla entalp/a del va-

por I ~=::r:::::::::I:~ :::n:

7

(::::. delas.a en ~ bQmba,obien _dir~" . : imos a las tablas termodinámicas del agua, o simplemente, daclq que I~°entalpJaacero grados.es Opar convenio V en general Ah = ep • 4 T,el valor de laen~!~J~ ..atOC v~leh. =Crpt V~PQniendoque dentro del intervalo de temperaturas en que nos mqvemos epesconstante e igual a 4,18kJlkg~ otenemos que:

ilf"ro ,<s~J "('j

MOTORES TERMICOa •t:\I":" ..

( 2 J Conocidol 101valoresd. p, =p, = 77 bar (manométrica)" 78 bar (absoluta)V tJ =52O'c, , f• partir del diagramade Mollierobtenemos h,=3450 kJIkg. . 1;. l.

4-" -t:' f

:¡

o\18

h. = ept1_= 4,18·33 = 138 kJlkg

El valor de t. = 3ao e se obtiene del diagrama de Momer,pues es la temperatura que corres-o pande él una presión de O~050bar en la zona húmeda del vapor de agua.

Por suponer que la evolución en la bomba es un proceso adiabático y reversible se compl.que el trabajo especffico de la bolJlbavale Wb =h1 - h. =1.2 vdp Vhaciendo la hip6t~is de queel fluido es incomprensible resulta: \ c.

. A \,..s, iO 1--\ ¡1tJ.Wb =h2 -h. =V(02-P¡)P~

1\1'.=h, - h, ;"10-' m'"'g (77 - 0,05) lOS 8= 7695 JIkg

) bo--c lO'5 P6--1 c~1iEl valor de la entalpfa en e' punto (2) vale:

h,,-=h. + Wb= 138+ 7,7= 145,7kJ/kg:lE 146kJ/kg o

El trabajo especffico de la turbina vale:

( 3 ] Eldiagrama de Mollier está referido a la unidad de masa, por lo tanto, el calor aportado enla caldera será: o

El calor cedido en el condensador vale:

Qk =h;-h1 =2075 -138= 1937 kJ/kg

( 4 ] El trabajo útil de ra instalaci6n por unidad de masa vale:

W" = WT - Wb= 1375- 7,7= 1367,3 kJ/kg

------ ---

\\

CICLOS DE TURBINAS DE VAPOR 17

Obsérvese que el trabajo de la bomba es despreciable frente al de la turbina.

la potencia útil total es:

He = Wu • () = 10.000 kw

Luego el gasto másico de vapor es:

G = He = 10.000 = 7,3 kg/segWu 1367,3

[ 5 ] la potencia necesaria para accionar la bomba vale:

Neb =Wb • G = 7,7X 7,3 = 56,2 kw

l 6 1 El calor aportado en la caldera por unidad de tiempo vale:

d, = De • G = 3304 • 7,3 = 24.119 kJ/seg

y el cedido en el condensador:. .

Ok =Qk • G = 1937·7,3 = 14.140 KJ/seg

[ 7 ] El rendimiento térmico del ciclo es:

l

r '

. !

181.1.3.

Una turbina de vapor trabaja con un ciclo de Clausius-Rankine del que se conocen 101 •••..

~uienteS valores: li6~k

Presión de admisión en la turbina 87 bar, temperatura de.aCJmisi6nen la turbina 6OOt, ~"si6n de condensación 0,05 bar. '

Los rendimientos estimados son: interno de la turbina l1T = 0,85, interno de la bomba ~:a.

== 0,70, mecánico. de la tUrbina l1mT = 0,98, meeánlee de la bomba 0,85. Se pide d_erminar: ..

1) Trabajos específicos de la turbina y de la bomba.2) Casto másico de vapor,si la instalación desarrolla 15.000 kw.3) Calorintercambiado en la caldera por unidad de tiempo.·4) Rendimiento térmico del. c~clo.5) Combustible consumido por unidad de tiempo en la caldera, si la potencia calorífica del

.,mismo es de 40.000 kJ/kg Y el rendimiento de la caldera es de 0,90.

6) Rendimiento total de la instalación •

-e-e-e-

Representamos en el diagrama ti--s la evo-lución del vapor. '

Los puntos (2s) y (4s) son los puntos quese alcanzadan en una compresión y una expansiónadiabática y reversibles, respectivamente.

3h

[ 1 ] Conocidos, Pl =Pls = P3 =' 87 bar yt 3 = 600°C, determinamos en el diagrama de Ma-llier hJ = 3630 kJ/kg.. '

En el mismo diagrama, bajando por unaisentr6pica desde el punto (3) hasta la presiónP4 =P41 =P. = 0,05 bar obtenemos el punto-h41 = 2130 kJ/kg.

La entalpfa del punto (4) la podemos calcular a apartir del rendimiento interno de la turbi-na, en efécto:

= h 3 - h4 = 3630 - h4 = O85 . tu = 2355 kJ/k'7T h3-h4• 3630-2130" , 4 9

A la presión P4 = P4. =P. = 0,05 bar la temperatura correspondiente en la zona de vapor húmedoes de 33°C, por lo tanto:

hl = Cp ti = 4,18·33 = 138 kJ/kg

s

\'1-PROBLéMA 2

2

~12.

__ J_' __ ~ ~~_~ J

n-e te.!'(-?:= 1-+IoCAC .\=: 520"C

h

s

Í;¡.. ~

\,;

CICLOS DE TURBINAS DE VAPOR 19.

Para el cálculo de la entalp(a en el punto (25) realizamos una compresi6n adiabática y reversible des-de el punto (1).

h21 = 138 . 103 J/kg + 10-3 ml/kg (87 - 0,05) 105 N/ml = 146,7 kJ/kg

Puesto que el rendimiento interno de la bomba es por definici6n:

despejando:

= 146,7-138 + 138= 150,4 kJ/kg0,70

El trabajo especffico de la turbina vale:

WT = h3 - h4 = 3630 - 2355 = 1275 kJ/kg

El trabajo especffíco de la bomba vale:

Wb = h'1, - h1 = 150,4 - 138 = 12,4 kJ/kg

[ 2 ] El trabajo útil por unidad de masa vale:

Wu'= WT • '1mT - Wb/17mb = 1275·0,98:'-' '6~~= 1235 kJ{kg,

El gasto másico de vapor valdrá:

.Ne=w¿ ·G

G= Ne = 15.000 = 1215k (se.Wu 1235 ' 9 9

[ 3 ] El calor intercambiado en la caldera por unidad de tiempo vale:

. .O; = (h3 - h2) G = (3630 - 150,4) 12,15 = 42.277 kJ/seg

( 4 ) El rendimiento térmico del ciclo es:

17t = (h3 - h 4 ) - (h'1, - h 1) =h3-h2

(3630 - 2355) - (150,4 - 138) = 0363630 - 150,4 ,

~---...".~- ~------

20

[ 5 ] El calor aportado en la caldera por unidad de masa es:

V por unidad de tiempo vale:

Como el rendimiento de la caldera vale!

operando resulte:

6f = G (h3 -h1) = 12,15 (3630 -150,4). = 1 17 k /11cc Hp . 0,90·40.000 ' 9 seg .j.

.;

,jI¡:I

[ 6 1 la expresi6n que nos da el rendimiento de la lnstalaclón es:

Ne11inn = G' H

f p

= ~ Wu = G (WT.11mr - Wb/l1mb) =o, n; Gf Hp

= G [(h3 - h4) !lmT - (h2 - h, )/11mb] = (/13 - h4,) 11r 11mT - (h2' - h, J/11b 11mbG (h3 - h2 ) h3 - h2

11cc 11cc

Sustituyendo valores obtenemos:

11lnn = 0,32

-*-

,-------------------- -- -------------

.~ .• ,'1:.-?-I-.

o:? .~-l:/t· .

. ~..:;~...

CICLOS DE TURBINAS DE VAPOR1.1.4.

21'

Una turbina de acción,multicelular, desarrolla 25Mw, accionando un alternador que gira a3.000 r .p.m. La presión de admisión es de 55 bar y la temperatura de 4700 e, siendo la presi6n en

. el condensador de 0,04 bar.

El rendimiento interno de la turbina es de 0,80 y el mecánico de 0,99. Si se desprecia el tra·bajo de la bomba, determinar:

1) Consumo de vapor en kg/seg.

2) Rendimiento del ciclo.

-e-e-e-

Por ser despreciable el trabajo de la bom-ba podemos suponer que:

Oe la misma forma que en los problemas anterio-res tenemos:

h. = 121 kJ/kg

h2 = 121 kJ/kgh-3 = 3355 kJ/kg

h4s =2055 kJ/kg

h4 = 2315 kJ/kg

h

4

s

( 1) Ne = (h3 - h4) G· l1mT puesto que el trabajo de labomba es despreciable. Despejando:

G = 25.000 = 243 k I .(3355 - 2315) 0,99 . I 9 seg

[ 2 ) El rendimiento del ciclo vale:

11 = h3 - h4 = 3355 - 2315 = 0322.t h 3 - h'1. 3355 - 121 '

-e-e-e-

221.1.5.

La potencia en el eje de una turbina de vapor de una central nuclear es de 600 Mw, supa.. :,niendo que el rencUmiento del ciclo de esta central es de Q,34. ¿Qué incremento d~ temperatura.~:sufriría el agua que enfría el condensador, si el caudal disponible para la refrigeraci6n es de .',;20 m3/seg7.

Como ya sabemos, el rendimiento del ciclo vale:

O34 = 600.000" .

De

Es decir:

Ne = o, .....é, = 600.000 ;kw

Por lo que la cantidad de calor cedida en el condensador por unidad de tiempo vale:

Ók = De - 600.000 = aog::o - 600.000 = 1.164.105 kJ/seg .

si el .calor especifico del agua es 4,18 kJ/kg °K Ytomamos como densidad 1.000 kg/m3 resulta:

'. .Qk = G. Cp !J..T= V. ·P •• Cp!J..T

= 1.164.105 = 13 930C,20 . 1000 . 4,18

Es decir Que el agua de refrigeración sube aproximadamente 14°e para un caudal de-20 m3/seg.

>.: m-.-;----------------------------_ ..-.

i¡. 1¡

CICLOS DE TURBINA DE VAPORLl.6.

23

En un ciclo de Rankine, la presi6n de entrada en la turbina es de 15 bar y li temperatura de350° e, siendo la presi6n del condensador 0,04 bar.

Se modific:a el ciclo aumentando únic:amente la presión de entrada a la turbina hasta 30 bar~Despreciando el trabajo de la bomba y suponiendo los procesos sin fricci6n, determinar:

..' ) Aumento ,en % del rendimiento •

2) ¿Cuanto habra aumentado el trabajo específico? .

3) ¿Presenta algún inconveniente el ~uinento de la presión? .

-e-e-e-

Sobre el diagrama h-s hemos representadoel ciclo de ambas evoluciones teniendo el ciclo 1 - h-2-3-4 una presión de entrada a la turbina menorqueelciclo 1-2-3'-4'. T=cte

Operando como en ,los problemas anterioresobtenemos:

h1 = 121 kJ/kg

h1 .= 121 kJ/kg

h3 = 3145 kJ/kg

h3'= 3115 kJ/kg

h4 = 2140 kJ/kg

h~ = 2030 kJ/kg

s[ 1 J El rendimiento de ambos ciclos es:

El aumento del rendimiento al aumentar la presión es, expresado en tanto por ciento: .

/1 = 100 11~- '11t = 100 0,361 - 0,332 = 8,3 %11 '1'\' 0362

'/t ,

[ 2 ] El trabajo espec ífico de ambos ciclos es:

wu = h3 - h4 = 1005 kJ/kg .

!; j

; .i'

24MOTORES Tel:) ••• !Al

w~=hl• - h4#:= 1085 kJ/kg, es decir: AWu = 80 kJ/kg

[ 3 ) Los dos inconvenientes más importantes que preS!!nta un aUmento de la _i6n • la enllli$.da de la turbina son: .

a) El aumento de la humedad.

'b) la necesidad de reforzar mecánicamente la instalaci6n como consecuencia del aumentode las tensiones meCánicasque aparecen.

NOTA: Se poelrla argumentar que el trabajo consumido para accionar la bomba, cuando la ¡w..16n aumenta, es mayo" sin embargo recuérdese que en cualquier caso el trabajo de labomba es despreciable frente al trabajo de la turbina. .

-*-

t:.' .

CICLOS DE TURBINAS DE VAPOR1.1.7.

26

En una turbina da vapor la presi6nda antrada • l. turbina ea de 60 bar y I1 presl6n da con·densaci6n de 1 bar. Si pasamos da 400° a 500° e la temperatura de entrada a la turbina, mantenien-do los demás parámetros constantes, haciendo despreciable el trabajo de la bombl!.y suponiendo queno existe fricci6n, como quedan modificados:

1) El trabajo específico de la máquina.

2) El rendimiento del ciclo.

3) ¿Qué ventajas presenta un aumento de la temperatura?

-.-.-.-Sobre el diagrama h-s, hemos represen-

tado el ciclo de ambas evoluciones, teniendo elciclo 1234 una temperatura de entrada a la tur-bina menor que el ciclo 123' 4'.

De la misma forma que en los casos ante-dores tenemos:

h1 = 418 kJ/kg

h2 = 418 kJ/kg

h3 =.319.5 kJ/kg -

hf = 3430 kJ/kg

h

_T3'------

s

h4 = 2415 kJ/kg

h.( = 2530 kJ/kg

( 1 J Los trabajos de ambos ciclos por unidad de masa son:

Wu =tr, -h4 =3195-2415=780 kJ/kg

w~= n« - h.( = 3430 - 2530 = 900 kJ/kg

es decir:

Wu < W~ y por tanto Ne < Ne'

[ 2 ) El rendimiento para un mismo gasto másico vale:

• ".----: -' .' ~- v- .••.. ----------------- - ._--_. -'--_.-.'---'--"'---

26

11; == ht - h(. == 34~ - 2530 == 0,299h-t-h2 3430-418

es decir:

[ 3 ] las ventajas que presenta el aumento de la temperatura son:

a) Aumento del rendimiento.

b) Aumento de ra potencia especffica.

e) Disminuci6n der grado de humedad.

"

,,. ,

,.]

~,J(. ;:;'~:#.q.J....-H ..•.,..-..A- .

MoTORES TER-. .

¡i¡!

·f;

~.. '

'.

..¡..

CICLOS DE TURBJNAS DE VAPORL1.8.

En una turbina da vapor la presión da antrada a la turbina ~ da 50 bar y la temperatura .400° C. Si la presión en al condensador la pasamos de 1 bar a 50 mbar, como quedan modificados:

1) El randimiento del ciclo.

2) El titulo del vapor al final de la expansión en la turbina.

3) La sección de salida del vapor de la turbina.

