Uploaded by are_zabalegui\n1.2 GENERADOR DE VAPOR\nEl generador de vapor sin presión es un dispositivo para la producción del vapor tecnológico suplementario para los hornos de bandas PPP. En la opción de la tecnología adecuada de fermentos y de la masa con el objetivo de disminuir la cantidad necesaria del vapor en la zona hidrotérmica del horno de bandas, el generador citado llega a ser suficiente para la cubertura completa de la necesidad del vapor tecnológico, sobre todo en los hornos de superficies más pequeñas de cocción. La instalación de BVP no influirá las propiedades de cocción del horno (regularidad de la cocción, curva de cocción etc.). El generador es un depósito cilíndrico de dos camisas, de la parte exterior aislado para la reducción del escape del calor en el espacio de la panadería. Entre las camisas hay un espacio de agua - vapor, por el centro de la camisa interior arde la llama del quemador. Después de pasar los gases quemados por la camisa interior del generador, éstos entran en el propio horno de panadería. Este sistema de la estructura es energéticamente más ventajoso en comparación con la producción del vapor en los individuales generadores clásicos, ya que para la producción del vapor y la calefacción del horno se utiliza el mismo sistema calefactor, por lo que se ahorra una pérdida de chimenea a cada un generador instalado. Para la calefacción de un horno es ventajoso vaciar el vapor generado del BVP antes (aprox. después de 1/2 hora) fuera del horno. Esta derivación del vapor está posibilidad mediante la válvula de tres direcciones, instalada en la rama de vapor del BVP. El vapor conducimos por ejemplo a la cámara de fermentación y si no hay otro remedio - fuera de la panadería al aire. Una pequeña desventaja de este dispositivo hay exigencias elevadas al mantenimiento y la duración de la vida útil en dependencia de la calidad de agua usada para la producción del vapor. Generador de vapor sin presión (esquema de conexión):\n1: quemador 2: cuerpo del generador\n10: fiador de agua 11: válvula de tres direcciones no cerrable.\n3: indicador del nivel 4: tanque alimentador del flotador 5: medidor de agua 6: cierre de la bola 7: embudo 8: abertura para limpiar 9: aislamiento del horno\n12: entrada existente del vapor 13: grifo de purga 14: depósito decantador 15: entrada del vapor a los tubos de vapor 16: cierre de la bola 17: grifo de estrangulación\n1.3 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE LOS GENERADORES DE VAPOR. 1.-Al accionar el interruptor principal de corriente, inicia trabajando la bomba de alimentación de agua para restablecer el nivel dentro de la caldera. 2.- Cuando la caldera ha alcanzado su nivel, acciona un interruptor que a su vez acciona el motor del ventilador y de la bomba de combustible; aunque el combustible aun no ingresa al quemador ya que la válvula check permanece cerrada. Al iniciar su funcionamiento el ventilador, realiza una acción de barrido dentro del hogar, las mamparas y fluxes, esto para eliminar gases de combustión que pudieran encontrarse estancados pudiendo provocar una explosión. Este proceso varia su duración dependiendo las dimensiones del generador de vapor; siendo desde 1 min hasta 30 mampara generadores industriales de gran capacidad. 3.- Al termino del proceso de barrido y aun con el ventilador funcionando para la alimentación de aire y poder realizar la combustión, inicia su funcionamiento e trasformador de voltaje que proporciona corriente eléctrica a los electrodos de ignición localizados delante de la punta del quemador, por lo tanto se inicia el proceso de ignición por medio de un arco eléctrico. 4.- Si este último proceso se mantiene alrededor de 5 seg., el sensor detector de luz, permite el paso de señal hacia la válvula check para su apertura y permite el flujo de combustible hacia la espera del quemador donde se atomiza el combustible en forma de una fina briza e inicia su combustión.5.- Si el proceso de combustión se mantiene durante 5 seg. y esto es corroborado por el sensor de luz, se envía la señal hacia el trasformador de voltaje interrumpiendo su trabajo y a su vez el de los electrodos que ya no se requiere su funcionamiento ya que se mantiene la combustión por sí sola. Si la combustión se interrumpe después de el tiempo estipulado, el sensor de luz dejara de proporcionar su señal y por tanto, se tendrá un paro general del proceso de inicio, obligando a realizar un inspección de los elementos y restablecer el proceso. 6.- El proceso de combustión iniciara paulatinamente el proceso de calentamiento de las superficies de trasferencia de calor de los fluxes mediante los gases resultantes de dicha combustión, que trasmitirán la energía calorífica hacia el agua provocando su cambio de fase de estado líquido a gaseoso obteniendo vapor. Este proceso de funcionamiento, se realiza en repetidas ocasiones antes de permitir el funcionamiento continuo del generador de vapor, esto con la intención de realizar un calentamiento paulatino de las superficies de trasferencia de calor evitando choques térmicos o la elevación descontrolada de presión dentro de la caldera. 