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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA CIENCIAS BASICAS E INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PROCESOS E HIDRAHULICA AUTOMATIZACI~N DE UN TURBOGENERADOR DE VAPOR GENERANDO LA CURVA DE FLUJO MASICO VERSUS MEGAWATTS GENERADOS SEMINARIO DE PROYECTOS I y I1 QUE PRESENTA RAUL EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA PARA OBTENER EL GRGDO ACADEMIC0 DE INGENIERO EN ENERGÍA ASESOR ING. CONSTANTINO AL VAREZ MEDINA México D; F a 13 de Enero de 2000

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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA

CIENCIAS BASICAS E INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PROCESOS E HIDRAHULICA

AUTOMATIZACI~N DE UN TURBOGENERADOR DE VAPOR

GENERANDO LA CURVA DE FLUJO MASICO VERSUS

MEGAWATTS GENERADOS

SEMINARIO DE PROYECTOS I y I1 QUE PRESENTA

RAUL EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA

PARA OBTENER EL GRGDO ACADEMIC0 DE

INGENIERO EN ENERGÍA

ASESOR

ING. CONSTANTINO AL VAREZ MEDINA

México D; F a 13 de Enero de 2000

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Esta obru, ha quetlurlo inscritu en el regktro Público (le1 Derecho de Autor por lo que ningunu purte (le

estú publicución, incluirlo el diseño de I r portutlu , puede ser reproducidu, almucenutlu o transmitirlu en

manera alguna o por ningún medio; ya seu elkctrico, químico, mechico, óptico, de grubación o de

fotocopicr, sin permiso previo del uutor.

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CONTENIDO

Testimonios de Gratitud

Glosario

Capítulo

Capítulo I

Objetivo

Justificación

Introducción

Capítulo 2

2.1 Principios de operación de una turbina

2.2 Turbinas en tándem

2.3 La turbina de vapor

2.3.1 Construcción

2.4 Clasificación de las turbinas

2.5 Toberas

2.6 Paletas o álabes

2.7 Diafi-agmas

2.8 Embolos compensadores

2.9 Discos de Balance

2.10 Cojinetes

2.1 1 Chumacera de empuje

2.12 Empaquetaduras y sellos de vapor

2.13 Reguladores

2.13.1 Reguladores de velocidad

2.13.2 Reguladores de exceso de velocidad o disparador de emergencia

2.14 Lubricación de la turbina

2.15 Instalación de la turbina de vapor

Página

i1

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Capitulo 3

3.1 Condensadores y eyectores

3.2 Clasificación de condensadores

3.2.1 Construcción

3.3 Efecto de aire

3.4 Eyectores

3.5 Auxiliar del condensador

Capítulo 4

4.1 Turbogenerador con condensador

4. l . 1 Procedimiento de arranque de un turbogenerador

4.2 Cuidados durante la operación

4.2.1 Turbina

4.2.2 Condensador

4.2.3 Bomba centrifuga

4.2.3.1 Fallas en el suministro de agua

4.2.3.2 Insuficiente capacidad

4.2.3.3 Presión de descarga baja

4.2.3.4 El motor se calienta

4.2.3.5 Vibraciones en la bomba

4.3 Parar el turbogenerador

Capítulo 5

5.1 Datos de sitio

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

APÉNDICE “A”

APÉNDICE “B”

24

25

25

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TESTIMONIOS

DE

GRATITUD

-

Ten presente que nadie sin afán y ardua fatiga supo arrancar las palmas de la gloria

- I1

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A Dios.

Le pedí a Dios dinero para ser feliz

Dios me hizo pobre paru ser sabio

Le pedí a Dios una vida tranquila y sin preocupaciones

Dios me dio una vida dljkil llena de problemas para tener carácter

Le pedí a Dios ser insensible a los problemas de los demás

Dios en la parte más interna de mi ser me dio el Don de la compasicjn ante el suj-imiento de

los demás para adquirir nobleza

Pedí todo para disjkutar de la vida

Me concedió vida para disj-utar de todo

Incluso lo q1;e no pedí se me concedió

I11

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A mi asesor

Ing. Constantino Alvarez Medina

Le agradezco la confianza, el apoyo, y su paciencia para la realización de mi tesis que

simboliza un logro muy preciado, y el echo de haber creído en mi.

Asi como la comunicación correcta, Juida, respetuosa y sencilla que usted tuvo hacia mi,

con lo cual se creo una atmósfera agradable en la que pude plantear mis dudas. Es usted una

persona de grandes conocimientos y cualidades, quisiera destacar, cultivar y no olvidar por

el resto de mí vida una cualidad muy especial que usted posee; esta cualidad es: "Que sin

importar que tan erudita sea una persona en cierta área del conocimiento, la sencillez, y un

trato respetuoso engrandece aún más a la persona".

En el breve lapso que convivi con usted profesor ha influido en mi vida marcando para

siempre mi existencia. Como en alguna ocasión le dije personalmente usted es mi modelo a

seguir.

AI Dr. Eduardo CarriIlo Hoyo

Le agradezco su apoyo y comprensión, así como la oportunidad de permitirme seleccionar el

tema y a mi asesor de seminario de proyecto para que pudiera terminar mis estudios de

licenciatura.

IV

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AI Instituto Mexicano del Petróleo.

Agradezco a la institución su confianza y apoyo, y de una forma muy especial al Ing. Rodolfo

del Rosal por su cortesía y confianza al encausarme en mí vida profesional al permitirme

resolver un problema de la industria real.

AI Ing. Rubén Mancilla y a la Ing Luz María Chávez Islas por su trato siempre cortés y

cordial creando una atmósfera de confianza en la cual pude sugerir comentarios para el

desarrollo de mi tesis.

A la Comisión Federal de Electricidad

AI Ing José Francisco Rodriguez Morales.

Le agradezco el apoyo que me brindo para la realización de mi tesis. Así como la

comunicación correcta, jluida, respetuosa y sencilla que usted tuvo hacia mi persona. Jamas

olvidare su manera sencilla y respetuosa de tratar a su personal demostrándome a mi, sin

saberlo que la jerarquía en un puesto nos responsabiliza aún m& a ser cortes, educado y

sencillo en nuestro trato con los demás.

V

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GLOSARIO

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G L O S A R I O

Condensación. La condensación del vapor, es el proceso contrario a la evaporación,

en otras palabras es la transformación del vapor en agua. El vapor, sin importar su

presión y su temperatura, siempre tiene la tendencia a condensarse. La diferencia de

temperatura entre el vapor y las tuberías, o entre las diversas partes de la maquina

tienden a condensarlo. La expansión del vapor dentro de la maquina también tiende a

condensarlo. En el primer caso, eso constituye una perdida, pero en el segundo, se

esta obteniendo un trabajo mecánico. De esto deducimos la importancia de calentar

las tuberías principales antes de poner en servicio la maquina. Con respecto a lo

segundo, mientras más se expansiona el vapor se obtiene una mayor cantidad de

trabajo mecánico, es por esto la tendencia a usar las mayores presiones y

temperaturas iniciales que permita el equipo, y también el máximo vacío en el

condensador.

W ' Eficiencia. Es el cociente entre el trabajo real dividido por el trabajo ideal --

W

Energía. La energía se define como la capacidad de efectuar un trabajo y por lo

mismo, se mide en las mismas unidades que el trabajo. La idea de energía como se

usa en conexión con una maquina, debe entenderse perfectamente. Las maquinas usan

la energía de los combustibles para poder desarrollar un trabajo. Para esto, la energía

del combustible debe pasar por ciertas formas y sufiir ciertas transformaciones. De lo

anterior se deduce que existen dos formas principales de energía que son cinética y

potencial manifestándose en cuatro formas:

1) Química ( Energía potencial a nivel molecular )

2) Calorífica ( Energía cinética que la sustancia tiene a nivel molecular )

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3) Mecánica( Energía cinética potencial macroscópica )

4) Eléctrica (Energía potencial de los electrones)

Entropía. Ea entropía (S) es una medida directa de la aleatoriedad o del desorden del

sistema. En otras palabras, la entropía describe el grado en que los átornos, ías

moléculas o los iones se distribuyen, en forma desordenada, en una región dada del

espacio. Mientras mayor sea el desorden en el sistema mayor será la entropía.

Para resumir este análisis: un estado ordenado tiene una probabilidad baja de ocurrir y

una entropía pequeña, mientras que un estado desordenado tiene una probabilidad alta

de ocurrir y una entropía grande

0 Los valores de entropía que se registran para las diferentes sustancias se dan para

1 atm y 25 O C, estos valores se denominan entropías estándar ( S O )

0 Tanto la entropía de los elementos como la de los compuestos son positivas ( esto

es, So >O).