-e'-e -e-

Sobre el diagrama h-s, hemos represen-tado el ciclo de ambas evoluciones, teniendo elciclo 1 2 3 4 una presión en el condensador su-perior a la del ciclo 1'2'3 4'.

h3=3'

De la misma forma que en los casos ante-riores tenemos:

h. = 418 kJlkg

hl, = 138 kJlkgs

h1 == 418 kJ/kg

hf = 138 kJ/kg

h) = 3195 kJ/kg

hl= 3195 kJ/kg

h4 =.2415kJ/kg

. h~ = 2025 kJ/kg

[ 1] El rendimiento en ambos ciclos vale:

r¡t = h) -h4 = 3195 - 2415 = 0281h3 - h2 3195 - 418 '

r¡' = h3 - h~ = 3195 - 2025 = O383t h3-hf 3195-138 '

[ 2 ] El tftulo de vapor pasa de x = 0,88 a x/= 0,78. Es decir en el segundo caso la humedad esmayor.

( 3] El volumen específico pasa de V4 = 1,5 m3/kg a V( = 2,25 m3/kg por lo tanto la secci6nde paso del vapor, si mantenemos la velocidad de circulación del vapor, aumenta en la misma propor-ci6n, o sea, expresado en tanto por ciento: .

AA = 100. 2,25 - 1,5 = 33 o¡{225 o,

28 MOTORES TERML1.9. . :Una turbina de vapor trabaja con un ciclo que tiene un recalentamiento. Losdatos que.

conocen de la instalación son: ::-

Presión de admisión en h¡l turbina:Presi6n en el recalentador:Presión en el condensador:

Temperatura de admisión en la turbina:

Temperatura del vapor al final del recalentador:

87 bar.

15 bar.0,05 bar.600°C580°C.

El recalentamiento se realiza entre los cuerpos de alta y baja presión, que suponemos quefuncionan con el mismo rendimiento interno de 0,85.

I, '

Determinar el rendimiento del ciclo.

Comparar este ciclo con uno simple de Clausius-Rankine con la misma presión y tempera-tura de admisión y con la misma presión del condensador, en lo que se refiere a:

1) Renpimiento.

2) Trabajo por unidad de masa.

3) Tftulo del vapor al final de la expansión.

-e-e-e_

La representaci6n del ciclo es la de lafigura adjunta.

De la misma forma que en los proble-mas anteriores determinemos los valores de /aenta/pía en los distintos puntos,

ConocidosPl y Tl en eí diagrama deMollier determinamos:

h3 = 3655 kJ/kg

Trazando una vertical hasta la presión de 15bar obtenemos:

hll, = 3085 kJ/kg

3

i

j:,I

I1¡1i

De la misma forma el punto (45') sobre la línea de presi6n 0,05 bar tendrá una entalpfa de h4s

' == 2135 kJ/kg. Puesto que el rendimiento "interno de la turbina es de 0,85 resulta:

,

{

CICLOS DE TURBINAS DE VAPOR 29

o sea:

hf = 3655 - (3655.,...3085) 0,85 = 3170 kJ/kg

De la misma forma: 3

3'

o sea: R

4

cdh,( = 3655 -(3655-2135)0,85 = 2363 kJ/kg

Siguiendo por la línea de presi6n constante de15 bar hasta la temperatura 5800 e, obtenemosla entalpfa del punto (R):

hR = 3650 kJ/kg

Trazando la vertical hasta la presi6n de 0,05 bar tenemos:

h4S = 2375 kJ/kg

y puesto que el rendimiento de la turbina se mantiene;

h4 = 3650 - (3650 - 2375) 0,85 = 2566 kJ/kg

Puesto que a la presi6n de 0,05 bar la temperatura del vapor en la zona húmeda es 33° C:

h¡ =4,18·33= 138 kJ/kg

como despreciamos el trabajo de la bomba:

h2 = h 1 = 138 kJ/kg

El rendimiento del ciclo vale:

_ (h3 - hf) + (hR - h4) _ (3655 - 3170) + (3650 - 2566)11t - (h3-h¡)+(hR -hf) - (3655-138 )+(3650-3170)

/~ ! ~'!, k

\..

I rI

MoTORES TEIIAt

30

11t == 0,393

El ciclo .sin recalentamiento serfa el t 234' V su rendimiento val.:

La mejora del rendimiento en tanto por ciento es:

,,; = É3 - 'Y.. = 3655 - 2363 == 0,367h3 -hz 3655 -138 .

f 1 1 El trabajo por unidad de masa en cada ciclo vale:

AnO/, == 100 11, - 111. == 100 0,393 - 0,367 = 6 6 O/,"' O 0393' O11t ,i·

W. = (h, - h II + (h. - h.1 = (3655 - 31701 + (3650 _ 25661 = t569 kJlkg

w~=h3 - h< == 3655 - 2363 == 1292 kJ/kg

f 2 J El aumento de' trabajo en tanto. por ciento es:

AWu °/'0 == 100 Wu - W~ = 100 1569 - 1292 = 1770/,Wu . 1569 ' o

[ 3 J los tftulos de vapor son en el Punto (4) vapor recalentado ven el punto(4') x~ = 0,92.

Evidentemente hemos eliminado la humedad con el recalentamiento.

I,.Jí~ .t:

ii1

.. ()

CICLOS DE TURBINAS DE VAPOR11.10.

En una Instalaci6n que funciona con un cicloreganerativo de vapor, existen tres extraccio-nes, que se realizan a las presiones de 30 bar, 10 bar y 2 bar para alimentar tres precalentadoresdemezcla. Los parímetros del vapor I la entrada de la turbina son p = 80 bar, t = 5000e y' la presi6nen el condensador esp = 200 mbar. Se supone que el agua de alimen~ci6n de cada precalentadoralcanza la temperatura de saturaci6n del vapor extra ido. Considerando que las evoluciones se reali-zan sin fricci6n y que el trabajo de las bombas es despreciable, calcular:

taso

1) Porcentaje de vapor que se extrae en cada una de las tomas.

2) Rendimiento del ciclo, comparando este, con el rendimiento de un ciclo de Clausius-Ran-kine.

-.-a-.-

El esquema de la instalaci6n y la representaci6n del ciclo se encuentran en las figuras adjun-

h

a'B B

3

s

Determinamos en primer lugar la entalpfa de los distintos puntos y tenemos:

hJ = 3395 kJ/kg, ha = 3100 kJ/kg, hb = 2840 kJ/kg, he = 2550 kJ/kg, h4 = 2215 kJ/kg~\1~)tI;\t)t." 4'.\,Q~6\)C L(\\l~l,nele. i\,\td~'¡)f:~" ~I\qy,?s~t

h1 = 250 kJ/kg, h2 = 250 kJ/kg, hi =505 kJ/kg, hb,= 755 kJ/kg, he,= 990 kJ/kg0\7. ~,r \S> :) bt'lJ ?.iM:t..r \ I() k~J5 "}"'\:.> t~f.;¡:{"

( 1] ~s ecuaciones que podemos plantear en cada uno de los precalentadores, suponiendo quelas extracciones son ~1 , ~2 yal respectivamente, son:

B B

(1 - ~l - a2 - ~3) (he' - h2 ) = ~3 (he - he')

(1 - al - ~2) (hb' - he') = a2 (hb - hb,)

(1 - ad (h,,' - hb,) = al (he - h,,')

{1- al-a2 -al} (505 - 250) =aJ (2550 - 505)

(1 - al - (2) (755 - 505) = a2 (2840 - 755)

(1 ..:..a¡) (990 - 755) =a1 (3100 - 990)

32Tenemos tres ecuaciones con tres incógnitas por lo tanto sustituyendo valores y operando PQCSIIi.determinar los valores de al, a2 yal

resolviendo el sistema obtenemos:

al = 0,100;

o sea, en la primera extracci6n sale un 10 % del vapor, en la segunda un 9,6 % y en la tercera un9%.

[ 2 ] El rendimiento del ciclo valdrá:

11t= hJ - h4 - al (h, - h4) - al (hb - h4) - a) (he - h4), hJ -h.'

y sustituyendo valores:

flt = (3395-2215) - 0,10(3100-2215) - 0,096(2840-2215) - 0,090 (2550 - 2215)3395 - 990

'1t = 0,42

El rendimiento del ciclo de Rankine equivalente es:

hJ - h4 = 3395 -2215 = 038hJ - h'J, 3395 - 250 '

es decir, el incremento en tanto por ciento del rendimiento es:

,Ll11t = 100 flt - 11t

'1t= 100 0,42 - 0,38 = 950/'

0,42 ' o

MÁQUINAS TÉRMlCAS (EXAMEN PROF. KOERTING)

Examen día 22 de junio de 2.007

1.- Dado el combustible gaseoso cuyo análisis volumétrico es:

CH4 = 81,1%C2H6 = 14,6%C02 0,3%N2 2,1%O2 1,9%

Suponiendo que se quema en una caldera con un exceso de aire del 12,5%, encondiciones de combustión completa, calcularlos moles de humos "húmedos" por 100moles de combustible.

2.- Explicar porqué se produce la circulación natural en una caldera.

3.- Dibujar la disposición típica del economizador y precalentador de aire decombustión de una caldera.

4.- Concepto de agua líquida saturada, vapor saturado y mezcla de agua-vapor, enfunción de su posición en la curva campana dibujada en Un diagrama P-V. Concepto devapor sobrecalentado.

5.- Dada la ecuación del rendimiento de una turbina en función del ángulo a y lasvelocidades periférica de la turbina (u) y del fluido (CI):

2TI = 2<p ulc ( 1 + \Jf cos ~2/COS 131)(COS 0..'1 - u/c.)Explicar en que casos puede ser cero dicho rendimiento.

6.- Dibujar el esquema de disposición de turbinas "TANDEM COMPOUND" de trescuerpos y dos escapes.

Tiempo: 90 minutosValor de las preguntas:Pregunta n° 1: Dos puntos y medioPreguntas n02a 6: Punto y medio

~G~e~n~e~ra~d~o~ffi~s~y~M~o~to~r~e~s~T~é~rm~ic~o~s~I 1

1. COMBUSTIÓN ·....................................................................................... 21.1- TEMPERATURA DE INICIACIÓN DE COMBUSTIBLES EN AIRE 101.2- CALORES DECOMBUSTIÓN. 111.3- GENERADORES DE VAPOR: CÁLCULOS DE COMBUSTIÓN. 12

2. CALDERAS: VAPORIZACIÓN 15

3. CIRCULACIÓN AGUA-VAPOR 253.1- CALDERAS DE RECUPERACIÓN DE CIRCULAGÓN FORZADA 303.2- CALDERAS DE RECUPARAGÓN DE GRCULAGÓN NA TURAL 313.3- CALDERAS DE GRCULACIÓN NA TURAL Y FORZADA 323.4- PERDIDAS DE CARGA EN TUBERÍA5. 33

4. ELEMENTOS DE UNA CALDERA 384.1- EFECTO DE LA TEMPERATURA INIGAL DEL VAPOR Y SU PRESÓN, SOBRE EL

CONSUMO DE CALOR 414.2- DATOS DE DISEÑO DE UN SOBRECALENDOR 424.3- EFECTO DE LA REGRCULAGÓN DE HUM05. 434.4- TIPOS DE SOBRECALENTADORE5. 444.5- MÉTODOS DE REGULAGÓN DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR 454.6- MÉTODOS DE REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR 46

S. CALDERAS DE LECHO FLUIDO Y OPERATIVIDADDECALDERAS .475.1- EMISIONES EN ESPAÑA PROCEDENTES DE CENTRALES TÉRMICA5. 495.2- CONSUMOS Y RESIDUOS DE URANIO, CARBÓN Y FUEL-OIL 505.3- DESCRIPCIÓN DE LAS CALDERAS DE LECHO FLUIDO 515.4- OPERATIVIDAD DE LAS CALDERA5. 535.5- CARACTERÍSTICAS DEL AGUA DE ALIMENTAGÓN DE LAS CALDERA5. 545.6- PLANTA DESALADORA CON DOBLE ETAPA 575.7-PLANTA DESALADORA CON DOBLE PASO 575.8- PLANTA DESALADORA CON RECUPERACIÓN DE ENERGÍA : 585.9- ASPECTOS GENERALES DE LAS PLANTAS DE ÓSMOSI5. 585.10-VELOCIDADES DEL FLUIDO DENTRO DE LA TUBERÍA.......... 635.11-RENDIMIENTO DE LAS CALDERA5. 645. 12-DISPOSICIÓN DE LAS TUBERÍAS DENTRO DE LA CALDERA 705.13- CALCULO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERA TURAS DEL FLUIDO CALIENTE Y

FRIO 71

6. TURBINAS DE VAPOR 746.1- TRABAJO INTERNO TRASMmDO A LOS ALABE5. 786.2- TRABAJO INTERNO MÁXIMO 806.3- RELACIÓN ENTRE LAS PRESIONES DEL VAPOR Y EL RENDIMIENTO 816.4 - CALSIRCACIÓN DE LAS TURBINAS DE VAPOR SEGÚN LA PRESIÓN DE

SALIDA 886.5- CLASIRCACIÓN DE TURBINAS SEGÚN EL NÚMERO DE ESCALONAMIENT05. 896.6- CLASIRCAGÓN DE TURBINAS SEGÚN POSICIÓN 906.7 USO DE TURBINA EN LA RELACIÓN CON LA COMPRESIÓN. 916.8- REGULACIÓN: CONTROL DE TURBINA5. 916.9- CALDERAS CON CICLO DOBLE 93

~G~e~ne~r~a~d~o~~~s~y~M~o~to~~~s~T~e~'r~m~ic~o~s~I~ .2

-"

•• '<11 ' ,. '"' ¡ ,',,.W' > '~', ~. 11"

Reacción de oxidación exotérmica. Requiere:

- Combustible: - Elemento Activo: C, H2,S-Elemento Inerte: - Cenizas

- N2

- Comburente: - elemento Activo: 02- Elemento Inerte: N2+ Ar

La oxidación del combustible con comburente desprende calor.P.C (poder calorífico): cantidad de calor-por unidad de peso que proporciona elcombustible.p.es. = P.CJ. + Calor de vaporización del agua

'-Reacciones caracterísncas-s de la combustión:

Combustión completa: C + O2~ C02 Todo el C está oxidado a CO2Combustión incompleta: C + Vz O2 ~ CO CO + 112 02 ~ CO2

2C + O2 ~2COCuando todo o parte del e está oxidado a CO.Combustión completa: H2+ Vz 02 -7 H2O 2H2 + 02-7 2H2OCombustión completa: S+ 02 -7 S02

Se asume que las reacciones tienen lugar mol a rnol,

1 mol CO2: 44 91 mol C: 12 9

Condiciones normales:

Sistema Internacional Sistema Británico 1 mol = Peso molecular

eNTemperatura: O °C

Presión: 760 mm Hg1 mol (P M en g)

eNTemperatura: 80°F

Presión: 30" Hg1 mol (P M en lb)'

11b = 453 9

1 mol es el peso molecular expresado en gramos.

MÁQUINAS TÉRMICAS (EXAMEN PROF. KOERTING)

Examen día 19 de diciembre de 2.007


= 81,1O¿íC2H6 ,6% <2 le;-

2%'N2 2,1"Suponiendo que se quema en una caldera con un exceso de aire del 12%, en condicionesde combustión completa, calcular los moles de humos "húmedos" por 100 moles decombustible.