7. Cuando el proceso se ha normalizado y se mantiene continuo, se debe mantener la válvula de paso del vapor cerrada hasta que alcance la presión de trabajo que varía según la capacidad del generador de vapor.\n8. cuando dicha presión se alcanza se abra la válvula de paso de vapor hacia las líneas del servicio según se requiera. Al alcanzarse la presión de trabajo, la válvula check del combustible se cierre cortando el suministro de combustible, por tanto se interrumpe la combustión. Durante este tiempo hasta que disminuya la presión del vapor dentro del generador de vapor, solo se mantiene un sistema de piloto para eliminar el reinicio del proceso de barrido e ignición eléctrica. 9.- El proceso de reinicio de combustión inicia cuando la presión de trabajo llega al límite menor y se proporciona la señal a la válvula check para permitir nuevamente el paso de combustible hacia la espera y no hacia las líneas de retorno de combustible, iniciando nuevamente el proceso de combustión y de producción de vapor. 1.4 CLASIFICACIÓN, DESCRIPCIÓN, FUNCIÓN INSTALACIÓN DE LAS PRINCIPALES PARTES DEL GENERADOR DE VAPOR Objetivos general de un generador de vapor Generar agua caliente para calefacción o usos generales-Generar vapor para plantas de fuerza, procesos industriales o calefacción. Clasificación de los generadores de vapor: .Existen diferentes clasificaciones para los generadores de vapor como son: Uso. Presión. Materiales de construcción. Tamaño. Contenido de los tubos. Forma y posición de los tubos. Sistema del fogón (combustión). Fuente de calor. Clase de combustible. Fluido utilizado. Sistema de circulación. Posición del hogar.\nTipo de fogón. Forma general. Nombre registrado del fabricante. Propiedades especiales. Usos Partiendo de la simple caldera de casco cilíndrico, se han desarrollado muchos y variados tipos de unidades generadores de vapor. Algunos se han diseñado para proporcionar fuerza en general o calefacción otros en cambio, se destinan para funciones mas especializadas. Sus características varían de acuerdo con la naturaleza del servicio que prestan. Las calderas reciben básicamente las denominaciones de estacionarias (las instaladas en tierra) y móviles (para navíos o locomotoras). Presiones Según la Asociación Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) las calderas se diferencian por las siguientes características: 1. Calderas de calefacción de baja presión, que comprende todas las caldearas de vapor que no exceden de 1.05 kg/cm2 y todas las calderas para agua caliente que operan a presión que no exceden de 11.25 kg/cm2 y cuya temperatura no sobrepasan los 121°C.2. Calderas para generación de fuerza. Se consideran dentro de esta sección todas aquellas calderas cuyas condiciones de operación sobrepasen los límites señalados en el párrafo anterior.3. Se consideran como caldearas miniatura, todos aquellos tanques de presión sometidos a fuego, que no exceden los limites siguientes: a) Diámetro interior del casco: 406 mm; b) Volumen máximo de 0.141 m3 excluyendo la cubierta y el aislamiento; c) superficie de calefacción de 1.86 m2; d) 7 Kg/cm2 de presión máxima de trabajo. Materiales de construcción La selección de los materiales para la construcción de calderas, está controlada por lo dispuesto en la Sec. II del Código de Calderas ³ASME´ (Especificaciones de materiales). - Calderas para generación de fuerza: Aceros especiales - Calderas miniatura: Cobre, acero inoxidable, y similares - Calderas de calefacción de baja presión: Hierro colado o de acero, aunque algunas calderas para servicio domestico, operadas por medios de gas se manufacturan de tubos de cobre.\nSegún el Instituto de Calderas de Acero (Steel Boiler Institute SBI), en sus ³Normas de Calderas de Acero´ estandarizan el tamaño y clasificación de las calderas de la manerasiguiente: 1. Calderas de calefacción de baja presión cuya capacidad se basa únicamente en las pruebas de rendimiento; presiones de 1.05 Kg/cm2 con un rendimiento de 3143 Kg de vapor por hora.2. Calderas residenciales; alcanzan superficies de calefacción de 1.49 a 27.3 m2con rendimiento nominal hasta de 453 600 Kcal/ h.3. Calderas comerciales; alcanzan superficies de calefacción desde 12 hasta 332 m2con rendimientos máximo de 163 296 a 4 536 000 Kcal/h. Contenido de los tubos .Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero, hay dos clases generalizadas de calderas de acero: Calderas de tubos de humo (piro tubular). Estas son calderas dotadas de tubos rectos, rodeados de agua y a través de cuyo interior pasan los gases de la combustión. Estos tubos se instalan normalmente en la parte inferior de un tambor sencillo o de un casco, abajo del nivel del agua. Calderas de tubos de agua (ecuo tubulares). En estas calderas los tubos contienen en su interior el vapor o el agua, mientras que el fuego es aplicado en la superficie exterior de los mismos. Los tubos generalmente unidos a uno o más domos, se disponen ya sea aleje de la caldera o en ángulo recto respecto al mismo. Forma y posición de los tubos o fluses la superficie de calefacción de los tubos o fluses se pueden clasificar.1) Por las forma de los mismos; recto, curvos o sinuosos2) Por su disposición; horizontal, inclinada o vertical. Sistema de fogón (combustión) La caldera puede ser un recipiente de presión por fuego o por otros sistemas de suministro de calor. Las calderas operadas por fuego, reciben el calor aplicado de la combustión de algún producto combustible. Una caldera no operada mediante fuego, recibe el calor necesario de cualquier otra fuente que no sea la combustión. 