Las unidades de la entropía son J/k ó J k m o l para un mol de una sustancia (ya que los

valores de entropía por lo general son muy pequeños, se usan joules más que

kilojoules)

Ssólido < Slíquldo << sgas

La entropía absoluta es el valor verdadero y no un valor derivado usando alguna

referencia arbitraria de una sustancia a 25°C y esta dado por AS o Sf donde AS y Sf

son: AS = Sf-Si

Presión. La presión de un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal

ejercida por el fluido por unidad de área de la superficie. Si la fuerza se mide en

newtons y el área en metros cuadrados, la unidad básica de presión en el SI, es el

VI11

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newton por metro cuadrado o Nm’, llamada Pascal y cuyo símbolo es Pa.. En el

sistema ingles, la unidad más común es la libra fberza por pulgada cuadrada (psi)

El torr es la presión equivalente a I mm de mercurio a 0°C en un campo gravitacional

estándar y es igual a 133.322 Pa.

Otra unidad de presión es la atmósfera estándar (atm). Corresponde aproximadamente

a la presión promedio ejercida por la atmósfera terrestre al nivel del mar y se define

como 101,325 Pa, 101.325KPa o 0.101325 MPa.

El bar, unidad del SI es igual a 105Pa, que es aproximadamente igual a la atmósfera.

En la practica, presiones mayores y menores que la presión atmosférica se determinan

por medio de un medidor de presión o sea un manómetro, la presión manométrica

generalmente está en kg/cm2 o sea kilopond (Kp). El manómetro marca la diferencia

entre la presión de interés y la presión de la atmósfera circundante.

Así que, para encontrar la presión absoluta, cuando esta es superior a la atmosférica,

se añade la presión atmosférica a la lectura del manómetro; esto es:

Presión Absoluta = Presión atmosférica + Presión manométrica

Si la presión absoluta es menor que la presión atmosférica, a la lectura manométrica

se le llama presiónde vacío o vacío. En este caso, la presión absoluta se obtiene de:

Presión absoluta = Presión atmosférica - Presión manométrica

Potencia. Defmimds la potencia como la razón a la que se efectúa el trabajo aquí

consideramos solamkte la potencia mecánica. La potencia promedio P desarrollada

por un agente que ejerce una fuerza particular sobre un cuerpo es el trabajo total

efectuado por esa fuerza sobre el cuerpo dividido por el intervalo de tiempo, o sea P =

W -

t

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dw dt

La potencia instantánea P producida por agente es P = ~- ,donde dw es la pequeña

cantidad de trabajo efectuado en el intervalo infinitesimal de tiempo dt .

J La unidad de potencia en el SI es el joule por segundo ( -- ), llamado Watt (abreviado S

W ) Está unidad recibe su nombre en honor a James Watt ( 1 736-1 8 19). En el sistema

ingles, la unidad de potencia es lfi.lb/s, aunque generalmente se usa una unidad más

practica, el caballo de fuerza (hp), para describir la potencia de aparatos tales como

motores eléctricos, motores de automóvil etc. Un hp es por definición igual a

550fi.lb/s, que equivale a unos 746 W

W Rendimiento. Es el trabajo ideal entre el calor admitido __

QA

Temperatura. De acuerdo con la teoría cinética, la temperatura es una medida de la

energía cinética media de traslación de la molécula (en virtud de la transferencia de

energía de la sustancia al termómetro); pero desde el punto de vista macroscópico, la

temperatura de un cuerpo en su estado térmico es considerada con referencia a su

poder de comunicar calor a otros cuerpos.

Trabajo. Definimos el trabajo W efectuado por la fberza sobre la partícula como el

producto de la magnitud de la F y la magnitud del desplazamiento S a través del cual

actúa la fuerza.

Escribiremos esto así: W = F S

La unidad de trabajo en el SI es lnewtón-metro llamado también ljoule (abreviado J).

En el sistema ingles la unidad de trabajo es la libra- pie. En el sistema cgs la unidad

de trabajo es ldina-cm, llamado también 1erg.Usando las relaciones entre el newton,

X

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la dina, y la libra, y entre el metro, el cm, y el pie obtenemos 1 joule = 10’erg =

0.7376 ft-lb

El trabajo es una cantidad escalar, aunque las dos cantidades involucradas en su

definición, fuerza y desplazamiento sean vectores. El trabajo debe ser expresable

como un producto escalar. Definimos el producto escalar de dos vectores como la

cantidad escalar que hallamos cuando multiplicamos la magnitud de un vector por la

componente de un segundo vector a lo largo de la dirección del primero.

W = F*S

Vapor. Es el nombre que se da a una fase gaseosa que esta en contacto con la fase

líquido que esta en la vecindad un estado en el que parte del mismo puede

condensarse.

Se trata de un gas imperfecto, de manera que la simple ecuación de estado PV = RT

No representa su comportamiento excepto cuando sus moléculas están lo

suficientemente separadas para que ejerzan poca fuerza unas sobre otras y ocupar

poco espacio (baja presión)

Vapor saturado. Siempre que un vapor este en contacto y en equilibrio térmico con

su líquido, el vapor saturado y el líquido, será líquido saturado. Si se conoce la

temperatura o la presión, el valor de la que se desconozca puede determinarse con

tablas o gráficas ( previa información experimental). Todo vapor del que se diga que

su calidad es de 100% es únicamente vapor saturado. Finalmente sí se suministra más

calor al vapor se elevara su temperatura y aumentará su volumen, diciéndose que el

vapor está recalentado

Describiéndolo a partir de la regla de las fases, para un sistema de un componente y

dos fases en equilibrio por ejemplo agua y su vapor, la P y T son propiedades

XI

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dependientes, y sí P se mantiene constante y la T varia o la T permanece constante y

la P varía, desaparece una de las fases. Así que una propiedad intensiva define el

estado, es decir, que una propiedad intensiva podría variarse independientemente y

todavía habría dos fases. Por esta razón un sistema de 2 fases es univariante (o

monovariante)

Vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado es aquel cuya temperatura es mayor

que la de saturación. Si hay equilibrio térmico estable dentro del vapor recalentado,

éste no puede contener líquido. Para defmir el estado de un vapor recalentado,

generalmente establecemos la presión y la temperatura. A menudo se habla de los

grados de recalentamiento, que es la diferencia entre la temperatura real del vapor

recalentado y la diferencia de saturación para la presión existente.

Describiéndolo apartir de la regla de las fases, en un sistema gaseoso, el numero de

variantes o grados de libertad es de dos, y el sistema se dice, que es divariante, la

especificación de dos propiedades intensivas (P, T) pueden variarse

independientemente sin modificar el estado o fase 1 de una sustancia gaseosa.

XI1

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Capítulo 1

La búsqueda de la verdad es más hermosa que la verdad misma.

(Albert Einstain)

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Objetivo.

Automatización del cálculo de la generación de energia eléctrica en diferentes tipos de

turbogeneradores de vapor empleando las curvas de qperación de los distintos

turbogerleradores utilizados.

Justificación.

Dentro del instituto mexicano del petróleo (IMP), se est& realizando estudios energéticos

en los sistemas de fuerza y vapor de complejos de producción de PEMEX - refinación,

donde existen tanto turbinas para accionar bombas, compresores etc., como

turbogeneradores de vapor para generar la energía eléctrica (E.E) requerida por el

complejo de refinación. Al principio para estimar la E.E generada por esta turbomaquina . se consideraba una eficiencia promedio recomendada en la literatura. Sin embargo, este

supuesto en la realidad trae consigo cierta incertidumbre ya que la eJiciencia que sé esta

considerando se puede alejar de la eficiencia verdadera correspondiente a la capacidad a

la que se esta operando la maquina lo cual puede provocar que el flujo que se alimenta al

turbogenerador no sea el adecuado y que en un momento dado este valor sea mayor al

calculado; quedando cortos los requerimientos de los generadores de vapor.

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3

Una meta importante de la ingeniería es proyectar sistemas que realicen las conversiones

deseadas entre los distintos tipos de energía.

Para aprovechar mejor la energía, los sistemas mejorar? continuamente su diseño y con

esto se ha incrementado la eficiencia de cada uno de los procesos.

Los procesos que tiene lugar en los sistemas de generación de potencia son altamente

complicados y se precisan idealizaciones para desarrollar modelos termodinámicos

adecuados. Tales modelos son muy importantes en la etapa inicial del diseño técnico.

Por lo tanto este trabajo, se aboca principalmente a la determinación de la eJiciencia

óptima en un turbogenerador, así como su procedimiento de arranque y paro.

La obra abarca también los aspectos de los componentes de un turbogenerador, dando un

cuidadoso tratamiento a cada una de las partes mecánicas que constituyen una turbina de

vapor, explicando lo más detalladamente posible los cuidados de esta maquinaria.

Continuando con el condensador, en donde se desarrollan los temas de construcción,

efectos del aire, claslJicación, así como también menciona en forma clara y precisa los

auxiliares del condensador.

Posteriormente se cubre el tema de los turbogeneradores, dando especial énfasis a la

puesta en marcha del turbogenerador, así como los cuidados necesarios durante la

operación de este en las áreas de la turbina, condensador y bombas centrifugas,

Bnalizando esta sección con el paro del turbogenerador.