2.- Explicar como se produce la circulación natural en una caldera. ( f '?

3.- Dibujar el circuito de una caldera de circulación forzada

4.- Concepto de agua líquida saturada, vapor saturado y mezcla de agua-vapor, en l / 5"función de su posición en la curva campana dibujada en un diagrama P-V. Concepto devapor sobrecalentado.

5.- Dada la ecuación del rendimiento interno 11 de una turbina en función del ángulo a ylas velocidades perifériea de la turbina (u) y del fluido (el): CJ11 = 2<p2u!e (1 + '" cos P2/COSPl)(COSal-u!cl)

Dibujar la curva de variación de 11 en función de u/e¡ justificando los casos en que dichorendimiento es cero.

6.- Dibujar el esquema de disposición de turbinas "CROSS- COMPOUND" de doscuerpos y dos escapes.

Tiempo: 90 minutosValor de las preguntas:N° J-:--f)es-puftt~mecliB--j*l:flt-eS--.N°2a6:P~mOOie- r2~~

MÁQUINAS TÉRMICAS (EXAMEN PROF. KOERTING)

Examen día17 de septiembre de 2.007


C& = 80,0%C2H6 = 13,6%C02 0,4%N2 3,1%02 2,9%

Suponiendo que se quema en una caldera con un exceso de aire del 12%, en condicionesde combustión completa, calcular el peso de humos "secos" por 1.000 kg decombustible.

2.- Dibujar los esquemas de calderas de circulación forzada y de circulacióncombinada.

- 3.- Dibujar la disposición típica de los sobrecalentadores 1 y 2 Yel atemperador de unacaldera.

4.- Concepto de agua líquida saturada, vapor saturado, vapor sobrecalentado, gas ymezcla de agua-vapor, en función de su posición en la curva campana dibujada en undiagrama P-V.

- 5.- Dada la ecuación del rendimiento de una turbina en función, del ángulo a¡y lasvelocidades perifériea de la turbina (u) y del fluido (el):

211 = 2cp ~ l( 1 + \jf)(cos a¡ - ~J)Dibujar dicha curva expresando 11 en ordenadas y ~¡ = u/e¡ en abscisas. Explicar en que'casos puede ser cero dicho rendimiento.

6.- Dibujar la sección de una turbina de vapor de acción mostrando las partes fijas(toberas) y móviles (álabes). Dibujar también las rectas con la variación de la presión yvelocidad del vapor a su paso por la tobera y álabes

Tiempo: 90 minutosValor de las preguntas:Pregunta n° 1: Dos puntos y medioPreguntas n°2 a 6: Punto y medio

,-------------------------

Generadores y Motores Térmicos I 3

80DF-32 481 mol < > 22,4 I De = --- = = 26,67 °e

1,8 1,8

1" = 25,3 mm Hg; 30''Hg = 759 mmHg

1 mol -> 394 pie3 <> 11, 15 I lpie = 12"

Composición del Aire

En volumen, en C.N: O2 ->21 %; N2 -> 78%; Ar ->. 1%.

Simplificación: 79% -> N2; 21% -:> O2

Por cada 100 moles, 21 son de oxigeno y 79 son de nitrógeno.

Una composición molar es equivalente a una composición volumétrica.

Moles deaire/rnol de 02 = 100/21 = 4,76 moles de aire/ mal O2

100--------------- 21x --------------- 1

moles de N2/ mal de O2 = 79/21 = 3,76 moles de N2/ mol O2

lmol 02 + 3,76 moles N2 = 4,76 moles de aire

C + O2 = CO2 -> Se necesitan 4,76 moles de aire.C + V2 02 = eo -> Se necesitan 4,76/2 moles de aire.

Composición del Aire en peso

Peso elemento----- x 100

Peso Total0,21x2x16

O2: 21% -> ------- x 100 = 23,15 % (ha es igual que en0,21x32 + 0,79x28

volumen)

N2 = (100'- 23,15)= 76,85%

La combustión puede ser:


- Completa: el C se oxida a CO2(todo)- Incompleta: el C se oxida (todo o parte) a CO

Estequiometrica: Cuando aportamos únicamente el aire necesario.Cuando el coeficiente de peso de aire es = 1.

Se utiliza aire en exceso -> n>l ::::1,12 - 1,15, se utiliza un 15% de aire demás para que sea completa la combustión.

Poder calorífico

Reacciones de las que se obtiene calor:

.C+ O2 = CO2 + CalorH2 + V2 O2= H2 O + Calor, es la más exotérmica, la que más calor da.S + O2 = S02 + CalorC + 112 O2 = CO + CalorCO + 112 O2 = CO2 + Calor

P.C.S = P.C.I +578 Kcal/Kg H2 0, cantidad de calor necesario para pasar el agua defase líquida a vapor.

P.C.! = P.C.S - 578 KcalfKg H2O

Gres Heat Value.= P.C.SNet Heat Value.= P.C.!

Tabla 1:

2C + O2= 2CO

2CO +02 = 2C022C + 202 = 2C02

P.C.S (Kcal/ Kg)

241054207880

Temperatura

- Temperatura de ignición: Depende del tipo de combustible, es la temperaturamínima a partir de la cuál la combustión es autosostenida.

- Temperatura adiabática: Es la temperatura máxima de la llama (::::1850 °C)

2C02 -> 2CO + 02 - Calor (endotérmica)2H20-> 2H2 + 02 - Calor

;-----------------------

~G~e~n~e~ra~d~o~re~s~y~M~o~to~re~s~T~e~'r~m~ic~o~s~1~ 5

A 1950 °C un 10% de C02 y un 3% de H2O se están descomponiendo, lo quese traduce en un enfriamiento de la llama.

Determinación de la cantidad de aire necesaria para quemar uncombustible:

Esta depende mucho de la temperatura (T):

Considerando 15°C -> Tr = 273 +15 = 1,055To 273

Conslderando 30°C -> Tr = 273 + 30 = 1,11To 273

% en Peso

N2 = 76,85%

Cuando se diseña un ventilador hay tener en cuenta la temperatura másadversa.

Determinación del peso aire/peso combustible:

Para C:C + O2 = CO2

129 + 329 = 449

Por 9 de C se necesitan 32/12 =2,66 9 de 02/g C, pero como lo que se requierees aire, es necesario saber el N2: N2= (76,85 / 23,15) x 2,66 = 8,83g N2/g C

Luego: 2,66 9 O2/ 9 C + 8,83 9 N2/ 9 C = 11,49 9 aire/ 9 C.

Para H2:H2+ 112 02 = H2 O2g + 16 9 = 189

Por 9 de H2: 16/2 = 89 02/9 H2

N2= (76,85/23,15) x 8 = 26,56 9 N2/ 9 H2

Total de aire: 8 + 26,56 = 34, 56g de Aire/g H2

Para s:s + 02 = 502329 + 329 = 64g

Por 9 de S: 32/32 = 1 9 O2/ 9S

=G=e~ne=r=a=do=r=e=s~y~'M=o=t=o~re=s~T=é~rm~ic=os~I 6

N2 = (76,85/23,15) x 1 = 3,32g Nz 1gS

Total aire: 1 + 3,32 = 4,32g Airel gS

Total Aire (seco en C.N, Aire teórico) = 11,49% e + 34,56(%Hz - (%Oz 18)) -4,32% S, se resta el oxigeno que se combina con el hidrogeno dentro delcombustible.

Aire Húmedo (C.N) = Aire seco x F (si esta húmedo necesito más cantidad deaire (coeficiente)

PsF=l+H.R---

. . 1- H.RxPR

F: depende de la humedad-relativa (H.R)Ps. presión de saturación en mm Hg..PR:presión real en mrn Hg.

Aire Húmedo en Cond. Reales = Aire seco (C.N) x Fx TR x Pa.,To PR

TR: 273 + TTo: 273Po: 760 mm Hg

)

Generadores y Motores Térmicos I

EJEMPLO:

Se supone que en 100 moles hay los siguientes moles

CH4::; 85,3%

C2H6= 12,6%C02= 0,1%N2= 1,7%O2 = 0,3%

Determinar la composlcíén en peso elemental de

CH4= 85,3%

C2H6= '12,6%

CO2= 0,1 %

N2= 1,7%02 = 0,3%

PMCH4= 85,3% 16 C

H2C2H6= 12,6% 30 C

H2C02= 0,1% 44 C

O2N2= 1,7% 28 N202 = 0,3% 32 02

C: 1023,6 + 302,4+ 1,2 = 1.327,2 9

H2: 341,2 + 75,6 = 416,8 9 "

02: 3,2 + 9,6= 12,8 9

N2: 47,6 9

---- Total = 1.804,4 9

_______________7

de cada compuesto:

I combustible:

12x85,3= 1023,6 94x85,3 = 341,2 924x12,6= 302,4 96x12,6 = 75,6 912xO,l = 1,2 932xO,l = 3,2 928xl,7 = 47,6 932xO,3 = 9,6 9

I

~G~e~ne~r~a~do~r~e~s~y~M~o~to~r~es~Te~'r~m~ic~o~s~l~ 8

% en peso de C: (1327,2/ 1804,4) xl00 = 73,55% en tanto por uno = 0,7355

% en peso de H2: (416,8/ 1804,4) x100 = 23,10% en tanto por uno = 0,231

% en peso de 02: (12,8/ 1804,4) x100 = 0,71 % en tanto por uno = 0,0071

% en peso de N2:(47,6/ 1804,4) x100 = 2,64 % en tanto por uno = 0,00264

QM = 8079 (0,7353) + 34,456(0,231-0,0071/8) + 2250(0) = 13961,4 Kcal/Kg

Aire teórico

Aire (Kg/Kg comb.) = 11,49C+ 34~56 (H2 + 02 /8) = 11,49xO,7355+ 34,56(0,231- 0,0071/8) = 16,43 kg aire/ kg combo

Sería sin hidrógeno si es humo seco.

Aire C.N: 16,43xl,14 = 18,7 Kgaire/ Kg comb

La suma del peso de aire con el del combustible da el peso de los humos.

Peso de humos: 1(1 Kg de comb)+ 18,7 = 19,7 Kg humo/ Kg comb

Comparativa- entre quemar Carbón (Cl y Gas Natural (CH~-

P.C.S = 7830 Kcal/ Kg (Carbón)P.C.S= 13263 Kcal/Kg (Gas natural)

La propia combustión del CH4da menos emisiones que el Carbón y tiene casi eldoble de poder calorífico.

C-----------------C~4

( CH4+ 202 -7 CO2 + 2H2O16 9 -----------7 44g1t --------------7 44/16 = 2,75 t CO2

Al quemar una tonelada de CH4 se producen 2,75 toneladas de C02

C + O2 -7 CO212g ---------7 44 91 t ---------7 44/12 = 3,67 t CO2

1\1 quemar 1t de C se producen 3,67t de CO2

Generadores y Motores T

Central térmica: 11 :::: 35 %El 11 de un ciclo combinad

Para producir 1 Kwh se ne

Consumo real: 850/ 0[35

Emisión de C02

3,67 Kg CO2/ Kg C <> 37,

<> 2[Térmica de carbón

CH4:::: 2,75 Kg CO2 / Kg C13[263xl0A3 Kcalj

< > 2,429 x 0,207 = 0,50

Emiten algo menos de lacarbón. En el caso de la Cdel 35% a cifras del ordenestán instalando son de ci

1.1- TEMPERATURA DE IN

COMBUSTIBLE

Azufre

Carbón vegetal (Iigni

Carbono fijo (carbón bitu

Carbono fijo (carb 'semi bituminoso )

Carbono fijo (antraci

é~rm~ic~o~s~I 9

o puede llegar al 55%

cesitan 850 Kcal de cualquier energía.

KcaljKwh = 2429 Kcalj Kwh

,67 Kg C02/Kg C = 0,468 Kg C02/ 1000 Kcal de C83x10A3 KcaljKg C

429 x 0[468= 1,14 kg de C02 / kWh producido en

H~ = 0[207 Kg CO2 /1000 Kcal CH4

Kg CH4

kg CO2/ kWh producido en Térmica de gas natural.

mitad de C02 las C.T de gas natural que las deentra les de Ciclo Combinado, en rendimiento aumenta

del 60%. Por estarazón las nuevas Centrales que seclo combinado con gas natural.

ICIACIÓN DE COMBUSTIÓN EN AIRE

FÓRMULA

sTEMPERATURAOC

243

to) C 343

minoso) C 407

on C 466

ta) C 449-602

Generadores y Motores Térmicos I-

Acetileno e- Etano eEtileno e

Hidrógeno_.

Metano eMonóxido de carbono

Keroseno

Gasolina

<..'

______________________ 10

-304-441

471-629

482:-549

574-591

632-749

eo 610-657 -

254-293

260-427


1.2- CALORES DE COMBUSTIÓN

CALOR DE

COMBUSTIBLE REACCIÓN MOl Kg COMBUSTIÓNSUPERIOR (Kcal/Kg)

P.C.S

Carbono (a CO) 2C + O2= 2CO 2+1=2 24+32 = 56 2410

Carbono ( a CO2) C + 02 = C02 1+1=1 12+32 = 44 7830

Monóxido de Carbono 2CO + 02 = 2C02 2+1=2 56 +32 = 88 5420

Hidrógeno 2H2+ O2= 2H2O 2+1=2 4 +32 = 36 33941

Azufre (a S02 ) S + 02 = S02 1+1=1 32+ 32= 64 2211

Metano (gas) CH4+ 202 = C02 + 2H2O 1+2=1+2 16 + 64 = 80 13263

Acetileno (gas) 2C2H2+ 502 = 4C02 + 2H2 O 2+5=4+2 52 + 160 = 212 11943

Etileno (gas) C2H4+ 302 = 2C02 + 2H2O 1+3=2+2 28 + 96 = 124 12018

Etano (gas) 2C2H6+ 702 = 4C02 + 6H2O 2+7=4+6 60 + 224 = 284 12402

Sulfuro de Hidrógeno2S H2 + 302 = 2S02 + 2H2O 2+3=2+2 68 + 96 = 164 3944

(gas)

Para sólidos y líquidos: QM = 8079 (% en peso del C) + 34456 (%H2 - %02/8) + 2250 (%S)


1.3- GENERADORESDE VAPOR: CÁLCULOSDE COMBUnÓN

EJEMPLO:

Un combustible gaseoso viene dado por el slqulente análisis volumétrico:

CH4= 85,3%C2H6= 12,6%C02= 0,1%N2= 1,7%02 = 0,3%

Suponiendo que se quema en una caldera con un exceso de aire del14%, en condiciones de combustión completa, calcular:

a) La composición en peso del combustible (%).b) Moles de humos por 100 mol de combustible (,'húmedos'').e) Moles de humos secos por 100 mol de combustible.d) Gramos de humos por 100 mol de combustible (secos y "húmedos"),e) Gramos de humos por gramos de combustible (secos y "húmedos'') .