1.4.1 CONDUCTOS DE HUMO (FLUXES): es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos o los gases calientes que se han producido en la combustión. 1.4.2 ESPEJOS. Placa circular con una serie de barrenos en las cuales los fluxes descansan 1.4.3 MAMPARAS. Construcción de ladrillo refractario y ladrillos comunes que tienen comoobjeto cubrir la caldera para evitar desprendimiento de calor al exterior. 1.4 DOMOS: El agua caliente del domo es dirigida por medio de Bombas de Alta Presión hacia el Evaporador de Alta Presión, pasando por una serie de calentadores de vapor para elevar aún más la Temperatura. En el Evaporador se eleva la Temperatura del Agua previamente calentada hasta\nobtener nuevamente vapor. Éste vapor se retroalimenta nuevamente al Domo Vapor Saturado hacia la Turbina y El De areador. 1.4.5. COLUMNA DE AGUA. Elemento de control que funciona con el principio de vasos comunicantes, aloja el flotador que cuenta con platinos que activas la bomba de recuperación de agua cundo el nivel está en su límite inferior. 1.4.6 NIVEL DE AGUA. Elemento indicador de vidrio que muestra el nivel de agua dentro del generador de vapor. Al estar fuera de la zona de turbulencia provocada por la ebullición del agua, muestra claramente el nivel real existente de agua. 1.4.7 PURGA DE FONDO. La purga de superficie es la herramienta que ayuda a la caldera a mantener el TDS dentro de los límites necesarios para la máxima performance y por tal causa la purga de superficie es un aspecto muy importante a tener en cuenta a efectos de mantener una adecuada relación de concentración de TDS. 1.4.9 HOGAR. Fogón o caja de fuego y corresponde a la parte en que se quema el combustible. Se divide en puerta del hogar y cenicero. Las calderas pueden instalarse con Hogares para combustibles sólidos, líquidos o gaseosos, todo dependerá del proyecto del equipo y de la selección del combustible autilizar. 1.4.10 SUPERFICIE DE TRANSFERENCIA. La transmisión de calor desde la fuente caliente (gases de combustión) l fluido de trabajo (agua – vapor) se realiza a través de la superficie de intercambio, en este caso, las paredes de los tubos del generador. El proceso reconoce tres efectos: 1. radiación (desde los gases clientes y luminosos hacia las paredes externas de los tubos) 2. convección (desde los gases en la capa límite contra la pared exterior de los tubos) 3. por conducción (entre las superficies externa e interna de los tubos) 4. y nuevamente convección en la capa límite de la superficie interna de los tubos hacia el fluido de trabajo. 1.4.11 QUEMADORES. Los quemadores son elementos pertenecientes a los generadores de vapor que se utilizan para producir una combustión eficiente y segura y una llama estable; admitiendo y/o generando la mezcla de combustible y comburente en su interior. Debido a que los combustibles fósiles pueden hallarse en estado líquido, sólido y gaseoso existen distintos tipos de quemador diferenciados en función del combustible. En el artículo presentado a continuación se explican los tipos y características principales de los quemadores de gas instalados en generadores de vapor.\nEn instalaciones de pequeño y medio tamaño industriales es frecuente que el combustible empleado sea gas natural. Esto se debe a su facilidad de suministro, economía y bajo contenido en azufre principalmente. Pueden emplearse también en otro tipo aplicaciones más específicas en que sea procedente gases licuados del petróleo GLP, biogases y gases subproducto. 1.4.13 UN ECONOMIZADOR: Es un dispositivo mecánico de transferencia de calor que calienta un fluido hasta su punto de ebullición, sin pasar de él. Hacen uso de la entalpía en fluidos que no están lo suficientemente calientes como para ser usados en una caldera, recuperando la potencia que de otra forma se perdería, y mejorando el rendimiento del ciclo de vapor. Puede ayudar a ahorrar energía en edificios, utilizando el aire exterior como medio de enfriamiento. Cuando la entalpía del aire exterior es menor que la entalpía del aire recirculado, enfriar el aire del exterior es más eficiente, energéticamente hablando, que enfriar al aire que ha recirculado. Ahorra costes por consumo de energía en climas templados y fríos, pero no es apropiado en climas calientes y húmedos. Combustibles utilizados por los generadores de vapor Combustibles sólidos. Carbón, Leña, Bagazo de caña o café. Combustibles líquidos, combustóleo, Keroseno, Diesel. Combustibles Gaseosos. Gas licuado, gas natural. Se deben considerar las pérdidas, que en general son: · Pérdidas por los gases de escape (Máximo de 13%)· Evaporación del agua formada en la combustión (Hasta 4%)· Pérdidas por deficiencias en el rendimiento de combustión (Hasta 0,2%)· Pérdidas por radiación, fugas de calor en general (Hasta 2,5%)\nDesde luego, estos valores son solamente indicativos y corresponden a valores de instalaciones comunes.