Ademús como se va avanzando en el trabajo se proporcionan los valores de sitio del

turbogenerador, el desarrollo teórico que se da para determinar la eficiencia óptima

facilitando los cálculos por medio de la realización de un programa con el cual se

automatiza el proceso

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Capítulo 2

El destino no esta sujeto a la ciega fatalidad; si asífuese, el hombre no habría sido dotado de inteligencia,

voluntad y de consciencia.

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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MUEGAS MONTES DE OCA

2.1 PRINCIPIO DE OPERACION DE LA TURBINA.

El vapor que viene del sobrecalentador entra en una tobera fija donde se expande,

obteniéndose un chorro de vapor con gran velocidad. Esta energía cinética del vapor

se utiliza para impulsar loa Qlabes de la turbina.

Cuando las toberas están montadas en la carcaza y a l chorro de vapor se le dirige

contra la paleta del rotor, se le denomina turbina de acción. Si la tobera está montada

en el rotor y tiene movimiento libre, se le denomina turbina de reacción. A las

turbinas que aplican ambos principios se les denomina de acción - reacción.

En centrales termcreléctricas convencionales es común que las turbinas tengan varias

etapas o pasos, y que el primer paso de la turbina de presión sea de acción y los pasos

restantes de reacción

Para regular el flujo de vapor de la turbina y con esto la energía térmica suministrada

se utiliza una válvula reguladora, conocida como válvula gobernadora y el sistema

que maneja esta válvula se le denomina gobernador de la turbina.

2.2 TURBINA EN TANDEM.

Con el fin de aprov.echar al máximo la energía del vapor y tener la mejor eficiencia se

utiliza lo que se conoce como ciclo con recalentamiento. El cual consiste en tomar el

vapor que ya trabajó.en la turbina de presión alta y recalentarlo. Con este proceso se

logra tener la misma temperatura del vapor sobrecalentado pero a una presión más

baja y un volumen especifico mayor. Este vapor se utiliza en una segunda turbina que

trabaja a menor presión. El vapor que sale de esta segunda turbina tiene aún suficiente

energía térmica para trabajar en una tercera turbina, diseñada para operar a presiones

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catowJwruv UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA

6

y temperaturas menores que las anteriores. La ubicación en serie de estas turbinas

sobre un mismo eje o flecha se le denomina turbinas en tándem.

2.3 LA TURBINA DE VAPOR.

La turbina es la más simple, la más eficiente y la más compacta de las maquinas

motrices que usan vapor. Estas condiciones, son el resultado de una gran cantidad de

experimentos y pruebas que se han hecho en diseños y materiales. Comparada con

otras máquinas, tiene las siguientes ventajas:

Ocupa poco espacio.

Es ligera de peso

Requiere poco personal para su operación

Permite el uso de altas temperaturas y presiones

Tiene gran capacidad de sobre carga

Muy buena regulación

Su funcionamiento es relativamente silencioso y sin vibraciones

Entre sus desventajas podemos citar:

La necesidad de tener un equipo de condensación, ya que sin é1, el gasto de vapor

sería excesivo y su eficiencia disminuye, cuando trabaja en condiciones distintas para

las cuales ha sido disefiada

El campo de aplicación de las turbinas es muy amplio, no solamente las encontramos

en turbogeneradores hasta de 200,000 KW, sino como maquinas motrices de bombas

y ventiladores desde 1 hasta 1,500 HP

,

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7

La turbina es una maquina en donde suceden una serie de transformaciones de

energía: al entrar el vapor a alta presión ( energía interna), se expansiona en una serie

de toberas o paletas adquiriendo una gran velocidad ( energía cinética) y al chocar

con una rueda de paletas móviles produce la rotación del eje ( trabajo o energía

mecánica).

2.3.1 CONSTRUCCI~N.

La turbina de vapor tiene cuatro partes principales:

Las partes fijas

l . Las partes móviles

2. Sistema de control

3. Sistema de lubricación

4. Las partes fijas son:

a) La envolvente, tambien llamada cilindro, en la que interiormente van instaladas

las:

l . Toberas

2.Válvulas de admisión

3. Paletas o alabes fijos

4. Diafragmas

5. Sellos y obturadores

b) Los cojinetes, que van instalados en el exterior de la envolvente.

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El rotor, constituye la PARTE MOVIL PRINCIPAL, en algunas turbinas es un eje al

que van montadas unas ruedas sobre las que vienen instaladas las paletas móviles y

en otras, es una especie de tambor al que se fijan directamente las paletas.

El sistema de control está formado por las válvulas y reguladores necesarios para

variar la cantidad y presión del vapor a su entrada a la turbina. El sistema de control

puede ser tan simple como en pequeñas turbinas que solo tienen una válvula de

admisión, o sumamente complejos en las grandes unidades en que sistemas

hidráulicos regulan constantemente la velocidad de la turbina de acuerdo con las

variaciones de carga.

El sistema de lubricación suministra el aceite a los cojinetes. Este sistema también

varía de acuerdo con el tamaño y el servicio de la turbina; en pequeñas unidades

consta del deposito de aceite y unos anillos de lubricación, en la mayor parte de las

grandes turbinas el mismo aceite de lubricación a presión se suministra a cojinetes y a

los reguladores del sistema de control. El sistema esta formado por:

a) La bomba principal, accionada por el mismo eje de la turbina

c) El tanque

d) Los filtros

e) El enfriador de aceite

f) Una bomba auxiliar accionada por un motor eléctrico u otra turbina auxiliar, que

suministra aceite al arrancar o parar la maquina, en caso de falla de la bomba

principal

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2.4 CLASIFICACIóN DE LAS TURBINAS.

Las turbinas de vapor están clasificadas en dos grupos principaíes de acuerdo a la

folrna en que utilizan la energía del vapor, y son:

1 .TURBINAS DE IMPULSION

2.TURBINAS DE REACCIóN

En las turbinas de impulsión, la expansión del vapor se efectúa en una serie de

pasajes fijos llamados toberas, en ellas su presión se reduce, pero a cambio adquiere

uTla gran velocidad, siendo esta velocidad la del chorro de vapor lo que impulsa el

rotor, al chocar con la rueda de paletas montada en el mismo. Un ejemplo sencillo de

este principio, lo vemos en los reguiletes de los niños que giran al impulso de una

corriente de aire.

En la turbina de reacción, la expansión del vapor ocurre tanto en las ruedas de paletas

móviles como en las ruedas de paletas fijas, las cuales tienen una forma especial que

se asemeja a las toberas. Primero tenemos una rueda de paletas fijas, montada en la

envolvente en donde el vapor se expansiona en la misma forma en que las toberas de

la turbina de impulsión, al salir de estas paletas el vapor choca contra las ruedas de

paletas móviles, montada en el rotor, haciéndolo girar; las paletas móviles son de una

forma especial que dan cierta aceleración al vapor, el cual al salir de ellas les dá un

empuje adicional, este principio, que se llama de reacción puede observarse en los

aspersores usados para regar jardines.

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Apoyándonos en las ideas generales que acaban de exponerse, es posible establecer

una clasificación sintética de las turbinas de vapor

I. Según la dirección del movimiento del vapor respecto del rodete pueden

distinguirse:

a) Turbinas axiales, cuando el vapor se desplaza dentro del rodete siguiendo una

dirección sensiblemente paralela al eje de rotación;

b) Turbinas radides, cuando esta dirección es sensiblemente perpendicular al eje

citado;

c) Turbinas tangenciales, cuando el vapor es conducido tangencialmente al rodete

(de un modo análogo a como el agua incide sobre una rueda Pelton). La corriente

de vapor dentro del rodete se desplaza a la vez axial y radialmente.

IL Según el modo de actuar el vapor en el rodete se clasifican en:

a) Turbinas de acción, cuando el vapor se expansiona únicamente en órganos fijos

(directrices), y no en los móviles (rodete), de modo que la presión sobre las dos

caras de éste es la misma;

b) Turbinas de reacción, cuando el vapor se expansiona también en el rodete, de

modo que la presión del fluido a la entrada en éste es mayor que a la salida;

c) Turbinas mixtas, ( de acción y reacción), cuando una parte de la turbina esta

construida como de acción y la otra parte como de reacción.

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111. Por é1 numero de escalonamientos se distinguen:

l. Turbina de rodete único;

2. Turbinas de varios rodetes. Según el modo de establecer los escalonamientos hay:

u) Turbina con escalonamiento de presión;

b) Turbinas con escalonamiento de velocidad;

e) Turbina con escalonamientos de presión y de velocidades.

IV. Por el número de álabes sobre los que incide la corriente de vapor pueden

distinguirse:

1. Turbina de admisión total, cuando el vapor llena por completo toda la corona de

álabes

2. Turbinas de admisión parcial, cuando el vapor incide solamente sobre una parte de

dicha corona.

V. Por las condiciones del vapor de escape de la turbina, pueden estas clasificarse en:

1.

2.

3.

4.