. f) Composición volumétrica (%) de los humos (secos y "húmedos'').g) Composición ponderal (%) de los humos (secos y "húmedos").h) Volum.en de aire necesario para quemar 1 t de combustible.

a) La composición volumétrica en % equivale al número de moles de cadacomponente por cada 100 mol de combustible, y multiplicando éstas por susrespectivos pesos moleculares tendremos los pesos en 9 de cada uno de loscomponentes del combustible:

COMPONENTES (%) PESODEL GRAMOS (g) % EN PESO(gjgtotal)

MOLES MOLECULARCOMBUSTIBLE

CH4 85,3 x16 85,3x16=1364,8 (1364,8j1804,4)xl00=75,64

C2H6 12,6 x30 378,0 20,95

C02 0,1 x44 44 0,24,

N2 1,7 x28 47,6 2,64

02 0,3 x32 9,6 0,53

Combustible 100,0PMm= 1804,4 100,00rB,04


b) v6 Las ecuaciones químicas para la combustión completa de los elementosactivos del combustible como sigue:

CH4+ 202= CO2+ H20C2 H6+ 7/202 = 2C02 + 3H2O

COMPONENTES MODELOS MOLES DEDE LOS CÁLCULOSDE LOS HUMOS DE HUMOS HUMOSHUMOS (secos) (húmedos)

C02 85,3+2x12,6+0,1=110,6 110,6 mal 110,6 mal

H20 2x85,3+3x12,6= 208,4 - 208,4 mal

02 02(est)= 2x85,3+3,5x12,6 =214,7 30,1 mal 30,1 mal02(humos)= 02(est)xO,14= 30,1

N2 (214,7xl,14-0,3)x(79/21) + 1,7 = 921,3 mal 921,3 mal921,3

De 100 moles de combustible se obtienen: 1062,0 mal 1270,4 mal

d) Multiplicando las moles calculadas anteriormente para cada uno de loscomponentes de los humos, por: sus respectivos pesos moleculares, tendremoslos pesos en 9 de los mismos:

(Moles)x(Pesosmoleculares

Gramos (g) de humos.secos

Gramos (g) dehumos. húmedos

(C02 )x44 =

(H20)x18 =

44xl10,6 = 4866,4 4866,4

18x208,4 =3751,2

(02 )x32 = 963,2 963,2

(N2 )x28 =

100 moles decombustible dan:

25796,4

31626,0 9

25796,4

35377,2 9

e) La respuesta a esta cuestión se obtiene sin más que dividir los resultadosanteriores por la cifra de 1804,4 g que corresponden a las 100 moles decombustible:

R = (g. Humos)/(g. Combustible)

Relación Humos. secos

Rs=31626/1804,4=

17,5

Humos. Húmedos

Rh=35377,2/1804,4=

19,6

Generadores {Motores Térmi~os l. 14

f) Sin más que establecer las relaciones volumétricas correspondientes alapartado b): humos secos y apartado e): humos "húmedos'; dividiendo losvalores de cada componente por el total y multiplicando por 100, en cada unodelos casos, se obtienen los resultados siguientes en %:

Composición volumétrica Humos. Secos (%) Humos."húmedos" (%)

CO2 (110,6/1062)x100=10,4 110,6/1270,4= 8,7

H20 - 16,7

02 2,8 2,4

N2 86,8 72,5

Combustible 100,0 100,0

g) Sin más que establecer las relaciones pondéralescorrespondientesalapartado d), tanto para humos secos como "húmedo", dividiendo los valores decada componente por el total y multiplicando por 100~en cada uno de loscasos, se obtienen los resultados siguientes en %:

Composición Ponderal Humos. secos (%) Humos. Húmedos (%)

CO2 (4866,4/31626)x100=15,4 (4866,4/35377)xl00=13,8

H20 - 10,6

O2 3,0 2,7

N2 81,6 72,9

Combustible 100,0 100,0

h) Elvolumen de N2calculando en b)c) procedente del aire es: 921,3 -1,7 =919,6 mol; lo que equivale a 919,6/0,79 = 1164 mol de aire; lo cuálcorresponde a los 100 mal de combustible, cuyo peso calculado en a) es de1804,4 g:

V(aire) = (1164molj 1,8044kg)x22,4(ljmol)x(lNm3/10001) x (1000kg/t) =14450 Nm3/t = 14,45 I/g

N: significa que se calcula en condiciones normales.


Se define la vaporización como el cambio de estado mediante el cual poraplicación de calor, el agua pasa dé fase líquida a vapor. Se verifica atemperatura y presión constantes.

PuntO'de Ebullición: ~s la temperatura ala que la presión vapor dellíquido es igual. a la presión ejercida en toda la superficie libre, Es muy variableen función del tipo de fluido que se trate.

EJEMPLO:

eN punto ebullición z.z-c

Agua eN punto ebullición 1000e

Amoniaco

Sódio eN punto ebullición 890ot··

El punto de ebullición disminuye al aumentar la presión. En el caso del agua, setiene:

Punto de ebullición, °e Presión atmosférica, bar

100120200

11520


DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS

.Sirven para determinar las propiedades del agua.

P-V -> D. de ClapeyronT-S -> D. entró picoh-S -> D. de Mollier

Diagrama de Clapeyron

p

111

Ts Te

Ps

v

Cuanto más nos desplazamos hacía la derecha mayor es el aporte de calor.

Ps = P de saturaciónTs = T de saturaciónTc = T. crítica

En el interior de la campana coexisten las isotermas (T = Cte) y las isobaras(P=Cte)

Pc es un punto crítico:

- Presión = 224,6 Kgfcm2

- Temperatura = 374,2 °C

En función de las condiciones de operación respecto al Punto Crítico, lascalderas se clasifican en:

- SubcríticasP<224,6 Kgfcm2• Paso de líquido a vapor através de un enriquecimiento creciente de vaporen la mezcla agua-vapor

- CríticasP = 224,6 Kgfcm2• Paso inmediato de liquido avapor


- SupercríticasP > 224,6 Kgfcm2• Paso inmediato de liquido aa vapor

Zonas de la Curva Campana

1)11)

111)

Zona de Líquido Saturado: el H2 O siempre estará en fase líquida einmediatamente que pase la curva empieza la vaporización ..Coexisten fase líquida y vapor: Título cantidad de vapor que hay en lamezcla L+V Título =~

L+VZona de vapor saturado: para diferenciarlo del sobrecalentado. LasCondiciones de p.y T son las correspondientes a las de saturación.Tendré distintas P de saturación (ala cuál lo he producido) ya estale correspondeunaT.

En una caldera se produce vapor saturado.

Vapor sobrecalentado:

P2

P1

TeA = Vapor Saturado a P1,TIPA=PBTA=TlTB = T2> TA

T1 T2

Las líneas de T son casi verticales porque el agua en fase líquida es casiincompresible.

El punto B es vapor sobrecalentado,e.d, que está a la misma P en que lohe producido (saturado) pero a mayor T.

Si sigo adicionando energía me desplazo cada vez más a la derecha, conlo cual podría tener el vapor sobrecalentado a la T crítica.

Líquido Subenfriado: si enfrío C hasta D tendré un líquido subenfríado, amisma P, pero a menor T.

Si caliento y sobrepaso Tc, tengo cambio brusco de fase líquida a vapor,sin fase coexistente de líq-vapor.


IV) Zona de gas: Siempre tendré 100% de vapor.

Vaporización

P

P

TeIV

111

Te

Pe111

11

Ps !i". Ts

V

V

Pc = punto crítico- P=224,6 Kgfcm2

- T = 374,2Calderas:

- Subcriticas: P< 224,6 Kgfcm2

- Críticas: P = 224,6 Kgfcm2

- Supercríticas: P > 224,6K fcm2

I) Zona LII) Zona L+VIII) Zona VIV) Zona G: el agua esta en

forma de gas y hasta quela T no sea Inferior ala Tcno conseguirá lacondensación.

(1) Título (cantidad de vapor enla mezcla L+V) variable devapor.

(2) y (3) Se pasa inmediatamentede líquido a vapor.

Líquido saturado: se encuentra sobreel tramo I de la curva de lacampana. Si se calienta empieza aevaporarse.Vapor saturado: se-encuentra sobreel tramo Il, Si se refrigera empieza acondensarse.

Temperatura de saturación: T a laque el vapor está saturado, dependede la P de vapor.Presión de Saturación: P a la que ellíquido se encuentra saturado,depende de la T. del líquido.


Diagrama Entrópico

T

(B)T2,

T1

v

Diagrama de Mollier

10bar p

h

-r---_T= 140°C

VTsat

A = vapor sobrecalentado.

Vapor sobrecalentado: Cuando seencuentra a T superior a la desaturación estando a la misma P(saturada), Pto A.Líquido subenfriado: Cuando seencuentra a T inferior a la desaturación estando al misma Psaturado . Pto B.

A medida que voy hacía la derechavoy teniendo un vapor mássobrecalentado.

s

..La zona de líquido saturado no nosinteresa y por lo tanto no aparece.

La P tiende a irse hacia arriba y la Thacia abajo.

s

Generadores y Motores Tér~icos I 20

T T

5

Ps+----..¡-'J----;\

s sVapor Sobrecalentado

3-4: vaporización, adiciono calor.4-5: sobrecalentado aumento la T devapor5-6: expansiono en la turbina (pérdidade P yT) .6-1: condensación adiciono frío alvapor para convertirlo en líquidosaturado (condensador)1-2: bomba para incrementar la P(pero menos que Ps)2-3: recalentamiento del agua en eleconomizador.

Vapor Saturado

Al expansionar un vapor saturadofruto de la pérdida de T que va atener se me forma una pequeña

-cantidad de líquido, es perjudicialparaJa turbina porque esta agualíquida tiene mucha pureza y e~ muycorrosiva los alabes de la turbina al, .,colisionar con ella, sufren corrosión.

Caldera

Sobrecalentador (esun elemento de la

caldera)

3 4

Economizador(Aumenta P y T)

Iternador

T.V

2

Bomba(Aumenta P)

1 6Condensador

La turbina acoplada a un alternador es la que produce electricidad.


Se trabaja con vapor sobrecalentado frente a saturado.

h4 f---r---~ T3--Tsobrec

sMollier no permite calcular h de líquido, se acude a la fórmula:

hllq=Cp ATLa h3, h2, hl Iaconozco con la cp, calculo cp y con las T

h3= Cp (Tamb-Tsat)

Sobrecalentado

Calor aportado= h5 - h3 (calor para pasar del pto 3 al 5)

Rendimiento:

I1=Trabajo útil(calor utilizado) = h5 - h6Trabajo aportado (calor aplicado) h5 - h3

Una vez expansionado por 1a vez en la turbina se puede hacer un ciclocon turbina de alta y de baja ( da más rendimiento). I

TIPOS DE CALDERAS:

Pirotubulares (vaporización en volumen) 11menor:

Extraigo el vapor

:!-----\--_ Por aquí circulan loshumos calientes

Combustión

Agua en elexterior


La masa de agua se calienta hasta que se formen burbujas y asciendan ->vapor.

- Acuatubulares (vaporización nucleada) una burbuja producida a partirde un núcleo: .

Aire

Lr

Combustible

00000Quemador. O O O' O

•

Tubos en formade haces

0000000000

Rümos00000

COMPORTAMIENTO DELAGUA AL, CALENTARLA EN EL INTERIOR DEUNA TUBERÍA

Al calentar el agua el que circula por el interior de tubos se obtiene una curvade cuatro zonas como la figura siguiente:.

C"\J

E~1-orouQJ

"Oe'o'uro.~a.

<C

DEN

III IVI II

Log(ts - tm) °C

DEN: desviación sobre ebullición nudeada,A medida que se aplica calor exteriormente a la tubería, la temperatura vaaumentando.En ordenadas se expresa la aplicación de calor expresada en Wjm2 y enabscisas el log de (t, - 'tm). Diferencialogarítmica entre la temperatura de lasuperficie y la temperatura media del líquido.

Zonas de la Curva:


1) Convección en Fase única: se aplica calor y la masa de agua se vacalentando.

11) Ebullición nucleada: se empiezan a producír burbujas que seproducen a partir de un núcleo de inicio. Generadas por la acción dedos fuerzas:

- Fuerza debida a la presión: nR2(Pvapor- Plíquido), contrarrestada por la:- Tensión superficial del líquido: 2nRy

nR2(Pvapor- Plíquido)= 2nRy

Pvap - Plíq =.b.'R

Diámetro de los tubos = 60 mmLongitud de los tubos =1,5 m

En 11 se forman burbujas que van hacia la superficie del tubo, a partir delpunto máximo, la aportación de calor disminuye.

nn Ebullición parcial en película: se forman un racimo de burbujas en lasuperficie, hasta que se rompen y forman una película (capa devapor), por mucho que aumenta el calor este no se transmite a lamasa de líquido porque lo impide la capa de vapor.

IV) Ebullición total en película o ebullición por quemado destructivo: elcalor no pasa la capa y se incrementa mucha la temperatura de lasuperficie llegando a destruir el tubo -> ebullición nucleada (111y IV).

Otros tipos de ebullición:

Ebullición en volumen: las burbujas se rompen y no hay posibilidad deformar la película (no hay ebullición parcial).

Ebullición subenfriada: la burbuja que se produce en superficie, se va acondensar dado que la diferencia de T entre superficie e intertor.es muygrande (cuando el diámetro del tubo es muy grande).

Para evitar llegar al punto DEN, no hay que superar una aportación deenergía de:

106 BTU Ih x pie2

1BTU = 252,2 cal = 1055 ]1 pie2 = 0,0929 m2


106 x 1055 J / 3600 s x 0,0929m2 = 3145,5 Kwlm2-no hay que sobrepasareste valor.

Representación de la curva de vaporización en función dediferentes flujos de calor:

T

Aguas bentríada

D strucdón deltubo

2

1

T. del fluido

00/0 . 100%

x = Q% vapor en peso.Q: cantidad de vapor.

1: Flujo de calor moderado2: Flujo de calor alto3: Flujo de calor muy alto


Las calderas se clasifican según cuatro criterios:

1) Según la fuente de calor

- Calderas de Combustión: dentro existe quemador y los humoscalientes transmiten la energía al agua para convertirlo en vapor.

- Calderas de Recuperación: toman una fuente de calor externa.Aplicación: Ciclo combinado:

GasCamara de combustión

Compresor Turbina de Gas

Aire decombustión

Gases calientespara la caldera de

recuperación

GasesCalientes

Economiza or

Caldera


2) Según la disposición de fluidos: gases, agua-vapor.

Pirotubulares: los gases circulán por el interior de los tubos.

FIRE TUBE BOILER

Solo hay ebullición en volumen.

Limitada aun cada de 20 tI h Y P< 20 bar.

Acuotubulares: el agua circula 'por el interior de los tubos.

WATER TUBE BOILER

CalderínSup

Ramafría

Ramacaliente

Pantallaaislante

3) Movimiento del agua-vapor en las calderas acuotubulares:

Circulación Natural.;. el movimiento del agua tiene lugar por diferenciade densidades entras las 2 ramas, P< 140 bar.