\n1.4.14 TIRO EN CALDERAS La combustión que se desarrolla en el hogar de la caldera requiere para su proceso continuo, de un suministro adecuado de aire y de la remoción de los quemados. Esta función la desempeña el sistema de tiro. Es posible considerar 2 sistemas o métodos, de acuerdo con la naturaleza del mismo, el tiro natural y el artificial o mecánico .Tiro Natural La chimenea es la encargada de establecer la diferencia de presión necesaria para la circulación del fluido en las condiciones requeridas. Su acción se basa en la diferencia de pesos habida entre la columna de aire en su interior y otra de igual altura, exterior, en las condiciones dadas en el medio ambiente. Esta diferencia ocasiona la circulación del fluido por el interior del generador de vapor. El aire frió del medioambiente, ingresa a la caldera y desplaza los quemados a chimenea, vence la resistencia que le significan los conductos y los aparatos intercalados en ellos. Específicamente se define como tiro: a la diferencia de presiones medida entre un punto cualquiera del sistema y la atmósfera. Es frecuente expresar esta diferencia en milímetros de columna de agua, medida por un tubo en U. Originalmente, las primeras calderas funcionaban a tiro natural, ello debido a la simplicidad de su ejecución. Luego de efectuada la combustión en el hogar, los gases se dirigían a chimenea, sin tener que circular a través de otros equipos. La necesidad de aumentar el rendimiento económico de generación, de incrementar la producción específica de generación, hizo necesario intercalar equipos recuperadores de calor y aumentar la velocidad de desplazamiento de los quemados. Estas circunstancias y otras más, significan un incremento de las resistencias y exigencias de mayor capacidad de tiro, no siendo posible de conseguir económicamente con el recurso de chimenea. De este modo, únicamente instalaciones sencillas, de muy pequeña capacidad de generación de vapor, utilizan tiro natural. La tendencia actual aún en este tipo de ejecuciones tiende a reemplazarlo por tiro artificial, para lograr una unidad más compacta y obviar el elevado costo de la chimenea de importante altura. Cualquiera sea la naturaleza del tiro para la instalación del tiro adoptado para una instalación, la chimenea es indispensable. Ello para posibilitar arrojar los quemados y el posible hollín o cenizas, a una altura suficiente, para lograr una dispersión racional, sin afectar los alrededores de la instalación. Así mismo en instalaciones de tiro artificial, se la utiliza de respaldo, para disminuir los de explotación, reduciendo la energía consumida por los sistemas mecánicos de tiro artificial. Finalidades del tiro • Hacer llegar al hogar el aire necesario para la combustión. • Obliga a los gases a recorrer los conductos de humo con velocidad aceptable. • Evacuarlos en las capas relativamente altas de la atmósfera.\nUNIDAD II: TURBINAS DE VAPOR\n2.1 DEFINICION DEL CICLO RANKINE.\nCiclo de Rankine: Es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica del ideal Ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. 2.1.1 EFICIENCIA DEL CLCLO. El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.\nEl rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por Rt = W/Qabs Donde Rt: Rendimiento térmico. W: Trabajo neto realizado. Qabs: Calor absorbido. Convenio de signos\nPor convención de signos, un signo negativo significa lo contrario. Es decir, un trabajo negativo significa que el trabajo es realizado sobre el sistema, una cantidad de calor positiva significa que el calor es absorbido por el sistema. Con este convenio de signos el trabajo neto obtenido en el ciclo deberá ser, por lo tanto, negativo. Tal como está definido, y despreciando los cambios en energía mecánica, a partir de la primera ley. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera. Etapas Las etapas de un ciclo ideal de Rankine pueden ser representadas en un diagrama temperatura vs entropía (T-S) como se muestra la figura.\nEl diagrama T-S de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-S (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):\nProceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor o una máquina de vapor reciprocante en las cuales se genera potencia en el eje de las mismas. Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga, el calor rechazado puede utilizarse en la mayoría de los procesos para otros usos tecnológicos en el caso específico de las industrias. Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera. Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor saturado. Este vapor puede ser sobrecalentado en la mayoría de los casos aprovechando la energía de los gases efluentes de el horno en equipos llamados sobre\ncalentadores, este vapor de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).\nProcedimientos para aumentar la eficiencia termodinámica de un ciclo ideal de Rankine.\nReducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los alabes de la turbina. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan.\nCiclo de Rankine regenerativo.