Turbinas de escape libre, si el vapor sale directamente a la atmósfera;

Turbinas de condensación, si el vapor pasa a un condensador;

Turbinas de contrapresión, Cuando el vapor de escape es conducido a

dispositivos especiales para su ulterior utilización, por ejemplo, para calefacción;

en estas turbinas, la presión del vapor de escape es esencialmente superior a la

atmosférica; y

Turbinas combinadas, cuando un parte del vapor es sustraída a 1 maquina antes de

su total utilización, y conducido a otros dispositivos en los que se emplea para

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calefacción u otros usos; el resto del vapor continua su evolución dentro de la turbina,

desde la que pasa al condensador o a la atmósfera.

VI. Por el estado del vapor (presión y temperatura del mismo) antes de entrar a la

turbina pueden distinguirse:

1. Turbina de vapor vivo, cuando el fluido pasa directamente desde la caldera a la

maquina.

2. Turbina de vapor de escape, cuando utilizan la energía contenida en el vapor

procedente de otras máquinas, generalmente del émbolo con escape libre; y por

último

3. Turbinas de vapor saturado.

4. Turbinas de vapor recalentado, que no necesitan definirse especialmente

2.5 TOBERAS.

En su forma más simple una tobera, es un orificio con entrada y salida redondeada, en

donde la presión del vapor se convierte en velocidad. Las toberas pueden hacerse

directamente en la parte correspondiente a la envolvente o de los diafiagmas o pueden

venir en placas que se insertan en sus alojamientos respectivos. Se usan en turbinas de

impulsión.

2.6 PALETAS O ALABES.

Las paletas de la turbina están echas de materiales resistentes a la corrosión y a las

altas temperaturas. Existen infinidad de diseños no solamente por lo que se refiere a

la clase de servicios de la turbina en la que van instaladas, sino también en la forma

en que van fijadas al rotor o envolvente. Para dar mayor resistencia y evitar

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vibraciones del empaletado, se usan aros de reherzo hechos fijos a los extremos de

las paletas.

Las causas que pueden ocasionar fallas de las paletas son:

1 . Materias extrañas dejadas en la turbina después de una reparación o que se

introduzcan por defecto de los separadores.

2. Materiales defectuosos

3. Mala instalación

4. Vibraciones

5. Corrosión

6. Arrastre de agua de la caldera, etc.

La forma de la paleta para las turbina de impulsión y para las turbina de reacción son

diferentes.

2.7 DIAFRAGMAS.

Se usan entre pasos sucesivos de las turbinas de impulsión y sirven como alojamiento

en las toberas y para prevenir el paso de vapor por otro lado que no sean las mismas

toberas. Generalmente son unos discos cortados en dos partes a lo largo del eje del

rotor, y hechos fijos a la envolvente de la turbina. Entre los diafragmas y el rotor

existe un empaque del tipo laberinto.

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2.8 EMBOLOS COMPENSADORES.

En todas las turbinas de reacción, existe un empuje, que tiende a mover el rotor hacia

el lado de baja presión. Para balancearlo parcialmente, en el lado de alta presión, el

rotor tiene una saliente, o puede ser un disco montado en el mismo que recibe

interiormente la presión del vapor de entrada y del lado exterior está comunicado a

una parte de baja presión. Entre este disco émbolo compensador y la envolvente de la

turbina también existe un empaque de tipo laberinto. El empuje de la presión de vapor

compensa en parte el empuje de la reacción. L a chumacera de empuje absorbe el resto

de este esfuerzo. Las turbinas de impulsión no necesitan émbolos compensadores.

2.9 DISCOS DE BALANCE.

Para evitar vibraciones, especialmente en turbinas que trabajan a altas velocidades, se

montan al rotor unos discos llamados de balance en donde pueden alojarse y quitarse

ciertos pesos que permiten balancearla dinámicamente.

2.10 COJINETES

El rotor de la turbina está soportado por dos cojinetes principales instalados en la

parte exterior de la envolvente. Dado que los huelgos entre los sellos y el eje, y entre

las paletas y la envolvente son sumamente reducidos, los cojinetes deben estar

alineados cuidadosamente y libres completamente de desgaste con objeto de

mantener el rotor en su posición correcta evitando así daños, a sellos y paletas. En

pequeñas turbinas se usan ocasionalmente cojinetes de bolss. Otro tipo, que

podríamos llamar de manguito, es el usado con mas frecuencia; pueden ser lubricados

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por uno o más anillos que giran junto con el eje y cuya parte inferior está sumergida

en el depósito de aceite Todas las demás turbinas usan cojinetes lubricados con aceite

a presión.

La carga que soportan los cojinetes principales es exclusivamente el peso del rotor,

por lo que se diseñan de suficiente tamaño para que los esfuerzos sean moderados en

cada punto del cojinete. Sin embargo si el rotor no está perfectamente balanceado, los

cojinetes estarán sujetos a vibraciones considerables que pueden sobrecargar los

cojinetes principales- consisten de dos medios cilindros revestidos interiormente con

metal antifiicciór:, todo el conjunto está alojado en una caja que a su vez está

soportada por asientos esféricos. En el metal antifiicción se hacen una serie de

muescas o patas de araña que sirven para distribuir el aceite a lo largo del cojinete en

cantidad suficiente que impida el contacto entre el eje y el cojinete; prácticamente el

eje queda flotando en el aceite.

El suministro de aceite a los cojinetes, no solamente tiene por objeto lubricar los

mismos, sino el mantenerlos a la temperatura correcta de operación. Elflujo de aceite

a los cojinetes es tan importante, que el operador debe vigilarlo constantemente.

Cada uno de los cojinetes tienen instalados un termómetro, una mirilla de inspección

y su correspondiente manómetro. La falta de aceite funde el metal antifricción del

cojinete.

2.11 CHUMACERA DE EMPUJE.

En la parte correspondiente a los émbolos compensadores, vimos que en las turbinas

de reacción existe im empuje a lo largo del eje (llamado axial) hacia el lado de baja

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presión; aunque teóricamente en las turbinas de impulsión no existe este esfuerzo, en

la práctica siempre se forman fuerzas que tienden a desplazar el rotor axialmente.

Para absorber estos esfuerzos y mantener el rotor en su posición correcta con respecto

a las partes fijas de la turbina, se usan las Chumaceras de empuje.

En pequeñas turbinas, hasta de 100 H P , los cojinetes de bolas o rodillos pueden

usarse para este servicio. En turbinas auxiliares, como las instaladas en bombas y

ventiladores, y también en grandes turbinas de impulsión, los mismos cojinetes

principales tienen una superficie saliente en sus extremos, que recibe el empuje de un

collar montado en el eje del rotor, sirviendo como chumacera de empuje; entre estas

dos superficies, existen unas muescas por donde penetra una cantidad suficiente de

aceite para lubricación y enfriamiento.

El tipo más común de chumaceras de empuje usado en las grandes turbinas es el

llamado Kingsbury, básicamente consiste de un collar asegurado al eje del rotor y de

unos segmentos fijos de forma parecida a riñones que absorben los empujes a través

del collar. Estos segmentos están construidos e instalados de tal manera que pivotean

ligeramente permitiendo formar una película de aceite entre ellos y el collar; el

empuje total está repartido entre los segmentos que generalmente son seis, y tienen

una cara revestida de metal antifricción.

2.12 EMPAQUETADURAS Y SELLOS DE VAPOR

En los lugares por donde el eje del rotor sale de la envolvente, es necesaria la

instalación de empaques; en el lado de alta presión, para impedir fugas de vapor a la

atmósfera y en el lado de baja presión para evitar la entrada de aire y por consiguiente

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pérdida de vacío. Los empaques se usan también entre los émbolos compensadores, y

la envolvente, y entre los diafiagmas y el rotor. Los empaques rnecbnicos pueden ser

de los siguientes

tipos: de laberinto en donde el vapor se va estrangulando en varios pasos hasta

reducir su presión, o pueden ser unos anillos de carbón en contacto directo con el eje,

o puede ser una combinación de los dos mencionudos.

En las turbinas más grandes, aparte de los empaques de laberinto se usan SELLOS

DE VAPOR que trabajan de la siguiente manera. Existen pequeñas tuberías que

suministran vapor a un punto intermedio de los empaques de laberinto; en el lado de

baja presión, este vapor se dirige después a lo largo del eje en dos direcciones que

son:

1. Hacia afuera impidiendo la entrada de aire y descargando a la atmósfera por un

respiradero o a un colector de condensado

2. Hacia adentro descargando dentro de la envolvente, en el lado de alta presión, el

vapor después de pasar por los sellos, o se descarga a un paso intermedio de la

turbina donde puede efectuar algún trabajo o suministra el vapor necesario para

los sellos de baja presión.