Circulación Forzada.;. por bombas P > 190 bar.Circulación Combinada; mezcla 140 < P < 190.


4) En función de la presión de operación:

Subcríticas.;. P < 224,6 bar.Supercríticas: P> 224,6 bar.

TGases

Vapor ¡sobrecalentado:

IIII

VaporSat

Temperaturaagua- vapor

. Agua

sobrecaíentador Evaporador Economizador

Aumento de eficiencia al bajar la Temperatura de salida de los gases.


Caldera Pirotubular

. ., :.•~si~~rfi,6I1li~I~¡~.: ., ;)rIlI~~IÚ1ói,

~~~~~~~

Caldera Acuotubular (Water tube boiler)

Para grandes producciones de vapor' (más de 5 t/h), Circulacióndel agua dentro de los tubos por circulación natural o forzada. Los tubosforman la pared de la caldera. Transferencia de calor por radiación de llama ygases calientes. La mezcla de vapor yagua líquida formada se separa en elcolector de vapor. De allí el vapor va directamente al proceso o pasa por unaturbina.

Natural circuloliol\ necd (hurm;le,;slics

Caldera con circulación natural: Calderas con circulación natural tienenen general muchos circuitos paralelos.



3.1- CALDERAS DE RECUPERACIÓN DE CIRCULACIÓN FORZADA


3.2- CALDERAS DE RECUPARACIÓN DE CIRCULACIÓN NATURAL

.,

Generadores y Motores Térmicos I . 32

3.3- CALDERAS· DE CIRCUALCIÓN NATURAL y FORZADA


3.4- PERDIDAS DE CARGAEN TUBERÍAS

h = Nv.l1!L) 2

p 105

p : Densidad Kgf m 3

G : Caudal, Kgfm 2 h

Nv : Factor de pérdidas de velocidad (adimensional)

A su vez:

Nv= fLD

f : Rugosidad (0,008 a 0,1)

L : Longitud de la tubería, m

d : Diámetro de la tubería, m

Re> 10000Re<2ÓQO,--------~

,,,,,

•.•...,.•.......'"

Re (nOde Reynolds)

::;d~:::'~2=~..(. --==:;-::>.·C:':=n:::JC~;~~-~r- ta.,."ian "<liO';-7.

(jrC\ll.oliIt9 ¡).t.mp

!f:.-=.1.". ~ ,_o Ha.diont "l~cl¡t)n ---L . . .. .. .

Pump" assi .•t 1U circuhuing ~:Jlt~" thrnugh ahulle. wfn"O n~~!uno:ldn:ulal.iün.t;5 r-,e.undr.d by pn.~ssurc 01""(·kv;lfiun.

El calor de los gases de combustión se extrae en el recalentador yeconomizador. Precalentamiento del aire para aumentar la eficiencia.

· . .

Generadores y Motores Térmicos l 34

Ecuación de Circulación

Rama fría(pa, agua)

H Clrruladénnatural

Pantallaaislante

o__________. 0(2)

Rama caliente(pv, agua+vapor)

En la rama caliente se producen burbujas de vapor, que hacen que la densidadde la mezcla agua-vapor de esta rama, sea menor que el agua fría de la ramade la izquierda, por lo que: Pa > Pv. la diferencia de densidades en ambasraqma establece el movimiento de circulación natural,

Balance de presiones:

Ramal 1-2:

Pl P2---+H=-- +ha

g Pa 9 Pa

calderlnInferior

Pi = presión en el punto 1g = gravedadPa = densidad rama fríaH = altura de columna delíquido.ha = pérdida de carga:rozamiento en la rama 1-2

Ramal 2-3:

P2 P3

= + H + hv (2)9 Pv 9 Pv


Sustituyo en (2) en (1):

Pl + Hg Pa= P3+ Hg Pv+ hvg Pv+hag Pa

Como Pi =P3se eliminan. Ec. De Circulación:

Altura geométrica entrelos 2 calderines.Diferencia densidad(dep. de la diferencia deTemperatura)

Pl + H(Pa - pv)= hap, +hvpv(a) (b)

(a) Fuerza de la circulación.(b) Rozamientos.

Cuando aumenta la temperatura, aumenta la diferencia de densidad, aumentala circulación y aumenta la producción de burbujas .

s:~c:'0'ü/O:;~o

Me interesaquedarrne aquí

El rozamientoesta siendo muy

grande paracompensar, y porello disminuye la

producción devapor

Producción de vapor Kg/h

Movimiento de un fluido en el interior de un Tubo.

__ .--V__ ,.--pared móvil'

y

Pared fija

Actúan 2 fuerzas: - Tracción: F= Z*S- Rozamiento: ~(viscosidad)*S(sección)*V/y

2S = ¡J*S*V/y Aumento cortante.

35


2 = fJ*V/Y A medida que la velocidad dentro del líquido aumenta roza, poreso a partir de una cierta velocidad es importante.

Pérdida de Carga ·en Tuberías: Para disminuir la pérdida de carga tengoque utilizar velocidades bajas. (1m /mín.),

36

T T1 TI La circulación está relacionada con lascondiciones de operación en caldera.

Si trabajo a P2y tengo un aumento deconsumo aguas arriba del calderínsuperior, paso de P2a Pl (coe la P y laT es menor con lo que tengo menorproducción de vapor).

P2 f---\¡--~------\

Pl ~~~----~

v

. Aplico más calor para contrarrestar un aumento de consumo. A másconsumo aumenta la presión de operación, y con ello la temperatura ea no quetengo una menor vaporización luego tengo un mayor aporte de calor.

Tengo que tener un sistema de regulación de la caldera que me equilibrelas variaciones de consumo.

Disposiciones de calderas:

¡ 1 1

(tll lb]. le!

Las calderas de circulación forzada tienen una bomba que impulsa elagua. En la rama fría está la bomba que suministra una presión adicional queaumenta la velocidad de la bomba. Si baja el diámetro de los tubos aumenta elcortante. Se utilizan muchos tubos de pequeño diámetro para aumentar lavelocidad y tener una presión adicional.


Circulación natural inclinada o con-tubos verticales en calderas derecuperación de calor.

Los tubos evaporadores constituyen la rama caliente.El economizador, calienta el agua.Intercambio de calor entre los humos calientes y el agua, vapor saturado

que se lleva a el sobrecalentador.

Vapor

Calor-Gases de - i 1combustión ---

Baja la densidad del vapor por ello desciende al calderín.

Circulación forzada: si la presión (presión que se produce al inyectar elagua de alimentación con bomba) del calderín es alto la diferencia dedensidades (Pa-- Pe) es pequeña con lo que la velocidad es pequeña y por ellopongo una bomba en la rama fría, para que me aumente la circulación.

T3

T T1 T2

T3

PlT2

v

a - b: calentamiento hasta Tsat.b - c: líquido-vapor a Tsat, p cte.c - d: sobrecalentamiento a p cte.


Agua dealimentación

Agua condensada

*V,

Sobrecalentado

------- -------·----------r----v,~·saturadO----------[¡ ¡¡ j¡ L _

CombustibleHumos

HumosR

R.cali

frí

®® --------------------------------,

Aire

Precalentador deaire de combustiónpor el interior de lostubos va el humo y

por fuera el aire,

*) Pueden tomar el agua directamente de la alimentación si necesito bajarmucho la temperatura del sobrecalentador.

1) Precalentamiento del agua con vapor.2) Economizador (gases de combustión)3) Calderín superior.4) Calderín inferior.5) Zona de radiación (la que está en contacto directo con la llama).6) Zona de convección (no contacto directo con la llama).7) Sobrecalentador (7.1 y 7.2)8) Atemperador, inyección de agua en la rama de vapor para reducir la

temperatura de la tubería en la que introduzco el agua condensada queal ponerse en contacto con el vapor se vaporiza y el vaporsobrecalentado pasa a tener una temperatura menor.

9) Precalentamiento aire combustión.10) Ventilador.11) Chimenea.


En la tobera se fuerza al vapor a que aumente su velocidad.

SOVO = SlV1SO > 51 -> V1>VOPOVO = P1V1PO > P1

P

v

1 - 2: Vaporización (P y T ctte)2 - 3: Sobrecalentador.3 - 4: Turbina de vapor, expansión del vapor (pérdida de P en vapor).

Necesidad trabajar vapor sobrecalentado/saturado, al sobrepasar lacurva de saturación empiezaa condensar.

P1

PO

De 2 a 2' pierdo vapor (gano agua condensada)

Ilv sobrecal > Ilv saturado

Sobrecalentado: Rendimiento =-lli - h1h3 - h1

Saturado: Rendimiento = h~- hL':"


Cuanto más alta la P y T, tanto para vapor saturado como parasobrecalentado, el rendimiento (11) va a ser mayor.

El sobrecalentador interesa ponerlo lo más lejos posible del foco de calor.

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Interesa que la diferencia de T, en el sobrecalentador entre .Ios gases yel agua sea la mínima posible.

En la caldera hay 4intercambiadores de calor.

iHumos

- Sobrecalentador.- Evaporador.- Economizador.- Precalentador del aire de combustión.


4.1- EFECTO DE LA TEMPERATURA INICIAL DEL VAPOR Y SU PRESÓN, SOBREEL CONSUMO DE CALOR

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Resumen: Un aumento en la presión inicial del vapor de 125 a 245 Kg/cm2,

disminuye el consumo de calor de 4.300 a 4.000 KcaljKwh, equivalente a un7,5%.

Si.aumenta la P y T, el consumo esmenor:

- A medida que aumenta la presión devapor, el consumo ( cantidad deenergía que es necesario aplicar alsistema) es menor.

- A medida que la T de vapor esmayor el consumo específico paracalentar el vapor es menor.

Generadores y Motores Térmicos l , 42

4.2- DATOS DE DISEÑO DE UN SOBRECALENDOR

Las variables que afectan al diseño de un sobrecalentador son:

1.- Temperatura de vapor deseada.

2.- Superñcíe requerida en el sobrecalentador (intercambio de calor entre masa.de humos yagua), para obtener esta temperatura.

3.- Zona dé temperatura de gas en al que se va a localizar-esta superficie.

4.- Tipo de acero, aleación necesaria para fabricar las tuberías ylos soportes(más aleado en la zona de alta temperatura).

5.- Caudal de vapor a circular por los tubos, limitado por la pérdida de presiónde vapor permisible,por eso muchos tubos de diámetros pequeños.

6.- Disposición de la superficie de intercambio (longitud, diámetro, separaciónentre tubos), en particular espacio entre tubos, para evitar la acumulación decenizas y escorias y en caso necesarío, para separarlos.

7.- Diseño físico y tipo de sobrecalentador, considerado como una estructura.


4.3- EFECTO DE LA RECIRCULACIÓN DE HUMOS

ANTES D~ L.6t CA~DERA: la temperatura de la caldera baja .

•>Iª:'<"":,[.. ,', .... . . ....

.·:.:¡:~~t~·.··.•!··········

DESPUES DE LA CALDERA: la temperatura de humos de la caldera semantiene.

43


4.4- TIPOS DE SOBRECALENTADORES

..,.¡

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La transferencia de calor por convección es 'directamente proporcional ala producción de calor. Este efecto se acentúa cuando el sobrecalentador sealeja del hogar (cuanto menor es la temperatura de los humos), es decir cuantomenor sea la temperatura de los humos que llegan al sobrecalentador.

Generadores y Motores Térmicos t 45

4.5- MÉTODOS DE REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR

La temperatura del vapor se puede regular con los sistemas siguientes:

1.- Sobrecalentador autónomo.

2.- Exceso de aire (si el coeficiente es más ajustado, la temperatura aumenta).

3.- Recirculación de humos.

4.- Hogar dividido y dlferendalmente separado.

5.- Combinación de quemadores.

6.- Quemadores orientables.

7.- Atemperación.

¿ Por qué es necesario regular la temperatura del sobrecalentador de vapor?

- Para corregir fluctuaciones causadas por variables de operación.- La causa más frecuente son depósitos de ceniza en la superficie de los

elementos de la caldera y sobrecalentadotes.- La temperatura del vapor está directamente relacionada con el grado de

expansión de los elementos de la turbina.


4.6- MÉTODOS DE REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR

Sobrecalentador autónomo.

V. Saturado . V, SobrecalentadoAire

Aire

1w c: ~ible--"tl:Q ~~(¡)ro :::lE.D-- oro E ~ü8

._.

Combust

Puedo calentar los humos independientemente de la producción de la caldera.

Instrumentación de control

Transmisión depresión

Control de nivel delcalderín

P.T Temp. Vaporsobrecalentado

V. Saturado -] (D)[YCT}--B'----¡-S-C2-}]=------

Vaporsobre calentado

L.T

Calderln

El nivel del calderón esta sometido a las variaciones de consumo.

Aumento del consumo: P2 - P1 , más evaporación, más producción de burbujas,el nivel del calderín sube (subo caudal).

Disminución del consumo: P1 -:- P2, la presión aumenta, disminuye laevaporación, descenso del nivel del calderín (bajo caudal de agua y vapor).

Interesa tener un coeficiente de 0210. más pequeño posible, porque si es alto,más aire se mueve y menor es la temperatura.

Generadores V Motores Térmicos I 47

Las calderas de lecho fluido (CLF) comenzaron a aplicarse a principios de ladécada de los 70 ' s del pasado si§lo para utilizar carbones altos en azufre.

Contaminación por azufre:

32 9 + 32 9 7 ,64 9 50z

50z (g) + HzO (g) + Y2 Oz ~ Hz504 (g), causante de nieblas ácidas.

64 9 de 50z --~--~-> producen .•------> 98 9 de Hz504

1 kg de 50z -------> produce ---------> 1,5 k9 de H2504-

Por lo que 1 kg de 5 da lugar a 3 Kg de H2504

En las CLF puede retenerse el S02 producido mediante la adición de caliza.

En lecho fluido se utlllza un desulfurante, caliza (carbonato cálcico) quese descompone en C03ea (s) +'A2,9 Kcal/ mol -7 CaO (s) + C02 (g)

, Descomposición de la caliza. '

CaO (s) + 50z (g) + V2 o, (g) 7 504 Ca (s) + 72,4 Kcal/mol, Absorción por 50z Y Oz para dar 504 Ca (yeso)

(1) C03 Ca (s) + 502 (g) + 112 O2(g) 7 504 Ca (s) + C02 (g) + 49,S Kcal/rnol

Esta reacción se da en Lecho Fluido, para pasar de 502 (s) a 504 Ca (s).

Contaminación debida al nitrógeno:

También se van a producir óxidos de nitrógeno, que son perjudiciales porencima de 0,5 ppm.

NOx - > 95 % NO- > 5 % NzO + NOz

El nitrógeno procede del mismo combustible o del aire.

En la producción de óxidos de nitrógeno intervienen:

- Contenido en N del combustible.- Presión de combustión, aumenta o disminuye el NOx•- Temperatura, T> 1000 °C, se producen las reacciones.

Generadores y Motores Térmicos 1. 48

La temperatura optlma coincide con la de de desulfuración: 800 - 850 DC

Métodos de prevención de la Contaminación:

a) 502 -7 Control: desulfuración con carbonato ..b) Partículas, materiales sólidos de origen, lnquernados (carbón),

cenizas.Hay que filtrar los gases de combustión, hay dos sistemas:

- . Filtros de mangas.Electrofiltro.

e) NOx, desnitrificación, a medida que el contenido de N delcombustible aumenta, aumenta el NOx.

. .."

En la década de los 90 aparecieron los gases de efecto invernaderos:

C02 -> el que más contribuye por que hay más emisiones, por moléculaabsorbe una cantidad muy pequeña.H20CH4CFC (clorofluorcarbonados): - 5F6

- PFC-HFC hidrofluocarbonados

Consumos y residuos de uranio, carbón y fuel-oil (tabla).

Hitos relacionados con el "efecto invernadero"


5.1-EMISIONES EN ESPAÑA PROCEDENTESDE CENTRALESTÉRMICAS

S02 NOx C02 Partículas

. g/Kwh Kt . g/Kwh Kt g/Kwh Mt g/Kwh Kt

Año 2001

10,3 925 2,7 247 917 81 0,3 31

Año 2006

(a) 3,4 421 2,1 259 640 76 0,2 22

(b) 1,3 166 1,6 191 455 56 0,1 10

Ciclo Combinado

0,007 1,2 350 0,02

a) Escenario de entrada de 11200 Mw de Ciclo combinado.b) Escenario de entrada de 17600 Mw de Ciclo combinado, que

desplazarían por precio a centrales clásicas de carbón y fuel-oil.

Directiva 2001/ 81/ EC de 23 de Octubre; establece para cada país unasemisiones máximas de S02 y NOx, a partir de 2010.

Caso Es añal:

1980 29591990 21822010 774

.% reducción si 1990 - 64%


5.2- CONSUMOS Y RESIDUOS DE URANIO, CARBÓN Y FUEL-OIL

COMBUSTIBLE,

NUCLEARCARBON· FUEL-OIL\

Consumo medio380 9 230 9 4,12 mgpor kWh

Consumo anual 2,5 millones de 1,52 millones de(central de 1000 27,2 toneladasMW) toneladas toneladas

66 barcos de 5 petroleros deTransporte anual 35000 toneladas 300000 toneladas . 3 o 4 camiones

o 23000 vagones más oleoductosde 100 toneladas ,-- .RESIDUOS ANUALES

C02, millones de 7,8 4,7 Cerotoneladas

S02, toneladas 39800 91000 Cero

NOx, toneladas 9450 6400 Cero

Cenizas de filtros, . 6000 1650 Cerotoneladas.Escorias, 69000 Despreciables cerotoneladas

Cenizas volantes, 377000 cero cerotoneladas

RADIACTIVIDAD

Gases, curtes/año 0,02-6 0,001 10000

Líquidos, . cero cero 1100curtes/año13,5 m3 (alta)

. Sólidos despreciable cero 493 m3 (media ybaja)


Efecto invernadero: La tierra recibe radiaciones electromagnéticas quecalientan la superficie y parte de esta se refleja en forma de radiación de menorfrecuencia. Las moléculas de la atmósfera absorben parte de la energía eimpiden que salga y parte es absorbida por los gases de "efecto invernadero", eimpide que salga al exterior con lo que la Tierra se recalienta.

5.3- DESCRIPCIÓN DE LAS CALDERAS DE LECHO FLUIDO

Las centrales de lecho fluido contribuyen a reducir el S02 pero no el C02,

Carbón +Galiza+

Inerte(arena oa1ún:una)

000000000000000000000000

Granosde

carbón

Aire

Si la velocidad de paso del aire es pequeña, el aire pasa por los poros yeste no se mueve (lecho fijo), si la velocidad se aumenta, en un ciertomomento el lecho se expande por la fuerza ascendente que el aire ocasiona,