\nEn un ciclo de Rankine el condensado a la temperatura existente en el condensador es enviado a la caldera donde se produce un calentamiento (del agua) altamente irreversible. Precisamente la eficiencia del ciclo de Rankine es menor que la del de Carnot, fundamentalmente por estas irreversibilidades que se presentan en la caldera. Por lo tanto si el agua de alimentación a la caldera se puede calentar hasta la temperatura existente en la caldera, se eliminarían los efectos irreversibles del ciclo de Rankine. Lo anterior se puede hacer mediante el efecto regenerativo mostrado en la figura. 2.2 CLACIFICACION Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS DE VAPOR. Turbina de Vapor es un motor rotativo que convierte en energía mecánica, la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una maquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.\nQue son las turbinas de vapor y como se clasifican: Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Una turbina de vapor es una turbo máquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera de vapor, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor (se expande) aumentando así su velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los álabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos. Por lo general una turbina de vapor posee más de un conjunto tobera-álabe (o etapa), para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y, si ésta se convierte en energía cinética en un número muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerzas centrífugas muy grandes causando fallas en la unidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. El éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la maquina a vapor de vaivén desarrollada por el inventor e ingeniero escocés James Watt utilizaban la presión del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de este. La turbina puede ser más pequeña, más ligera y más barata que una máquina de vapor de vaivén de la misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las maquinas de vapor convencionales. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor a remplazado a las maquinas de vaivén en las centrales generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión a chorro. La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino q fue el resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de los participantes más notables en este desarrollo fueron el Británico Charles Al gernon Personas fue responsable del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias fases aprovechándose su energía en cada una de ellas. De Laval fue el primero en diseñar chorros y palas adecuadas para el uso eficiente de la expansión del vapor.\nTipos de turbinas de vapor La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), según el número de etapas (multi etapa o mono etapa), según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape y por último por la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre o condensación). -Turbina de vapor de reacción: En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas móviles y las otras fijas. Las palas fijas están colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de reacción, que se montan en un tambor que actúa como eje de la turbina. En la turbina de reacción se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de la primera etapa para que entre en un segundo rodete. Se denomina grado de reacción a la fracción de la expansión producida en la corona móvil respecto a la total, un grado de reacción 1 índica que la turbina es de reacción pura, mientras que para el valor cero será una turbina de vapor de acción.\n1. Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en energía cinética. 2. Una corona móvil, fija sobre un eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su disposición. Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a través de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que esta unida. Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.\nTurbina mono etapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de mas simple construcción son las mas robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multi etapa. Turbina multi etapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes próxima al valor optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sería necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta,\nque no sería viable mecánicamente por las dimensiones que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la velocidad final del eje a la deseada). Consiguen mejores rendimientos que las mono etapa, además pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presión, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de acción y las finales de reacción.\nTurbina de flujo axial: Es el método más utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina. Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina. Turbina con extracción de vapor: Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales. Turbina de contrapresión: La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior. Turbinas de condensación: El vapor sale a una presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.