2.13 REGULADORES

Existen en la actualidad una gran cantidad de diseños de reguladores de acuerdo con

el tamaño y el servicio que presta la turbina. En el caso de Plantas Termoeléctricas,

los reguladores instalados son los siguientes:

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2.63.1 REGULADOR DE VELOCIDAD

Este regulador sirve para controlar y mantener una velocidad constante de la turbina a

pesar de las variaciones de carga; consta de tres elementos principales:

a). El ELEMENTO SENSIBLE a los cambios de velocidad, que es del tipo de

pesos centrífugos y de impulsor hidráulico.

b). El VARILLAJE o mecanismo que transmite los movimientos a las válvulas de

vapor.

c). Las VALVULAS DE CONTROL que controlan y regulan la cantidad de vapor

que entra a la turbina.

La regulación de la turbina es en si, el control de la entrada de vapor a la misma,

puede hacerse de las siguientes maneras:

a).Por una sola válvula de admisión; como en pequeñas turbinas auxiliares.

b).Variando el número de toberas en servicio en el primer paso, este sistema es más

eficiente que el primero y se usa f'recuentemente en turbinas de mediana y gran

capacidad.

c). Admitiendo vapor en pasos intermedios.

Los reguladores de velocidad automáticos de las turbinas modernas trabajan

utilizando el sistema de reguladores hidráulicos llamadas también válvulas piloto.

El fluido es el aceite, que suministra la bomba principal no solamente al sistema de

lubricación, sino también al gobernador.

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Los reguladores de velocidad también tienen u11 cambiador de velocidad que puede

actuar de la forma siguiente:

a). Modificando la tensión de un resorte.

b). Modificando el varillaje que conecta el elemento sensitivo con las válvulas de

control de vapor

Este cambiador de velocidad puede ser activado a mano por el operador de la

máquina, pero también por medio de un motor reversible accionado desde el tablero.

El cambiador de velocidad es necesario no solamente para poner dos unidades a

trabajar en paralelo, sino también para distribuir la carga entre los generadores.

2.13.2 REGULADOR DE EXCESO DE VELOCIDAD O DISPARADOR DE

EMERGENCIA.

Este regulador es un elemento esencial en cualquier tipo de turbinas ya sean grandes

o pequeñas. Generalmente es un disco excéntrico montado sobre el mismo eje que

acciona el regulador de velocidad y que se mantiene separado del disparador por la

acción de un resorte. Cuando por alguna razón existe una falla en el regulador de

velocidad, ésta aumentará considerablemente y entonces ia fuerza centrífuga hace que

el disco venza la presión del resorte y entre en contacto con el disparador, que a su

vez deja libre una válvula de retención que cierra la entrada de vapor, En los

reguladores hidráulicos el disparador hace que una válvula corte el suministro de

aceite a un servomotor que también cierra la entrada de vapor al faltar dicha presión

de aceite.

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2.14 LUBRICACION DE LAS TURBINAS.

El sistema de lubricación de las turbinas, es relativamente sencillo y sin embargo, una

de las partes más importantes y vitales para la operación de la misma, las turbinas

trabajan a grandes velocidades y en caso de falla del sistcma de lubricación, los

cojinetes se destruirán antes de que el rotor deje de girar.

El sistema más simple de lubricación es el usado en pequeñas turbinas, que usan

anillos de lubricación; estos anillos están sumergidos en un depósito de aceite, y la

rotación del eje los 5ace girar suministrando el aceite a los cojinetes, en los cuales

van instalados.

Los únicos cuidados que hay que tener con este sistema, es el vigilar constantemente

el nivel de aceite en el depósito y el reemplazarlo periódicamente.

En las turbinas grandes el sistema de lubricación es del tipo de circulación a presión,

el aceite lubricante en este sistema tiene tres fimciones:

1). Lubricación de cojinetes.

2). Enfriamiento de cojinetes.

3). Suministra el fluido para accionar los reguladores hidráulicos.

El sistema consiste de las siguientes partes:

a). Una bomba principal accionada por el eje del rotor y generalmente del tipo de

engranes, esta bomba toma el aceite del tanque y lo descarga a presión: ( 1 ) a través de

un orificio regulador al sistema de reguladores y (2) a los filtros, válvulas reductoras

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de presión, enfriador de aceite y luego se distribuye a los cojinetes, de donde regresa

al mismo tanque.

b). Una bomba auxiliar que suministra el aceite al sistenla durante el arranque y, paro

de la máquina en caso de emergencia.

El sistema se complementa con termómetros, manómetros y mirillas de inspección.

El aceite lubricante en las turbinas, está sujeto a muy severas condiciones de servicio,

debido al efecto del calor, el aire, contaminación de agua y de materias extrañas. El

calor puede reducir su viscosidad al grado que lo haga inapropiado para esta clase de

servicio el aire puede causar su oxidación y la formación de espuma, que causa

corrosión de las partes internas de la turbina y en el caso de los reguladores puede

afectar su funcionamiento; la contaminación con agua es lo más fiecuente que puede

presentarse, esta agua puede venir por fugas de vapor en los sellos, condensación de

la humedad del aire o por fugas de agua en los enfiiadores; el aceite en presencia de

agua forma una emulsión, que no solamente resta sus propiedades lubricantes, sino

que también causa corrosión; la contaminación de materias extrañas puede ocasionar

obstrucciones en las tuberías del sistema y mal funcionamiento de los reguladores.

Algunas de estas dificultades se eliminan usando medios adecuados de ventilación en

el tanque, y aceites apropiados que contienen substancias antioxidantes, pero la

cuidadosa vigilancia que el operador preste a la temperatura y presión del aceite y la

limpieza de filtros y enfriadores dará los resultados más satisfactorios.

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2.15 INSTALACION DE UNA TURBINA DE VAPOR.

Básicamente la disposición y la instalación de una turbina de vapor consta de io

siguiente:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7 .

Cimentación.

Conexiones del cabezal de vapor a la máquina.

Conexiones de descarga al condensador.

Tuberías de extracciones, (En algunas turbinas.

Tuberías auxiliares, tales como:

a). Purgas.

b). Vapor a los sellos u obturadores.

c). Aceite, etc.

Conexiones a instrumentos y controles.

Circuitos eléctricos para el generador y excitador.

Las turbinas pequeñas y las máquinas que mueven se montan generalmente en una

base metálica, la que a su vez se instala en una cimentación apropiada que es un

bloque de concreto. Las turbinas principales, están soportadas por pedestales debajo

de los cojinetes principales, sirviendo la envolvente como un puente entre ellos. Los

pedestales a su vez descansan sobre una adecuada cimentación. Como el vapor

después de trabajar en la turbina descarga hacia abajo, al condensador, tos soportes

deben estar espaciados suficientemente para que permitan la instalación del

condensador, tuberías de extracción, ducto de aire para enfriar el generador, ducto

para tos cables eléctricos, etc.

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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLECAS MONTES DE OCA

Las tuberías de vapor que vienen del cabezal de alta presi6n se instalan considerando

su expansión, dando cierta flexibilidad a sus soportes y proveyéndolas de purgas de

condensado.

Uno de los daños más serios que pueden sucederles a las ttubinas, es el recibir una

masa de agua arrastrada con el vapor y qlJe choque con las paletas en movimiento;

existen unos cedazos que impiden la entrada de materias extrañas a la máquina. La

instalación consta también de trampas de vapor en las diversas lineas. No existe

tubería de descarga de vapor de la máquina al condensador, se conecta directamente

con bridas a la máquina; algunas veces estas bridas tienen una junta de expansión,

dependiendo de la forma que se usa para soportar el peso del condensador. Pudiera

decirse que el condensador está colgado de la turbina.

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Capítulo3

Ningún problema por d@cil que sea, Sera superior a nuestra fuerza y,

competencia para resolverlo

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3.1 CONDENSADORES Y EYECTORES.

El condensador sirve para mantener un vacío y recobrar el agua de alimentación. El

mantener un vacío adecuado es de suma importancia porque permite una mayor

expansión del vapor que ya hemos explicado, resulta en una obtención mayor de

trabajo mecánico. En otras palabras, si para una misma cantidad de vapor se obtiene

mayor cantidad de trabajo, la eficiencia de la turbina se aumenta proporcionalmente.

El recobrar la mayor cantidad de agua de alimentaci6n se explica por sí sólo.

Cuando decimos Il.:;,L"O nos estamos refiriendo a presiones menores que la presión

atmosférica, y que >e expresan en milímetros de mercurio.

3.2 CLASIFICACION DE CONDENSADORES.

Los condensadores pueden clasificarse en dos clases principales:

1. CONDENSADORES DE CONTACTO.

2. CONDENSADORES DE SUPERFICIE.

Los CONDENSAQORES DE CONTACTO son aquellos en los que el vapor y el agua

de enfriamiento se mezclan directamente. Este tipo de condensador no lo tenemos en

las plantas y no trataremos de él.

Los CONDENSADORES DE SUPERFKIE son aquellos en los que el agua de

enfriamiento llamada de circulación pasa por el interior de unos tubos y el vapor se

descarga en la parte exterior de ellos originándose la condensación.

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Este tipo de condensador que es el que tenemos en las plantas, forma junto con la

caldera y el turbogenerador, los tres elementos principales de cualquier planta

termoeléctrica.