.Lecho Expandido. Si continúo subiendo la velocidad tengo Lecho' Fluido: laspartículas se mueven y se ve sometido a momento ascendente-descendente. Lacombustión va a ser muy rápida, ya que toda la superficie de la partícula estaexpuesta.

Si continuo aumentando la velocidad: Transporte en Lecho Fluido (fae-p),la partícula se ve arrastrada por los gases, se lleva el transporte a un silo,después lo f1uidizo, es arrastrado por una corriente de aire.

~ Aire, sale por un fiUlo1, de mangas y el

¡----~--' producto queda

dentro

Aire +producto

Generadores y Motores Térmicos ~ 52

Control de la temperatura de combustión con el evaporador, sobrecalentador yeconomizador.

___--t-- Vapor

EVAPORADOR(Absorbe calor)

800 -~85-=-=0.-=-c -j-- Agua..-

Tipos de lechos:

Burbujeante (bubbling): los gases pasan a la vez por el evaporador,sobrecalentador y econornlzador, biomasas con v= 1,2 - 2,5 mis, nodesulfuración. .Lecho Circulante: Cuando parte de los humos se recirculan al lecho, .carbón, con v = 4 - 5,5 mis, se requiere desulfuración, NOx formaciónbaja debido a que la temperatura es baja.

Interesa trabajar con relación Ca/S = % (alto) y Temperatura no superior a 820- 830 0e.

Exceso de aire:

A medida que aumenta la presión, la producción de NOx es menor.A más exceso de aire, más contenido de O2 en los gases, más N y más

NOx producido.A un aumento en contenido de N en el combustible, aumento en la

producción de NOx. .

Interesa trabajar a alta Presión y baja Temperatura ( 800 - 850°C).Con el lecho fluidizado se puede quemar todo tipo de combustible

(material sólido que tenga poder calorífico), por ejemplo: neumáticos, basura,papel. ..

En la parte inferior del lecho se disponen de baquillas para el soplado deaire, hay zonas sin baquilla donde caen las cenizas y se recogen estas.


Las Centrales de Lecho Fluido son unidades de gran volumen pudiendollegar a 30-40 m de altura, con dimensiones de 15mx15m en planta.

La evacuación de cenizas es con cintas transportadoras refriqeradasdebido a que las cenizas salen calientes.

5.4- OPERATIVIDAD DE LAS CALDERAS

CIRCUITOS AGUA-VAPOR EN LA CALDERA

Cuerpos donde se mete el vapor a presiones distintas.

Calentamiento H2 O: - Con humos, economízador,-Con vapor.

A medida que vamos perdiendo presión recalentamos vapor para tenerUn circuito de este estilo:

p

v

Para cerrar el circuito se requiere un enfriamiento del agua que se toma de unrío, de o mediante torre de refrigeración

Caldera


El vapor se expansiona en la turbina, seguidamente se requierecondensarlo, para luego calentarlo con vapor del primario y luego con humos(economizador).

Sistema Aire precalentado: - Para transporte.- Para combustión.

5.5~ CARACTERÍSTICAS DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN DE LAS CALDERAS

Tipo: - De alimentación- Del circuito que circula por el interior de la caldera.

El primer parámetro que hay que eliminar son los sólidos en suspensión.Normalmente se eliminan por filtración (granulometría).

Técnicas de Filtración:

1) Desbaste, filtros de cesta: retienen> 200 urn,2) Filtro de arena-grava-carbón: retienen> 100 urn,

Los filtros de arena son tubos verticales muy largos, a través de ellos pasael agua con la materia sólida que se queda en ella.

Se limpian inyectando aire yagua en sentido contrarío, detecto que estasucio el filtro midiendo la diferencia de presión entre la entrada y la salida.

Si se requiere un gran caudal, son necesarios varios filtros.

Criterio de diseño: 12 -14 m3/h/m2 de área filtrada.

Lechos: - Arena: 0,55 -1 mm de tamaño.- Grava-carbón: 5 -15 mm

EJEMPLO:

Para un caudal de 15.000 m3fh ¿Cuántos filtros de 64 m2 se requieren?

-------- rv 18 filtros13 m3/hfm2 por filtro


Hay que tener en cuenta que un 10-15% estará fuera de servicio por limpieza,por lo que se necesitarían 3 filtros más.

3) Filtros de cartuchos: retienen> 5 urn.

Cartuchos de diámetro 25 mm (l')x 1250 mm long (50'')

Criterios de diseño: 3000 I/h x m long cartucho.3 (m3jh)x1,25m<> 3,75 m3jh x cartucho.

Si hay una determinada perdida de carga se cambian los filtros.

Lo normal es tener filtros de más,de 200 cartuchos.

El filtrado es siempre de fuera a dentro.

4) Filtros de membrana (ultrafiltración):

Retienen > 0,2 um

Son similares a las membranas de ósmosis inversa.

- Eliminación de iones (aniones y cationes) -> ósmosis inversa.

A partir de agua de mar consigo agua dulce con < 100mg/1 de sal, lonormal del agua del mar son 39000-40000 mgjl (TSD= sales totales disueltas).

Principales procesos de desalación: - Intercambio tónico.- Destilación.- Membranas (ósmosis inversas yelectrodiálisis.

Eliminación de aniones y cationes. Modernamente se eliminan por ósmosisinversa.

Principios básicos de la Ósmosis:


Solucióndiluida

Soluciónconcentrada

,,,,,,,i •.

Agua +azucar

tAgua pura

Ósrnosls directa

Presión

,,:,

~ Agua +: impurezas,,I,III

6smosis inversa

PL (presión osmótica)fJ = 22 - 24bar

Sólo pasa agua quedando las impurezas, funciona a expensas de ejerceruna gran presión (70 - 20 bar.).

Balance de masa másico

MEMBRANA

000000

Alimentación y rechazo

000000 ••

Permeado (dulce) ••

La membrana es una poliamida.

Separadormalla

membrana


Alimentación Salmuera (aguaconcentrada en sales)

Membrana DDDODDPermeado

(prácticamente - pura)

El agua se toma a través de un pozo que impide que la materia orgánicapase, no se capta directamente del mar;

Antes de que se introduzca el agua en la membrana hay que quitarletodo lo que pueda ensuciarla ..

Si <latemperatura del agua es baja el rendimiento de la membrana esmenor, las membranas funcionan diferente a distinta temperatura.

5.6- PLANTA DESALADORACON DOBLE ETAPA

Aguadulce Producción

Bomba de alta

Aguasalada·

Bombabooster

Si se quiere dar más rendimiento, se aumenta la cantidad de agua dulceque se produce a partir del agua salada.

5.7-PLANTADA DESALADORACON DOBLE PASO

Cuando lo que se desea es aumentar la calidad del producto en vez dedos etapas se aplican dos pasos:

1er Paso 2° Pas? 100mgll

ProductoProducto

Salmuera Salmuera

r---------------------------------------------------------------------------------Generadores y Motores Térmicos I .58

5.8- PLANTA DESALADORA CON RECUPERACIÓNDE ENERGÍA

Bomba dealimentación . Permeado, pierde presión, pasa

por la membrana.

60-70 bar

Rec azo(58 Obar)

Motoreléctrico

Turbina Pelton (para recuperar la P)puesta en el mismo eje que la bomba.

5.9- ASPECTOSGENERARESDE LAS PLANTAS DE ÓSMOSIS

Se utilizan bombas centrífugas.

El lavado de filtro de arena se hace con agua salada de salmuera que sedevuelve al mar una vez utilizada con un poco menos de la sal que tenía.

Tuberías de mayor presión, son de acero inoxidable, bomba dealimentación.

Tubería de menor presión, son de plástico, salida de la turbina.

- Diseño de una desaladora:

Cálculo de bastidores.

- Producción agua perneada.

GPD (galónjpiéxdia) ·1 GPD = 1,697 I/m2jh

GPD = 3,785 l/galón = 176971/m2jh0,0929 m2jpie2x 24hjd

El valor de GPD oscila entre 8 y 8,5

- Superficie de la membrana, área unitaria: 35 m2

N° de tubos: se agrupan en tubos de 7.

Al lado de cada central térmica que este en el mar tendremos una planta deosmosis.


El consumo eléctrico de las plantas es por las bombas (70% bomba de altapresión) , 3-3,5 kWh/m3 agua producida (desalado).

El trasvase consume unos 2, tiene una pérdida por evaporación grande.Problema: solo aliado del mar, porque el consumo al bombearla subiría

mucho.

NOCIONES DE BOMBAS Y TUBERIAS.

Válvula deregulación '~----------------- ----,

t:::::::=:JVálvula _ :c

antirretorno , Check valve _.

~~lll~In,;~~~":~-------

"'-Filtro de cesta

Aspiración: axialImpulsión: radial

Hs = Ha + Hi

Hm (altura manométrica) = Hg (altura geométrica) + AH (pérdida de carga)

P(kw) = Q(m3/h)xHm(mcda)xyx 9,83600 x flb X flm

Pagua salada = 1,35

PÉRDIDA DE CARGA: FÓRMULA DE DARCY

AH = f(factor de fricciónj], v2

D 2g

interesa que el diámetro se lo mayor posible para que AH sea lo menorposible.


- Flujo laminar f = 64/Re, Re-e 2000, Re = Dxvx (p/IJ)- Flujo turbulento l/Vf = 210glO ((E/3,7D)+ (2,S/ReVf)), Re> 4000

Q = Sv -> 5= nD2/4 -> Q = (nD2/4)v

v= velocidad de paso por el interior de la tubería.

D = V(4Q/nV), diámetro de la tubería.

Cavitación bomba: ruidos y vibraciones producidas por el alabe por faltade aspiración, pueden llegar a destruir el rodete.

NPSH: NET rosmve suenen HEAD (altura neta positiva de succión).

NPSHd (disponible) = Hatm(Patm) - ( Ha(altura aspiracióh)+ Hv(p. de vapor) +·AHtotal)

Bomba por encima del punto de aspiración: Ha> O, disminuye el NPSHd,siempre es mejor que este por debajo ya que Ha-e Oy NPSHd mayor.

NPSHd, se mide en m de columna de agua.

Hatm= Pa(Kg/cm2) = dm3 = 103cm3 = 103 cm<> 10mP(Kg/dm3

) cm2 crrr'

Multiplico por 10 a Pa/p, para obtener metros.

Hv = 10Pv/p,

Para Om -> Hatm= 10,33 mcda.

Cada 300 m la Hatm disminuye 0,37 mcda.

Datos del fabricante: da el NPSH, llamado NPSH requerido que depende de:

- Hz = la altura que tengo en el punto de aspiración.- Va2/2g -> Va= v aspiración del fluido en el punto de entrada del rodete.


Interesa que el disponible sea mayor que el requerido, para que todo vayabien, si fuera menor habría probablemente cavitación: NPSHd>=NPSH r

NPSH requerido = Hz + Va2/2g

Casos extremos, que sean iguales los NPSH requerido y disponible:

10Pa/,y- (Ha + (10Pv/g) + L\Ha) = Hz + Va2/2g

Ha + L\Ha + Va2/2g = 10Pa/p - Hz - 10Pv/p

HT = Ha + L\HaSumo y resto a la ecuación anterior (Va2/2g)

Nota: P=YCdensidad)

IHT = 10Pa/p - NPSHy+ Va2/2g - 10Pv/p

Altura total a la que puedo impulsar una bomba.


EJEMPLO:

Una bomba eleva agua caliente a 90 °e a la altitud de 1000m, lavelocidad en la sección de aspiración es va==1,5 mjs y el NPSH r ==3m.

A 1000m de altitud yagua a 900e tenemos: (tablas)

Tv==0,7149 Kgjcm2

Pa ==9,11 mp ==0,9653 kgjdm3

10 Tvjp== (10xO,7149jO,9653) = 7,406

Pa ==9,11/0,9653 = 9,437 mcda

NPSH r = 3m

Va2j2g = 1,52j2x9,8 = 0,115 m

HT ==9,437 - 3 +0,115 - 7,406 ==- 0,854m altura total a la que puedo impulsarel agua.

HT ==Ha + ~Ha + Va2j2g

Ha + ~Ha ==HT - Va2j2g = -Ó,854 - 0,115 = -0,969 m la"bomba tiene quetrabajar en carga, e,d, con Ha + ~Ha de 0,969 por encima de la línea dereferencia y con una Hz = NPSH r - Va2j2g = 3 -0,115 = 2,885 m ( presión"altura" mínima en la entrada del rodete la puedo calcular con esto).


5.10- VELOCIDADES DEL FLUIDO DENTRO DE LA TUBERÍA

Presión de prueba: Pp = 1,5 Pservicio.

Velocidades que me exige el reglamento:

- vapor saturado: 50 mIs- vapor recalentado: 60 mIs

. - Agua: 5 mIs

El caudal en las calderas se.expresa en Kg/h.

D = ve 4Q/nv)

Necesito saber la T vapor para determinar el Q en m3/h

Kg/h -> m3/hKg/m3

La norma también especifica las velocidades del combustible MIE-AP

- Gas: 30 mIs. - Fuel: 3 mIs

Incluso fija el color del que hay que pintar las tuberías.


5.11- RENDIMIENTO DE LAS CALDERAS

p

5

v

Método directo:

11 :::; fluido producido(Kg/h) (H5 - H1)cantidad combo Consumido (Kgjh)x PCI(KcaIfKg)

11 = trabajo producido (KJ/h)energía aportada

EJEMPLO:

1) ¿Cómo aumentamos el rendimiento de la caldera si pasamos de un 11% deC02a un 13%7

Nota: aumenta el rendimiento si desciende el C02.

Datos:

- Gases: 230°C- Consumo fuel: 300 tjaño- Tambiente: 20°C

11 = k Tg - Ta%C02

Consumo actual = 0,59 230 -20 = 11,263 %11

Consumo previsto :::;0,59 230 - 20 = 9,53 %13


Diferencia: 1,733 %

Ahorro= 300x1,733/100 = 5,2 t/año,

2) Caldera de 3 t/h, produciendo vapor a 10 Kg/cm2 con agua de alimentacióna 60°C.

Purga : 5% de la producción de vapor.

Trabajo al año al 60% de su capacidad 24 h/d, 300 d/año

r¡ medio = 87% con fuel-oil.

Purga: 3000 I/h x 5/100 = 150 I/h

150 I/hx24 h/d x 300dja = 1080'000 l/a -> régimen normal (purga normal)

Al 60% -> 1080000xO,16 = 648000 l/año -> purga real

Estoy purgando menos de 432000 l/año

Como no purgo, no tengo que calentar esta cantidad de agua y es lo queestoy ahorrándome.

0,87 = r¡ = Vk AH = 432 m3/año (181-60) = consumo de fue IcombxPCI 960 x 0,87

AH: variación de entalpía del fluido (agua), la de salida y entrada, son datossacados de tablas.

Consumo fuel = 6,36 t/año de ahora de combustible.

3) Caldera de 6000 Kg/h que trabaja 24 h/d, 250 d/a a 10Kg/cm2, de fuel-oil.

Datos:

- Agua de alimentación a 100 0C, gases a 240 0C.- Con el 13% de C02- Pérdidas por radiación: 0,8%


- Disminuir temperatura humos a 180 0e.

a) Determinar el consumo de combustible.b) Comparar con una disminución de temperatura de gases a 180 DC

(ahorro).

MÉTODO INDIRECTO:

,----------------,I II I

: 11 = 100 - ~h. :I II II I1 ----- 1

--------------------~I ,

[h ::; K· tg - ta .:(C02 + 502) :

I-------~------------~

MÉTODO DIRECTO:

--------------------~,. ,, ,: 11 = Vh (H2 - Hll :¡ FhxPCI :

I~-------------------~

Fuel-oil -> K= 0,59

Método indirecto

~h = pérdidas de calor sensible de los humos más'pérdidas por radiación y convección.

-K = tipo de combustible- tg = T(OC) gases salida- ta = T(OC) ambiente (20DC)- CO2 +502 = porcentaje en gases decombustión.

~Vh = fluido producido (Kgjh)- H2 = entalpía del fluido a la salida (KcaIjKg)- H1 = entalpía del fluido a la entrada (KcaIjKg)- Fh = combustible consumido (Kgjh)- PCI = (KcaljKg)

h = K tg'- ta(C02 + 502)

.= 0,59 (240 - 20) = 9,98%

13

11 = 100 - (9,98+0,8) = 89,22%

11 = Vh (H2 - HllFhxPCI

Consumo comb(Kgjh)= 6000KgLh(663-100)x 24 hjd x250 dja=1656439,1 KgLa0,8922x9600


- Comparación con gases a 180°C

h = 0,59 (180 -20) = 7,26%13

11 = 100 - (7,26 + 0,8) = 91,94%

Consumo comb (Kgjh) = 6000(663-100) x24x250 = 1612696,4 Kg/hO,9194x9600

TRIANGULOS DE LACOMBUSTIÓN

Combustible sólido

1) Determinación del CO2

C + O2 = CO2

lmol-~ lmol12 g -7 44g

46g -~ x = 46x44 = 168,66 peso del gas.. 12

C + 02 = CO2 .1 mal ------------ lmol46 g ------------- x x = 46 moles de CO2

2) Determinar el contenido de 02.

1 mal de 02 -------------- lmol C02 ---------- x = 46 moles de 02

3) Determinación del N2.

46 79 - 37( el combo tiene 02 ) = 13621

136 + 12 (N2 del comb) = 148

Gases: 46 + 148 = 194 %C02 = 46 = 21%194


EJEMPLO:

Determinación CO2máx, 02 máx y CO máx.

CH4+ 202= C02+ 2H20C2H6+ 7/202 = 2C02 + 3H2OC3H6+ 9/202 = 3C02 + 3H2O~HlO + 13/202 = 4C02 + 5H2O

C02: 1x63 + 2x11 + 3x7 + 4x4 + 1 = 124 molesH2O: 2x63 + 3x11 + 3x7 + 5x4 = 192 moles02 est: 2x63 + 3,5x11 + 4,5x7 + 6,5x4 = 222 molesN2= 222x79 +7 = 842 moles

21

Total de moles 1380 moles gases húmedo.Total de moles 1188 moles gases secos.

CO2máx = 124 x 100= 13%1188

Determinación del CO:

CO2= 112 O2+CO, se produce CO y O2

CO: igual número que C02 124O2: 112 62N2 : igual 842

CO: 124 x100 = 13,3%1028

O2: 62 x 100 = 6%1028Total: 1028

13

8,7

Gas

Líquido 16,7 15,4 7,7

Combustible %C02máx %CO máx O2 para eo máx

Sólido 21,8 17,5

12,2 6,0


También se pueden encontrar:

,------- -----.~--_._._._-_._._-


5.12- DISPOSICIÓN DE LAS TUBERÍAS DENTRO DE LA CALDERA

Cálculo de la superficie de intercambio:

q (flujo calorífico) = conductancia x S x Atm= co C (ti - t2) = e ' e' (t ' 2 - t ' 1) =

- S: superficie intercambio (m2)

- q: flujo calorífico (Kcaljm2xhx°C)- Atm: diferencia media de temperatura de los 2 fluidos calientes y fríos.- W: peso fluido caliente (Kgjh)- C: Calor específico del fluido caliente (KcaIjKgOC)

10 Cálculo la superficie total y luego la particularizo para un número de tubos.

~:.

1) Quemadores2) Sobrecalentadotes .3) Caldera4) Economizador5) Precalentador de aire6) Pantalla de la caldera

Cálculo la superficie de intercambio para los siguientes elementos:sobrecalentadotes, caldera, economizador, precalentador de aire.


5.13- CALCULO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS DEL FLUIDO CALIENTE Y FRÍO

CASO 1

Lltm = tI - t2 .Ln((tl - t 'S)/(t2 - t 's))

CASO 2 (corriente paralela, recalentamiento del vapor o

calentamiento de agua en el economizador)

T

Lltm = (tI - t '1l=1t~~Ln((t1 - t 1)j(t2 - t '2))

Lltm = diferencia media efectiva de temperaturas.Llt1 = diferencia inicial de temperatura.Llt2 = diferencia final de temperatura.

CASO 3

T

¡'O',

,

t1

~,