\nUso de las Turbinas de vapor.\nCaldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina. Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y transformarla en trabajo útil para mover un generador eléctrico. Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina. Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del condensador.\nLas primeras turbinas de vapor del tipo industrial, fue la desarrollada por Laval hace mediados del siglo XIX, la que aprovechaba la energía cinética del vapor para impulsar un rotor que tenía una serie de paletas sobrepuestas sobre su superficie mientras que el vapor era acelerado y guiado a través de un Boquerel. Posteriormente con el fin de mejorar su primer diseño, se colocaron varios Boquéeles, tratando de cubrir en mejor forma el rotor.\nEn ambos diseños el vapor empleado se dispersaba en la atmósfera; para recuperarlo se ideo una carcasa para así poderlo guiar hacia un condensador, a su vez fue necesario variar la posición de las paletas en el rotor, ubicándolas en la periferia del mismo para darle sentido axial, al vapor y además el Boquerel vario su forma circular a arco de corona circular, llamándose ahora, alabes de tobera o simplemente estator. Las paletas de rotor se conocen actualmente como alabes móviles. Al analizar el primer diseño de la turbina Laval, se observa que el principio de funcionamiento es el empleo de la energía cinética del vapor que actúa directamente sobre los alabes del rotor. 2.2.1 DESCRIPCION DE LAS PARTES Y SU FUNCION ESTUDIO CONSTRUCTIVO DE LOS ELEMENTOS DE LAS TURBINAS. - Rotor, es la parte móvil de la turbina. - Estator o carcasa, parte fija que aloja el rotor y sirve de armazón y sustentación a la turbina. - Álabes, órganos de la turbina donde tiene lugar la expansión del vapor. - Álabes fijos, van ensamblados en los diafragmas que forman parte del estator. Sirven para darle la dirección adecuada al vapor y que empuje sobre los álabes móviles. - Diafragmas, son discos semicirculares que van dispuestos en el interior de la carcasa perpendicularmente al eje y que llevan en su periferia los álabes fijos. - Cojinetes, son los elementos que soportan los esfuerzos y el peso del eje de la turbina. Los cojinetes pueden ser radiales, que son aquellos que soportan los esfuerzos verticales y el peso del eje, o axiales, soportan el esfuerzo en la dirección longitudinal del eje. - Sistemas de estanqueidad, son aquellos sistemas de cierre situados a ambos extremos del eje de la turbina que evitan que escape el vapor de la turbina. 1) Sellados del rotor, son elementos mecánicos que evitan que escape vapor de la turbina al exterior, por los lados del eje en las carcasas de alta y de media presión y además evitan la entrada de aire en las carcasas de baja presión. Pueden ser de metal o de grafito. Normalmente en las máquinas de gran potencia los cierres son metálicos de tipo laberinto. 2) Regulación del sistema de sellado en una turbina de condensación. - Estanqueidad interior, son los mecanismos que evitan la fuga de vapor entre los álabes móviles y fijos en las etapas sucesivas de la turbina.\nCIRCUITO DE VAPOR Y CONDENSADO. Descripción del circuito de vapor a través de una turbina. - Turbinas de contrapresión. - Turbinas de condensación. - Turbinas de extracción y condensación. a) Válvulas de parada, actúan por seguridad de la turbina y en situaciones de emergencia. Tienen la misión de cortar el flujo de vapor de entrada. b) Válvulas de control y regulación, válvulas de vapor de entrada que proporcionan el caudal de vapor deseado para dar la potencia requerida por la turbina. Sistemas de vacío y condensado en turbinas de condensación. - Condensador, su función es establecer el mayor vacío posible eliminando el calor de condensación del vapor de agua. - Eyectores, se encargan de eliminar los gases incondensables que hay en el condensador, procedente de las fugas de aire y de los gases disueltos en el condensado, etc. - Bombas de condensado, tienen por misión desalojar el condensado producido en el escape de la turbina. Problemas si el nivel de condensado es demasiado alto y no quedan tubos libres para condensar el vapor. - Purgas de condensado del cuerpo de la turbina y líneas de vapor de entrada y salida, sistema que permite la eliminación del condensado de equipo y líneas cuando la turbina está en situación de parada y puesta en marcha.\nFuncionamiento de la turbina de vapor El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía interna. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se expande, la reducción de su energía interna en 400 cal puede producir un aumento de la velocidad de las partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras. Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta velocidad. La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de\nturbina. Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores. La turbina de vapor debe ser capaz de desarrollar la potencia y velocidad para la operación en condiciones normales con las condiciones de vapor especificadas. Desarrollar la potencia y velocidad nominales con las condiciones mínimas de admisión de vapor y la presión máxima de escape de vapor. La turbina de vapor debe ser capaz de operar continuamente a la velocidad máxima continua y a cualquier velocidad dentro de los límites especificados, así mismo, operar de manera continua a la potencia y velocidad nominales con las condiciones máximas de admisión de vapor y condiciones máximas o mínimas del vapor de escape. 2.2.2 ESCALONAMIENTOS. Para obtener mayores potencias sin aumentar desmedidamente el caudal de vapor (y por lo tanto el Tamaño de la máquina y del generador de vapor) es necesario aumentar el salto entálpico, es decir, la presión del vapor. Al hacer esto, se aumenta la velocidad absoluta de entrada C1. Como C1 se compone con U para dar la velocidad relativa W1, que debe tener el ángulo de la paleta, rápidamente se llega a ángulos de paleta muy pequeños y velocidades relativas muy altas, lo que causa grandes pérdidas por rozamiento en la paleta móvil. Otra solución es incrementar U para que no disminuya tanto el ángulo. Pero como la aplicación más Frecuente de las turbinas de vapor es para la generación de electricidad, la velocidad de rotación de la turbina está fijada por la del alternador, para producir corriente alterna de 50 (o 60 en los EEUU) ciclos: 3000, 1500, etc. rpm (3600, 1800, etc.). Con velocidades de rotación fijas, mayores U implican mayores diámetros, y el tamaño de la turbina resulta excesivo por razones mecánicas (fuerzas centrífugas, creeo, balanceo dinámico).Se apela entonces a la solución de dividir el salto entálpico en dos o más etapas, lo que se denomina escalonamiento. Al planear el escalonamiento se puede elegir entre dividir la caída de velocidad absoluta entre dos o Más ruedas móviles, o bien dividir la caída de presión estática entre dos o más ruedas fijas. El primero es el escalonamiento tipo Curtis y el segundo el escalonamiento tipo Rateau.\n2.2.3 OPERACION Y PUESTA EN MARCHA En general la puesta en marcha de una turbina, puede tener diversas consideraciones, como por ejemplo: que sea una máquina que normalmente esté dispuesta para entrar en servicio automáticamente, (operación corriente en turbinas de pequeña y mediana potencia), en cuyo caso todas las operaciones que aquí se describen se darían por realizadas. También puede suceder, que la puesta en marcha se realice partiendo de la turbina fría o por el contrario es una puesta en marcha que sucede inmediatamente después de haberse parado.\nEn nuestro caso la premisa de cara a la puesta en marcha que vamos a considerar aquí es como si la turbina se hubiera entregado por parte de Mantenimiento después de una reparación o una revisión y por tanto, que Operación tiene que hacer una serie de comprobaciones y de maniobras que aseguren que la puesta en marcha de la máquina se realiza de forma correcta y segura. Por tanto, partiremos de una turbina fría en cualquier caso. Puesta en marcha de una turbina de contrapresión.\nComo norma general es obvio decir que, siempre que vayamos a poner en servicio una turbina, el sistema que arrastra, bomba, compresor, alternador, etc., deberá estar perfectamente preparado antes de la puesta en marcha de la misma, o su preparación puede realizarse de forma paralela, de forma que cuando la turbina esté en disposición de rodarse, el compresor, la bomba, etc. esté preparado. Las operaciones a seguir, así como el orden correcto de ejecución para una turbina de contrapresión, que son normalmente turbinas de pequeña y mediana potencia, serían:\nPoner en servicio el agua al refrigerante de aceite. Todas las turbinas llevan un sistema de refrigeración del aceite lubricante. Hay que comprobar la circulación de agua a través del sistema de refrigeración de la turbina si hubiera mirillas para ello. Si no las hubiera, comprobar la circulación de agua abriendo purgas del circuito.\nComprobar nivel de aceite en el cárter. Es fundamental la comprobación del nivel de aceite antes de la puesta en marcha. También es muy conveniente purgar la posible existencia de agua en el cárter procedente de posibles fugas, por la purga inferior del mismo.\nAsegurarse de que el volante de la válvula de entrada de vapor (válvula de regulación y cierre rápido) está cerrado a tope. Antes de proceder a hacer ninguna maniobra en las líneas de entrada de vapor a la turbina conviene asegurarse de que la válvula o sistema automático que controla la entrada de vapor a la turbina está cerrada manualmente o bloqueada. Purgar de condensado las líneas de entrada y salida de vapor de la turbina (líneas externas). a. Línea de entrada por la purga anterior al bloqueo general de entrada de la turbina.\nb. Línea de salida por la purga posterior al bloqueo general de salida.\nPuesta en marcha de una turbina de condensación y extracción.