3.2.1 CONSTRUCCION

En la construcción de condensadores encontramos diferentes clases de diseño de

acuerdo a las ideas particulares de cada fabricante, con relación a la disposición de los

tubos, la forma de asegurarlos a las placas, etc. En general la envolvente se construye

de acero o fierro fundido con las aberturas necesarias para la entrada de vapor,

conexiones al sistema de agua de circulación, conexiones para instrumentos y

generalmente tienen una válvula de alivio instalada en la descarga de vapor que sirve

para protegerlo en caso de presión excesiva.

Los tubos del condensador son fabricados de una aleación de cobre y níquel y son

todos del mismo tamaño, están instalados de tal manera que permitan que el vapor

fluya libremente entre ellos. Están fijos en sus extremos a placas de tubos y

soportados con cierto huelgo por una o más placas intermedias.

La parte inferior del condensador forma el depósito de agua (hotwell) que es donde se

acumula el condensado y de donde lo aspira la bomba. Para que el agua condensada

no salga demasiado fria, ya que después tendrá que volverse a calentar antes de entrar

a la caldera, la disposición de los tubos también permite que parte del vapor entre en

contacto con el condensado para darle suficiente temperatura. Estos condensadores

son llamados regenerativos.

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EupmJ* U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA

Los condensadores están conectados directamente al escape de la turbina y pueden

estar instalados de las dos maneras siguientes:

a) Fijos a la turbina pero soportados en su parte inferior por resortes, o

b) Prácticamente colgando de la turbina pero usando una junta flexible.

3.3 EFECTO DEL AIRE.

Existe siempre la posibilidad de que cierta cantidad de aire y otros gases “no

condensables” se filtren dentro del condensador. El origen de estas filtraciones es

numeroso, pueden venir con el vapor de la caldera, a través de los sellos, juntas,

bomba de condensado, válvula de alivio, etc.; estos gases ocasionan una pérdida de

vacío, no solamente porque forman una “capa aislante” en la superficie de los tubos

que impide la transferencia de calor, sino que su presión se suma a la existente dentro

del condensador. Aunque una constante vigilancia puede reducir al mínimo estas

filtraciones, siempre existirá una pequeña cantidad que tiene que estarse eliminando

constantemente.

3.4 EYECTORES.

El objeto de los eyectores es eliminar los gases no condensables principalmente aire

que se filtra a los condensadores.

La manera en que funcionan los eyectores es la siguiente: se inyecta vapor a presión a

una tobera, este chorro de vapor arrastra los gases y juntos entran al difusor y luego a

un condensador en donde el vapor se condensa y los gases que están a una presión

mayor que la atmosférica se descargan por un tubo a la atmósfera. Este es el caso de

un eyector de un solo paso que se usa para instalaciones pequeñas.

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uNlVER!3IDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA

En Plantas Termoeléctricas frecuentemente se instala un sistema de eyectores de dos

pasos, en este caso la mezcla gases-vapor que sale del primer eyector descarga a un

condensador intermedio, donde el vapor se condensa, los gases libres son absorbidos

por el segundo eyector y juntos con el vapor son descargados a otro condensador, en

donde el vapor se condensa y los gases a suficiente presión pueden escapar a la

atmósfera por el correspondiente respiradero.

El vapor para los eyectores generalmente se toma de la línea principal de vapor y se

pasa por una válvula reductora de presión antes de llegar a ellos. El agua de

circulación para los condensadores de los eyectores se torna de la línea de condensado

que viene del condensador principal. El condensado de los eyectores se descarga al

condensador principal.

3.5 AUXILIARES DEL CONDENSADOR.

Los condensadores necesitan esencialmente de dos bombas:

l . La bomba de condensado

2. La bomba de agua de circulación.

La bomba de condensado en Plantas Termoeléctricas es casi siempre del tipo

centrifugo, aunque la cantidad de condensado varia con la carga, las bombas son

generalmente de velocidad constante, entonces el control de flujo del agua, en cargas

pequebas, debe hacerse de cualquiera de las siguientes maneras:

a) Extrangulando hasta ciertos limites la válvula de descarga de la bomba.

b) Recirculando el condensado. Esto se hace automáticamente por medio de una

tubería de paso lateral que va de la descarga de la bomba al depósito de agua del

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A 29

WIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MUECAS MONTES DE OCA

condensador, en donde existe una válvula controlado por un flotador.

Las bombas de circulación también son centrifugas accionadas por motores eléctricos

de velocidad constante. La bomba, el motor que la acciona y las tuberías del sistema,

son de los mayores que encontramos en la Planta.

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30

Capítulo 4

El ignorante envidia al intelectual, Al imaginarse que la sabiduria se encuentra solo en los libros.

No puede comprender, que ella es el saber que esta al alcance de todos,

Y les da el verdadero conocimiento sin llegar a envanecerlos.

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3 1

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO Y I u E c A S MONTES DE OCA

4.1 TURBOGENEADOR CON CONDENSADOR

El procedimiento más general para poner en marcha el conjunto turbogenerador y el

condensador es el siguiente; primero el sistema de condensación y circulacih, luego

el sistema de lubricación y finalmente la puesta en movimiento de la turbina.

4.1.1 PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE DE UN TURBOGENERADOR

1. Asegúrese que los depósitos de aceite de lubricación de las bombas de condensado

y circulación estén a su nivel correcto.

2. Verifique el nivel de aceite en el depósito del sistema de la turbina.

3. Abra todas las válvulas del sistema de condensado, sistema de circulación y las

purgas de condensado del cabezal, tuberías de vapor, envolvente de la turbina.

4. Verifique que esté cerrada la válvula de alivio de descarga a la atmósfera y

perfectamente sellada.

5. Establézcase la circulación de agua en el condensador, cerciorándose del

funcionamiento de la bomba, revisando el sistema general.

6 . Ponga en marcha la bomba de condensado, debe tenerse especial cuidado en no

bombear todo el condensado del condensador, recirculándolo a través del mismo o

regulando la válvula de descarga de la bomba, de manera que siempre exista un

sello de agua en el condensador.

7. Ponga en operación los eyectores y ciérrense las purgas de la envolvente que

corresponden a los pasos que trabajan en vacío. Observe el vacuómetro para

cerciorarse que se empieza a hacer el vacío.

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U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA

8. Ponga en marcha la bomba auxiliar de lubricación de la turbina y cerciórese que

circule aceite por los cojinetes a la presión adecuada

9. Se abren las válvulas de vapor a los sellos u obturadores observándose que escape

vapor por sus chimeneas Correspondientes.

10. En cuanto se ha obtenido un cierto vacío, se admite vapor rápidamente, de

acuerdo al sistema de admisión de vapor que tenga instalado y en cuanto el rotor

empieza a girar se vuelve a cerrar. Cuidadosamente trate de detectar vibraciones,

ruidos o roces en la envolvente, cojinetes y sellos u obturadores.

11. Si no se observa ninguna vibración, ruido, etc. vuélvase a admitir vapor para que

empiece a girar el rotor, aumentando gradualmente la velocidad. En este momento,

algunas veces es conveniente verificar el funcionamiento del disparador de

emergencia.

12. La velocidad de la turbina se va aumentando gradualmente de tal manera que no

alcance su velocidad normal en menos de media hora. Frecuentemente se

recomienda dejar la turbina girando a un 15% de su velocidad normal por unos 15

o 20 minutos para permitir un calentamiento parejo de todas sus partes. Si durante

el periodo en que se aumenta la velocidad se notan vibraciones, reduzca la

velocidad para seguir calentando, en caso de que las vibraciones sean excesivas,

corte el suministro de vapor e investigue la causa antes de seguir adelante.

13. A medida que la turbina va adquiriendo velocidad, su bomba principal de

lubricación empieza a suministrar el aceite a presión, la bomba auxiliar puede irse

estrangulando poco a poco, hasta que se deje fuera de servicio. Con la presión de i

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"R" - UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO FTLLEG4.Y MONTES DE OCA

aceite, los regJladores de velocidad y de emergencia entrarán en filncionamiento.

Verifquese su operación y regúlese la velocidad con el dispositivo de control.

14. Cuando la temperatura de aceite de los cojinetes llega a 450 "C., suministre agua a

los enfriadores de aceite.

15. Ciérrense las purgas de la envolvent3, cuando por ellas empiece a salir vapor

seco.

16. Regúlese el vapor a los sellos y eyectores para una buena operación.

17. Aplíquese la carga gradualmente, sincronícese de acuerdo a las instrucciones que

se dan más adelante

En turbinas con extracciones, ábranse y gradúense de acuerdo a la carga y clase de

servicio.

4.2 CUIDADOS DURANTE LA OPERACION.

El trabajo del operador durante su turno, es en sí un trabajo de supervisión, para esto,

debe conocer las lecturas correctas para cada carga, saber interpretar cualquier

variación que observe y reportar inmediatamente al jefe de turno o superintendente de

la planta, cualquier ruido extraño o lecturas incorrectas que observe en los

instrumentos. Es importante recordar los siguientes puntos durante la operación de un

turbogenerador.