~~~

I f2

Superficie

Lltm = (t1 - t ' 2) - (t~lL-.:.Ln((t1 - t '2)/(t2 - t ' 1))

Generadores V Motores .Térrnicos I 72

Parrilla de Sobrecalentador Caldera Economizador Precalentador aire-Caldera combustible

N° de hileras 2x0=21h" .12x0 = 2 112 \\ . 25x0 ~. 2 V2" 10x0= 2" 53x0 = 2"

Tubos por hileras 23 23 25 + 35 47 53 + 41

Longitud tubos en 18 17,44 18 10 13pies

Disposición hileras . alineados alineado alineado alineados Alineados

Espaciamiento, 6 6 4 3 3pulgadas

S, píes- 542 ' 3150* 10300 2460 14800

Ag, ples? 129 133** 85 42 39,3

Aa, pies? - - - - 70

Temperatura 80entrada aire en °F

Las hileras de tubos como máximo tienen 18 pies.

S: Superficie de calentamiento, * -> 12x23x17,44xnx2,5/12 = 3150 ples- , S = nOtubosxLxn0

Ag: Área libre entre caras de tubos, en ladirección de paso de humos, ** -> Área total del conducto: 18x12 pies,Ag = (18x12) - (23x 17,44x2,5/12) = 133 pies2

· Generadores y Motores Térmicos l. 73

EJEMPLO APLICADO A:

Generación de 250000 Ib/h de:

- Vapor sobrecalentado a 450 psi y 650°F (k= 1332,S)- Agua de alimentación a 220°F (k= 189,2), (valores de entalpíade las

tablas ASME de vapor).- Temperatura de aire después del precalentador de aire: 410°F (210°C).- Combustible: Fuel-oil de 185000 BTU/lb.- Temperatura de entrada de aire: 80. °F- Coeficiente de exceso de aire: 13%

Con estas premisas, se tiene:

Calor absorbido por el agua y el vapor:

2500001/h(1332,5 - 189,2) BTU/lb = 285,8xl06 BTU/h

- Rendimiento: 85,2%

11 = Vp(kg/h) (h2 -h¡)Cc(kg)xPCI

Consumo de combustible = 285,8 x106 = 335,5 x106 BTU/h0,852

- Peso de humos: 304000 Ib/h- Peso de aire: 287000 Ib/h (peso humos - peso combustible).- Humedad de los humos: 6,8%


IJI'¡¡¡!""'-~~,'.~'IBDBI.', .w! ~ IE,"j1KIIR•. _ • - _._oo __ .. _•• __ o.. _ •. ;

La turbina es una máquina de fluido, por ella se transforma la energíainterna del vapor en energía mecánica a través de la energía cinética.

Turbomáquinas: la turbina forma parte de la máquina.

Máquina térmica de fluido compresible: T.V.

TURBINAS TÉRMICAS

- Según fluido: -T. V

-T. G

- Según nOescalonamientos(elemento fijo másmóvil):

- Simple

- Múltiple

- Según tipoescalonamiento:

- Acción

- Reacción

- Dirección fluido:

- Axial: dirección eje

- Radial: perpendicular aleje.- Diagonal: oblicua aleje.

Turbina según nO de escalonamientos:D 1 2

VD S1

P1

V1

Parte fija delestator = tobera

Escalón

~ gira

50VO = SlVlSO> 51VO < Vi

POVO = P1VlPO> Pl -> Pl<PO

P2

VD La turbina esta perdiendo presión aexpensas de ganar velocidad, el vaporimpulsa a la turbina.Parte

móvil =rotar =álabes

••

Escalón: Si solo hay uno el incremento de velocidad sería muy grande y podríadañar a los alabes, por eso hay varios.


- ACCIÓN: La pérdida de presióntiene lugar sólo en la parte fija.La sección a la entrada y salidatiene que ser iguales. La pérdidade velocidad se debe alrozamiento.

TURBINA SEGÚN TIPOESCALONAMIENTO

Fija Móvil

l. ~ (elOCidad/ ~ __ Presión

- REACCIÓN: La presión en la zona dela tobera no varía. En la zona de alabesvaria la sección y la presión.

Fija Móvil

La tobera conduce el vapor al álabe.

T

6

3

Caldera:5-6: Bomba6-1: Economizador.1-2: Vaporización (Ty P, Cte.).2-3: Sobrecalentamiento.

4

3-4: expansión vapor en la turbina.- Parte fija: acción.- Parte móvil: reacción.

4-5: condensación.s

La energía interna del vapor se convierte en energía cinética.


Al pasar el vapor por las toberas de la turbina, se reduce su presión por laexpansión que sufre, aumentando así su velocidad.

Se verifica: Sova = Sl V1; como Sl<so, se deduce que V1>VO, por lo que Pl <Po, yaque también se verifica que pava=P1V1. ESte vapor a alta velocidad que sale dela tobera es el que impulsa a los álabes móviles de la turbina, que girarán.alrededor de su eje.

,

.•.• c2l,' ¡ ¡: ::

U1=U2 ;...o¡! 41-- ~"'-'-~~'

c1U

Yu :;::1/2g (U1Clu - U2C2U) :;:: H, Ecuación de Euler ..

H :;::Altura de éuler I Yu:;:: 2gH IVelocidad periférica del alabe « u: - Ul -t> entrada de vapor

- U2 -> salida del vapor

I Ul :;:: U2 I Ya que los puntos se mueven a la misma velocidad

C1u = componente periférica de la velocidad que lleva el vapor a la entrada dela tobera.

- Salto adiabático (no hay perdida de temperatura):

Salto adiabático teórico:

Salto adiabático real en la tobera:

Generadores y Motores Térmicos I - 77

Comparando ambas expresiones:

I C1= <l>lClt IClt = velocidad teórica a la entrada, en la práctica lavelocidad de salida C1esmenor que Clt debido al rozamiento en las paredes de la tobera fruto delestrechamiento.

<1>1 = coeficiente de pérdida de velocidad, a la entrada ..

C1(real)< Clt ..