4.2.1 TURBINA.

l . A intervalos regulares verifique la presión y la temperatura del vapor.

2. Vigilar constantemente el flujo, presión y temperatura de aceite a los cojinetes. El

aceite debe estar siempre limpio, libre de agua y sin formar espuma. Vigilar los

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UNrvERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA

filtros y enfriadores. El aceite sucio debe ser pclrificado y la cantidad que se pierde

debe ser restituida.

3. Si en cualquier momento, la turbina tiene que pararse por sobrecalentamiento de

los cojinetes, debe dejarse correr a poca velocidad hasta que se enfiíen un poco

evitando que el metal antifricción se funda con el metal del eje del rotor.

4. El tanque de aceite debe estar todo el tiempo bien ventilado para eliminar los

vapores húmedos que ocasionan corrosión en todas las partes en contacto con el

aceite. Algunas instalaciones tienen un pequeño ventilador que forza aire dentro

del tanque y los vapores salen por un RESPIRADERO en el lado opuesto.

5. El vapor a los sellos u obturadores debe estar regulado para que siempre exista un

pequeño escape por las chimeneas correspondientes. Normalmente a cargas bajas

el vapor que toma de la línea principal de vapor, a cargas altas, el vapor de los

sellos de alta presión pasa a los de baja presión con el fin de economizar vapor.

6. Es recomendable nunca aplicar grandes cargas a la turbina en forma repentina,

pues esto puede ocasionar arrastres de agua de la caldera con el consiguiente daño

a la turbina, en virtud del golpe de ariete sobre las paletas, o bien se oxidan.

7. Las turbinas están diseñadas para que trabajen suavemente y sin vibraciones.

Cualquier vibración debe ser inmediatamente investigada. Si una turbina empieza

a vibrar y al mismo tiempo se escuchan ruidos sordos, indudablemente se están

produciendo arrastres de agua o alguna materia extraña se ha introducido a la

envolvente, en este caso debe accionarse inmediatamente el disparador de

emergencia. Cuando después de esos ruidos se escuchan otros metálicos, debe

,. . .

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c3p9mJ'1yyI UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLEANA R EDUARDO I'ILLEOS MONTES DE OCA

suponerse que parte del empaletado ha sido dañado y la turbina tendrá que abrirse

e inspeccionarse antes de intentar poner la nuevamente en servicio.

8. Las vibraciones en las turbinas pueden ser originadas por otras causas, tales como:

a). Alineamiento incorrecto entre la turbina y el generador.

b). Desgaste de los cojinetes o que estén sueltos en s u alojamiento, en este caso se

notará un considerable aumento de la temperatura, rozamiento en las partes

interiores, etc.

9. Observar que los reguladores trabajen suavemente y que co existan fugas de aceite

en sus diferentes partes. Verificar la velocidad constantemente observando el

taquímetro.

10. Resulta peligroso alterar la tensión de resortes o modificar el ajuste de cualquier

parte del regulador de velocidad y emergencia.

1 1 . Los accidentes de las turbinas se deben generalmente a cualquiera de las

siguientes causas:

a) Fallas en el suministro de aceite de lubricación.

b) Exceso de velocidad debido a que el regulador de emergencia no trabaja

correctamente o est6 mal ajustado.

c) Rotura del empaletado debido a fatiga del material o que se trabaje a

temperatura y presión que no estén de acuerdo con el diseño.

d) Rotura del empaletado por arrastres de agua o materias extrañas que se

introduzcan a la turbina,

e) Puesta en marcha de una turbina que no ha sido calentada correctamente y tiene

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sa5pwrJw U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLnANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OC4

su rotor deformado.

Aunque algunas de estas causas indican que pueden ser defectos de diseño o

constmcci6n, debe suponerse como poco probables. La mayoría de ellas pueden

evitarse manteniendo una buena vigilancia durante la operación de la unidad.

4.2.2 CONDENSADOR.

1. Es importante vigilar constantemente las siguientes temperaturas: entrada y salida

del agua de circulación, tanto en el condensador como en el enfriador de aceite,

agua condensada en el depósito del condensador y en los condensadores del

sistema de eyectores, las siguientes presiones: vapor a los eyectores, vacío del

condensador, aspiración y descarga de las bombas de condensado y de circulación,

diferencia de presión entre la entrada y salida del condensador, descarga de los

eyectores.

2. Es importante mantener el vacío del condensador lo más alto posible. Las causas

más frecuentes de pérdida de vacío son:

a) Excesiva entrada de aire, por sellos, juntas, válvulas o bomba de condensado

b) Funcionamiento incorrecto de los eyectores

c) Nivel incorrecto del agua condensada en el condensador.

d) Insuficiente flujo de agua de circulación.

e) Alta temperatura del agua de circulación.

f) Tubos sucios del condensador.

3. Las causas de pérdida de vacío y las maneras de evitarlas nos resumen en sí los

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UNIVERSJDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA

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cuidados de operación de los condensadores.

4. Para evitar filtraciones de aire, manténgase bien regulados los sellos, la válvula de

alivio de descarga a la atmósfera deberá tener constantemente agua en sus sellos y

vigilar constantemente todas las juntas del conderlsador y sus auxiliares,

5. Regular la presión de vapor a los eyectores para la carga actual y vigilar el escape

de los gases por el respiradero de su condensador.

6. El nivel de agua condensada en el condensador debe mantenerse en constante

vigilancia, para esto el depósito de agua tiene un nivel exterior. Debe recordarse

que un nivel excesivo no solamente ocasiona pérdidas de vacío sino puede hasta

causar daños a la turbina. Vigílese el funcionamiento de la bomba.

7. El flujo del agua de circulación debe ser apropiado. Para esto vigílese el

funcionamiento de la bomba, manténgase limpio todo el sistema; tubería, cedazos,

rejillas, etc.

8. Los condensadores deben limpiarse interiormente periódicamente.

9. La pureza del condensado debe verificarse con regularidad con los medidores de

conductividad instalados en la línea de condensado (Micromax). Estos aparatos

nos pueden indicar cualquier fuga en los tubos del condensador.

10. Con respecto a los eyectores, aunque hemos dicho que necesitan poca atención

durante su operación, las siguientes causas pueden investigarse si se nota que no

trabajan satisfactoriamente.

a) Insuficiente agua de enfiiamiento a sus condensadores.

b) Toberas obstruidas.

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wmdrulw U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO WLLEGAS MONTES DE OCA

c) Condensadores inundados

d) Baja presión del vapor.

e) Presión excesiva de contradescarga.

4.2.3 BOMBAS CENTRIFUGAS

Tanto la bomba de condensado como la bomba de circulación son del tipo centrifugo.

En las plantas, estas bombas están movidas por motores eléctricos de velocidad

constante. Es importante recordar que en este tipo de bombas, cualquier variación en

la velocidad produce variaciones tanto en la capacidad, presión de descarga, como en

su potencia. Las dificultades más comunes que pueden presentarse en una bomba

centrífuga y sus causas, las enumeramos a continuación.

4.2.3.1 FALLAS EN EL SUMINISTRO DE AGUA.

Esto puede deberse a que la bomba no ha sido cebada; poca velocidad; entrada de aire

en la tubería de succión; alta contrapresión en la descarga; impulsor obstruido o roto;

dirección de rotación invertida, o aspiración de más de cinco metros.

4.2.3.2 INSUFICIENTE CAPACIDAD

Filtraciones de aire en la succión; poca velocidad; impulsor parcialmente obstruido;

desgaste en algunas de las piezas de la bomba; válvula de alivio mal cerrada o mal

ajustada; tubería de aspiración de diámetro pequeño; aspiración de más de cinco

metros.

4.2.3.3 PRESION DE DESCARGA BAJA.

Baja velocidad; aire en el agua; defectos mecánicos tales como: impulsor daiíado,

empaques gastados, etc.,

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U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R EDUAlWO M U G A S MONTES DE OCA

4.2.3.4 EL MOTOR SE CALIENTA.

Velocidad excesiva; carga menor que la de régimen; defectos mecánicos; bombeando

demasiada agua.

4.2.3.5 VIBRACIONES EN LA BOMBA

Alineamiento incorrecto; impulsor parcialmente obstruido, defectos mecánicos tales

como: eje flexionado, desgaste de partes internas, evaporación en la aspiración, este

caso se presenta cuando se descuida la temperatura del agua, principalmente en el

caso de la bomba de condensado.

Las bombas centrifugas son mecánicamente bastante sencillas, pero si operan

incorrectamente se dañan fácilmente. Es conveniente recordar lo siguiente:

1. Verificar el depósito de aceite antes de ponerla en marcha y con cierta frecuencia

durante !a operación.

2. Purgar el aire que se acumula en la envolvente de la bomba durante el arranque.

3. Nunca debe cerrarse la válvula o válvulas en la tubería de aspiración de bomba

centrifuga.