El trabaja de rozamiento en la tobera es igual a las pérdidas en la misma:

Trabajo de rozamiento =. 1/2g(c2lt - C21)= C2lt (1 _</>21)/2g

Se define el rendimiento de la tobera como:

11 = <1>21 I. De la misma manera, se define un factor lIJ, que agrupa las pérdidas en

la corona, tal que:

w Velocidades relativas en el alabe: - entrada en los álabes: v«- salida de los álabes: ,W2

Relativas, ya que son las que tendría un espectador que se movierasolidario con el alabe.

Al proyectar sobre la horizontal.

A la entrada:

h = componente vertical

wí = clsenU1_~1


A la salida:

Al pasar el vapor por los álabes de la corona, la velocidad relativa disminuyepor el rozamiento, por lo que a la salida se tienen otras velocidades U2,C2Y W2,que forman los siguientes ángulos:

Tal que: W2= Wl41

6.1- TRABAJO INTERNO TRASMmDO A LOS ALABES

El trabajo interno transmitido a los álabes por un determinado gasto másico Gde vapor en kgjh,se puede expresar como:

Tint = Tadreal- Pérdidas internas(en alabes y a la salida) =

= Tadreal- (Pérdidas en álabes+ Pérdidas a la salida)

Potencia máquina: W = GxT

. 2 2 2 2 2Tint = ~1~ -[ W12 - W~ + ~ 1 = ~r c L _ W 1 -w 22g 2g 2g 2g 2g

La potencia generada en la turbina (sin pérdidas mecánicas) es:

Nint= G [ (C12 - C22) _ (W21- W22)]2g 2g)

Rendimiento interno: Es la relación entre el trabajo interno generado en'lacorona móvil y la entalpía disponible.

Ilint = IinL- . = TinL- = k1- C22) - (W21 -W22)fiiad teórico C21J2g C2t

Estas ecuaciones son válidas exista rozamiento o no y lo mismo para el caso deque se transforme o no todo el salto de entalpía disponible en energía cinética,bien totalmente en las toberas (turbinas de acción) o parcialmente en eldistribuidor de álabes guía y el resto en la corona de álabes móviles (turbinasde reacción).


Según el Teorema de Euler, el trabajo interno es:

Tint = 1!.(Clu + C2u)9

Clu =C1COSal = Wl COS~l +Il »»>Wl= ~lCOSal...:.JJ.- -COS131

C2u=W2 COS132- U = 4.lW1COSI32- U = 4.l (~lCOS01-=--YlCOS132- UCOS131

Tint = 1!.[Cl COSal + 4.lcosf3zl (Cl COSal - u)'g COS131

Sacando factor común a Cl COSal - u

=1!...[ 1 + 4.lcosf3~J (Cl COSal - u)9 COS131

Multiplicando y dividiendo el segundo miembro por cdcl, y

Llamando ~ = !L»> u = ~ C1Cl

Tint = c2))1 + 4Jcos f3~)(cosc¡ - ~)~9 COS131

l1int= Tint = 2g~int = 2g <p2IintTad C~t c~

l1int=2g <p21L(1 + 4.lcos f3U-.-(ci cos al - u) = 2 q>2~ (1 + 4Jcos f3~) (cos al - ~)gC21 COS131 COS131

Dibujando l1int en función de la velocidad periférica u, se obtiene una parábolacomo la de la figura adjunta.

11 Tengo quemoverme en

esta zona

máx

Velocidad de~ embalamientoL- ~ -L _

u = O,turbinaparada

u, velocidadperiferia del álabe

Generadores y·Motores Térmicos I 80

Se observa que el rendimiento se hace cero para u = O, es decir que si lamáquina no gira, evidentemente no da lugar a trabajo y por lo tanto elrendimiento es cero, pero también es cero para:u = C1COSU1= la máquina gira pero no da rendimiento.

El vapor entra sin presionar en el alabe no hay componente periférica C1u= O.

6.2- TRABAJO INTERNO MÁXIMO

Se obtiene derivando la expresión:

Tint = !! [C1cos al + 4J COS(32](e, cos al - u) = !L[ 1 + 4J cos(3l.J (e, cos al - u)g COS131 g COS131

respecto de u:

d Tint = 1(1 + 4J cos(3z)(e, cos al - 2 u)du g COS131

Igualando a cero esta expresión, se obtiene el valor: 2 u = Cl CoS al

Para al = 17°, u = 0,475 Cl

Para al = 22°, u = 0,4635 C1

El rendimiento interno máximo será:

IlintmáxLntmáx---:y-

~1L2g

=

= (1 + 4J cos(3zlcp2 cos2 alCOS131 2

Para obtener un buen rendimiento, es fundamental seleccionar adecuadamenteel Valor ~ = 1L de forma que siempre permanezca en los alrededores del ~máx

Cl


6.3- RELACIÓN ENTRE LAS PRESIONESDEL VAPOR Y EL RENDIMIENTO

El rendimiento depende de 2 tipos de presiones: La del vapor a laentrada a la turbina Pl y la del vapor a la salida de la turbina, P2 . Elrendimiento para ambas presiones varía de la siguiente manera:

T

I----____\' 2

1

í\/1

sEl rendimiento aumenta cuanto másalto este el punto 1 y más bajo el 2.

.Interesa que la Pl sea lo más bajaposible

Interesa que la P2 de sea lo más bajaposible.

. Interesa que la temperatura de entrada del vapor a la turbina sea lo másalta posible ya que el rendimiento aumenta y también al aumentar la presión deentrada, y que la presión de salida sea lo más baja posible, salto de presioneslo más alto posible.

6000e

4000e

Para que Hl - H2 se lo mayor posible.

-Generadores y Motores Térmicos I ·82

Representación en el diagrama (i-S) de un escalón de turbina devapor.

o

A Perdida toberar-----~====~~~--~~~--~

C2 Perdidas mecánicas

2 Perdida salida

.W2 Perdida corona

s

La velocidad de emb, siempre es mayor que ci COSal , porque (¡)1 estádel mismo lado del meridiano que @2 •


EJEMPLO:

1) Determinación del consumo de vapor.

Una turbina de 2500 C.V. de potencia, funciona con un salto adiabático de 160Kcal/Kg, siendo el conjunto de las pérdidas de 60 Kcal/Kg. Rendimientomecánico = 0,9. Determinar el consumo de vapor por hora y por CV/h.

,

1 ~ ~Ql

=i C) 6'oa '" Ql

g C.

s;;¡ CT

1 ------'+ 10 ~o

, --~-> C."

,

\

Pérdidas mecánicas

Pérdidas térmicas

s

~int = Tint = Aud - Pérdidas= leO - 60 = 100 Kcal/Kg

Tr = Tint " = 100xO,9 =·90 Kcal/ h

Pérdidas == Tint- Tr = 100 - 90 = 10 Kcal/h

Cálculo del consumo de vapor:

lCV/h = 75 Kgm/segx3600seg/h xl/427 Kcal/Kgm = 632,3 Kcalfh

Gasto T(trabajo) = N (potencia)

Gasto (K9/h) xT = 632,3 N

Gasto (Kg/h) = 632,3 N = 632,3x2500 = 17555,5 Kg/hT 90

Gasto (CV/h) = G = 632,3 Kcal/h = 7,02 Kg/hN 90 KcalfKg


EJEMPLO: Turbina en acción.

- Rendimiento interno máximo:

Tint = .Y.[(C1 COSa1- u) (1+ 4ICOS(32)]. g COSf31

Trnáx» dT =J,. [1+ 4Icos(3zJ (C1COSa1 - 2ú)dug COSf31

Valor de u¡ que hace que el trabajo sea máximo y por tanto el rendimientoint. sea máximo.

flmáx = Iintmáx =Clt2/2g

(1+ 4Icos(32.J(C21 COSa1 2)COSf31 . 6g

rpnáx = (1+ 4Icos(32.J(p2COSU12)'COSf31 2

f31= f32qméx = (1+ 4IJ (p2COSU12)

. 2- Velocidad Periférica:

u = 2nRnovueltas (m/rnín) = 2nRu (rn/s) = nDu = 349,5. 60 60

TI

C1m= Wl sen f31= Cl senu, f31= f32sen f31= C1m/WlC2 senu, = W2sen senf32; Ilmáxcon velocidades periféricas perpendiculares aleje.


Rendimiento adiabático:

Aadia = Clt2 / 2g = C12 / p22g

T = Aad 11

T

T5 T4 1

1---+::-------T'2

Caldera

Economlzador

s

1

T

Condensador 23

Rendimiento del Ciclo :

11 =Lth - Hs)(H2 - H3}H1 - Hs

H1 - Hs = calor que aplico.H2 - H3 = calor que evacuo con el condensador.

11 = Calor útilCalor aplicado

11 = frh - H2) - (Hs - Hl)H1-HS

. 6eneradores y Motores Térmicos I 86

(Hl- H2) = trabajo útil de la turbina

. (Hs - H3) = trabajo externo que aplico para aumentar la presión del agua deretorno.

P1 = 170 Kg/cm2

P2 = 0,04 Kg/cm2

Ps = 170 Kg/cm2

T1 = 550°CT2 = 28,8 °CTs = 29°C

Diagrama Mollier H1 = 3438 KJ/KgDM H2 = 1945 KJ/KgHs = 137 KJ/KgH3 = 120 KJ/Kg

p

T = 28,8 De

Vapor

Líquido +Vapor

Las H de los vapores son grandes frente a la de los líquidos.

11 = (3438 - 1945) - (137 -120) = 0,46 -> 46%(3438 - 137)


TIPOS DE TURBINAS:

- Con vapor sobrecalentado:

11 =lJ:h - H2) - (H.s: - H1)Hl- Hs

- Con vapor sobrecalentado y rec:¡alentado:

Para evitar la velocidad de embala miento se aumentan las etapas y serecalienta el vapor. .

8

9

4Caldera

8

T

7Economizador

Recalentamiento

\r---------------------~ 9

11 =.Llíi - H7) + (Ha - H9Llli~ - H;Ü(H1 - Hs ) + (Ha - H7)


6.4 - CALSIFICACIÓN DE LAS TURBINAS DE VAPOR SEGÚN LA PRESIÓN DESALIDA

En base a 2 criterios:

1) Diferencia entre P de salida (Pv) y atmosférica (pa).

- Pv<Pa -> Condensación, se da una vez pasado el condensador.

- Caso Particular: Pv = Pa -> Escape libre.

Economizador

Caldera

P = 0,04-0,02Kg/cm'

- Pv > Pa -> Contrapresión, caso típico de Cogeneración: cuando se dedicael vapor a producción de energía eléctrica y otros fines simultáneamente.

Cogeneración:

Economizador

VaporA.P

E. eléctrica

Caldera

Válvulareductor

adepresión

T

M.POtrosusos

11 = k = W + Q2 > 60%Ql

K = coeficiente de utilización de calor (cogeneración).W = turbinaQ2 = calor utilizado por el vapor de M.PQl = cantidad de calor que adiciono a la caldera (consumo combustible).


6.5- CLASIFICACIÓN DE TURBINAS SEGÚN EL NÚMERO DEESCALONAMIENTOS

- Aumento de escalonamientós: para evitar la velocidad de embalamiento.

Escalonamientos= > tobera + alabes= cuerpos <>compound ' sEscalonamientos en el mismo eje: Tandem compound (isób eje).Escalonamientos distinto eje: Cross compound (varios ejes).Cuerpo: hacemos una inyección de vapor a la misma presión.

TANDEM COMPOUND:

3 cuerpos (3 escalones de presión), 2 escapes.

CROSSCOMPOUND:

2 cuerpos, 2 escapes.

Con turbinas TANDEM: 1 alternador, con CROSS, varios alternadores

2 cuerpos, 1 escape.

_Generadores y Motores Térmicos I 90

6.6- CLASIFICACIÓN DE TURBINAS SEGÚN POSICIÓN

¿Dónde ponemos la conexión de la turbina en relación con la red de vapor'

- Antes: SUPERPOSICIÓN: (si quiero aumentar la producción de energíaeléctrica, entonces produzco vapor a más alta presión y tengo queinstalar una nueva caldera y una válvula de regulación de presión porquetengo 2 escalones de presión.

- . Mantengo la misma cantidad de vapor e instalo una nueva turbina aguasarriba de la que tenía para aumentar la presión.

A.P

Turbina

M.P

Condensación

- Después: DE LA UTILIZACIÓN DE"CALOR: (instalo turbina aguas debajode la que tengo).

- DE EXTRACCIÓN DE VAPOR: parte del vapor lo llevo a unsobrecalentamiento, el de media presión (M.P), lo utilizo para otrascosas.

AP

M,P


En cogeneración la totalidad del vapor que se expansiona en la turbina sededica a otros usos.

Sobrecaliento: con humo.Recalentamiento: con el propio vapor.

- Se utilizan los humos de la caldera en:

1) Evaporación.2) Sobrecalentamiento.3) Economizador (calentar H,O hasta T. de saturación.4) Precalentar el aire de combustión.

6.7 USO DE TURBINA EN LA RELACIÓN CON LA COMPRESIÓN

a) Planta de condensación: caso típico de producción de energíaeléctrica.

b) Planta con turbina de condensación y extracción de vapor, laturbina prevalece sobre la extracción de vapor, la extracción vadelante de la turbina cuando lo necesito para otros usos.

e) Planta de contrapresión: el uso de vapor prevalece sobre turbina.d) Planta de contrapresión y extracción de vapor, ambos usos son

prioritarios.

6.8- REGULACIÓN: CONTROL DE TURBINAS

Regulación cualitativa: por control de la presión de admisión con válvulade admisión.Regulación cuantitativa: por regulación de número de toberas activas enla admisión, llamada turbo Admisión Parcial.

G = cttePresión de admisión (po)

Gasto másico (G)


Regulación de Watt: autorregulación.

Paso de vapor~-..Cuando la velocidad de giro es rápida las pesas se juntan y levantan con

lo que se aumenta el paso de vapor por la sección.

Regulación de temperatura de contrapresión ...

jT. Condensación, por extracción de vapor.

Actúo siempre sobre la entrada de la turbina con los reguladores.


6.9- CALDERASCON CICLO DOBLE (Agua - Mercurio)

Ciclo Hg--12 Kg/cm2

532,1°C

34 Kg/cm2

T

T

Sobrecalentador

0,04 !<91cm2----+- 1

Condensador

0,1 Kg/cm2

250°C

Calor vapor. Hg = 299 KJ/KgSalto agua 28,6 °C a 34 Kg/cm2 = 2680Para vaporizar 1 Kg de agua necesito 8,95Kg de Hg = 2680/299 = 8,95 Kg

11 =-.KgJjgLK9J::hO x Wtlg + WH20Kg Hg/KgH20 QHg+ QH20 .

WH20= 3225 - 2066 = 1159 KJ/Kg

QH20= 3225 - 2929 = 296 KJ/Kg

WH9= 364 -254 = 110 KJ/Kg

QHs= 364 - 35 = 329 KJ/Kg

11 = 8,95x110 + 1159 = 0,668,95x329 + 296

11 agua= 110/ 296 = q,37

11 Hs= 110/ 329 = 0,33

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MAQUINAS-TERMICAS - Apuntes 2º ITM