4. Las válvulas en la descarga pueden estrangularse hasta ciertos límites, pero nunca

cerrarse completamente a menos que exista una tubería de retorno o recirculación

abierta.

5. Los prensaestopas no deben apretarse demasiado y los empaque. deben cambiarse

con fiecuencia para que no se endurezcan y rayen los eje. Siempre debe existir una

ligera fuga de agua a través de estos empaques para lubricarlos y enfriarlos

6 . Vigilar con frecuencia la presi6n de admisión y descarga. Investigar cualquier

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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA

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vibración o ruido anormal de la bomba.

4.3 PARO DEL TURBOGENERADOR.

El procedimiento general para poner fiera de servicio un turbogenerador se describe

a continuación, pero repetimos que en todo caso debe modificarse de acuerdo a la

instalación en particular y a las instrucciones del superintendente de la planta:

1. Se reduce gradualmente la carga de la turbina, según los dispositivos que tenga

instalados, hasta que el alternador queda desconectado completamente de las

barras (bus).

2. En caso de que !a turbina tenga extracciones, cierre sus válvulas y ponga fuera de

servicio los obturadores. Naturalmente que en la planta puede haber otras unidades

que suministren vapor a los mismos.

3. Corte el suministro de vapor a la máquina. Es recomendable probar el disparador

de emergencia utilizándolo para cerrar la alimentación de vapor.

4. Arranque la bomba auxiliar de lubricación en cuanto note que la velocidad de la

turbina empieza a disminuir y por lo tanto la presión del aceite comienza a bajar.

5. Cierre el vapor a los eyectores.

6 . Pare la bomba de condensado.

7. Después de que la turbina ha dejado de girar y antes de que el vacío se pierda por

completo cierre el vapor a los sellos

8. Cierre las válvulas de agua a los enfiiadores de aceite.

9. Abra todas las válvulas de purga de la envolvente y de la línea principal de vapor.

10. Pare la bomba de circulación después de 30 minutos de haber parado la turbina.

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fsw"w UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO ML.LEGAS MONTES DE OCA

1 1 . Manténgase !a bomba auxiliar de lubricación trabajando hasta que se enfiíen los

cojinetes. (20 a 30 minutos).

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Capítulo 5

Caminante no hay camino Se hace camino al andar y al volver la vista atrás,

Se ha de ver el sendero que no se volvera a pisar

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43

5.1 DATOS DE SITIO

TURBINAS DE VAPOR. ( contrapresih )

Ubicación. Ciudad Madero Tamculipas.

Presión atmosférica. 759 mm de Hg nbsolutas a nivel del mar

Humedad Promedio del aire. 90%

Temperatura promedio del medio ambiente. 27°C

Temperatura mínima promedio anual. 24.2" C

Temperatura promedio de bulbo húmedo anual. 21.7"C

Temperatura de bulbo húmedo máxima. 31. I "C

Temperatura de bulbo húmedo mínima. 6.7"C

Promedio del mes caliente. 36°C

Promedio del mes frío. 27°C

Marca de la turbina. SIEMENS

Bomba de suministro al generador de vapor. Presión de 85.03164 Kp /cm2 y a una temperatura de

104 "C

Bomba I. Presión 3.031 64 Kp/ cm2 a una temperatura de I34 "C

Bomba 2. Presión IO. O3164 Kp/ cm2 a una temperatura de I IO "C

Agua de refrigeracibn.

Presión de suministro del agua de refrigeración (4.03 I64 Kp/ cm? y a una temperatura de 32 "C

Fietorno a proceso del agua de refi-igerauón a una presión (3.03 I64 k)d cm? y a una temperatura de 4 I "C

Observacibn. Se aplicara para todos los módulos l a s condiciones del agua de refrigeración.

Tipo de condensador. De superficie

Modulo 1. Entrada&vaporala~~altapresi6n61.03164Kplcm2absyunatemperaana&480"C

Salida de vapor (desoarga) 20.03 164 Kp/cm* abs y una temperatura de 275°C

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c)Salida&vapora453164kp'a2yuna~de 148°C

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45

CONCLUSIONES

Cuando llegues alfinal a% lo que debes saber, Estarás al principio de lo que debes sentir

( Gibran Jalil Gibran )

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46

UNIvERS[DAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA

Debe recalcarse que el principio de conservación de la energía exige que el trabajo

neto desarrollado por un ciclo de potencia sea igual al calor neto intercambiado. Una

deducción importante del segundo principio es que e1 rendimiento, que indica qué

cantidad de calor absorbido se transforma en trabajo neto obtenido, debe ser inferior

al 100%. Por otra parte una reducción de las irreversibilidades conduce a una mejora

de la eficiencia termodinámica. Por lo cual vamos a considerar las irreversibilidades

y perdidas experimentadas por el fluido de trabajo que circula a través del circuito

cerrado del diagrama de cogeneración.

Irreversibilidades

o La principal irreversibilidad que experimenta el fluido de trabajo esta asociada

con la expansión en la turbina. El calor transferido al ambiente por la turbina

representa una perdida, pero, es normalmente de importancia secundaria, una

expansión real a través de la turbina va acompañada de un incremento de

entropía. El trabajo desarrollado por unidad de masa en este proceso es menor que

el correspondiente a la expansión isoentropica. Con los datos de sitio del proceso

es obvio ver que el fluido no tiene un comportamiento isoentropico.

o El trabajo requerido por la bomba, para vencer los efectos de rozamientos,

tambidn reduce el trabajo neto producido por la planta. En ausencia de

transferencia de calor con el ambiente, la entropía crece a través de la bomba. El

trabajo necesario para este proceso es mayor que para el correspondiente proceso

isoentropico.

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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA

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Perdidas

0 Los efectos del rozamiento que provocan caídas de presión en el fluido de trabajo

son las fuentes de irreversibilidades que actúan en la caldera, el condensador, y

las tuberías que conectan diversos equipos.

0 Otro efecto negativo que ocurre en el entorno es la descarga de energía al agua de

refrigeración durante la condensación del fluido de trabajo. A pesar de la gran

cantidad de energía que retira el agua de refrigeración, su utilidad es limitada.

Para nuestro caso el condensador condensa a una temperatura cercana a la del

ambiente por lo tanto el agua de refrigeración experimenta una temperatura de

sólo unos pocos grados por encima de la temperatura ambiente teniendo pues una

utilidad limitada.

0 La temperatura del fluido de trabajo que sale del condensador está a una

temperatura más baja que la temperatura de condensación correspondiente a la

presión del condensador. Esto es una desventaja ya que se requiere una mayor

cantidad de calor en la caldera para llevar el agua hasta vapor sobrecalentado.

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BIBLIOGMFÍA

El hombre de bien no puede sufiir afientas y , el hombre de valor no puede hacerlas

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m 49

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APENDICE

“A”

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RESULTADOS

Modulo 1.

Modulo 4. Turbina c o n un sangrado y a condensación.

Modulo 5. Turbina con dos sangrados y a condensaci6n

masa de masa de refrigerante I Rendimineto

Nota: El apkndice sólo reporta el resultado de tres modulos, sí desea conocer el resultado de cada uno de los modulos y/o ampliar la información utilice el programa disefiado especialmente para automatizar el proceso.

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APENDICE

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l.

2.

S. 4.

5.

6.

7.

S.

Conjunto de la vllvuln de admisi6a.

Anllfo de lu tobcror (pri- mer trcalonamicntol.

A a t m fijcw. soporte. Rodete (primer txalonn-

Conjunto dc la vUvula de

Evncuacl6n fuga3 vPlvulas

Coojunto de la vUvula de

C u c a u de In turbina (nd-

micnto).

rxtr~~ccidn.

dc crtraccidn.

cx t rnd6n.

misibn).

O.

I O.

11. 12.

I S. 14. 15. 1 e. I 7

1 H. 1 O.

Cnrcnm de In t ~ ~ r b l n n (CJ -

Diafraqmn .(illtimo cscalo-

V-Alvu~a ccntincla. Rodete (ultimo escalona-

Prcnsacstopaq. Scpnrador de aceite.

Cojinctc. Sivcl de aceite (indicador).

Tubo de acei te para cnyra-

Acoplnrpicnto. Cojinete de In mAquinn

cotlducldo.

CPPC).

namicnto).

miento).

snr el acoplomicnto.

, 20. Y L .

Vaclndo ( t u l w h ) , Evncuncibn hnciu cl prc-.

dor. nncstofias del coadcn?>-

Juntn tstopndn. Estopnda del dinfregma. Pnntalia parn el vapor. Concxi6n para In evacua-

ci6n y juntas.

L'U. Apo)o. 27. Cnrcnw de 1n Immhn de

28. Carcasu del rcgulu:lor. 20. Acoplnrnlenlo pnrn I R bom-

ba y rcgulndor. 30. Regulador parn e1 caso dc

vtlocidndcs exccsivnr (cmbulnrnlcnto).

n x i t e .

20 21 22

F I G . 150. Turpina con

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5 4

1 3 2 1

34 33 32 31 30 29 28