\nPuesta en servicio del sistema de aceite. La primera operación que hay que acometer en la puesta en marcha de una turbina es poner en servicio el sistema de aceite y todos los elementos que lo componen. - Poner en servicio el agua de refrigeración a los refrigerantes de aceite. Hay que asegurarse de que el agua de refrigeración circula perfectamente ya sea por rotámetros, mirillas o abriendo purgas en las líneas de entrada y salida. - Comprobar que el nivel y la temperatura en el tanque de aceite sea el correcto. Es posible que después de poner en servicio la bomba de aceite el nivel de aceite en el tanque puede bajar al rellenar líneas y equipos; si esto es así reponerlo. a. Si el tanque dispone de un sistema para el control de temperatura del aceite, ya sea por medio de un serpentín de vapor de agua o una termo resistencia, ajustar la temperatura del aceite previamente, por si estuviera demasiado frío. Es posible incluso que si la temperatura del aceite es demasiado fría haya un enclavamiento que impida arrancar la turbina. Poner en servicio la bomba principal de aceite. A continuación pondremos la bomba principal de aceite, asegurándonos antes de que: a. La válvula de aspiración y la de impulsión que recicla el aceite al tanque están abiertas. b. Como estas bombas de aceite son normalmente bombas de husillos helicoidales, conviene asegurarse también de que no hay otro tipo de obstrucciones en la línea de impulsión de la bomba antes de su puesta en marcha, pues debido a las características de estas bombas la presión podría alcanzar valores muy altos y romper líneas o equipos. c. Si existe un sistema de control automático de la presión de impulsión de la bomba, ponerlo en servicio y cerrar la válvula manual de reciclo al tanque.\nPoner en servicio la bomba auxiliar de aceite. Normalmente las turbinas de gran potencia llevan bomba de reserva para que actúe a fallo de la principal. Dejarla en automático para que entre a fallo de la bomba principal, probándola previamente siguiendo las instrucciones anteriormente mencionadas. Poner a continuación en servicio cada uno de los diferentes sistemas de aceite de la turbina. a. Sistema de aceite de lubricación. b. Sistema de aceite de mando o regulación. c. Otros sistemas de aceite que pudiera haber, como ocurre en este caso con el sistema de aceite de sello que sirve para evitar la fuga de gases en los lados del eje del cuerpo del compresor. Comprobar que hay flujo de aceite a través de las mirillas del sistema de aceite. Una vez que la bomba de aceite está en servicio es necesario comprobar que el aceite fluye libremente a cojinetes y otras partes de la máquina, inspeccionando visualmente. Maniobras y operación en el colector de extracción. a. En el colector de extracción se dejará despegada ligeramente la válvula de purga situada entre la válvula hidráulica de cierre rápido y el bloqueo. b. Igualmente también se despegará ligeramente la válvula de purga situada después del bloqueo en el colector de salida de vapor de extracción. Abrir vapor a los cierres. Poner a continuación en servicio el sistema de vapor a los cierres para dejar de esta forma el vacío en la turbina controlado. Para ello: a. Abrir una o dos vueltas la válvula grande. b. Abrir muy lentamente la válvula pequeña hasta que se vea salir vapor por las chimeneas de venteo situadas a ambos lados del cuerpo de la turbina en el cierre del lado de alta y en el de baja presión. c. Durante la fase de puesta en marcha habrá que observar varias veces los respiraderos de vapor de los cierres pues habrá que ajustarlos varias veces. NOTA: Es muy importante este sistema, debido a que en el caso de que no salga vapor por el venteo podemos perder el vacío y puede pararse la turbina. - Rearmar la válvula de disparo por alta presión (falta de vacío) en el condensador. Cuando el vapor a los cierres esté ajustado el vacío alcanzará el valor correcto y podremos rearmar el dispositivo de disparo por falta de vacío con la palanca para llevar el\ndispositivo a su posición normal. Si el vacío es correcto el disparo queda reenganchado, sino vuelve a caer.\nPUESTA EN MARCHA DE LA TURBINA Y SUBIDA DE REVOLUCIONES Antes de iniciar el proceso de puesta en marcha propiamente dicho de la turbina hay que asegurarse previamente de que se cumplen una serie de condiciones como son: 1. Hay que comprobar que el dispositivo de puesta en marcha inicial de la turbina, está girado a derechas a tope. De esta forma nos aseguramos que en cualquier condición de la turbina esta no llegará a rodar. 2. Hay que comprobar que el volante del limitador del caudal de extracción está girado a derechas y a tope. De esta forma nos aseguramos de que en la puesta en marcha de la turbina no sacaremos caudal de extracción por la línea de extracción ya que las válvulas que dan paso al vapor desde el cuerpo de alta al de baja presión estarán abiertas a tope. En las anteriores condiciones rearmar el disparo manual de la turbina (disparo de cierre rápido de bola), que debe quedarse cuando se tire de él hacia arriba, en la posición superior. Si no se quedara rearmado mirar si hay producido algún corte de la turbina que afecte a la válvula electromagnética y que nos impide rearmar el disparo manual. A partir de este momento no debe haber producido ningún disparo que impida empezar a rodar la turbina.\n2.2.4 PARO Sistemas de paro por sobrevelocidad. La turbina debe ser equipada con un sistema independiente de paro de emergencia por sobre velocidad que corte el suministro de vapor a la turbina cuando la velocidad alcanza la de disparo (ver Tabla 3. Gobernadores de velocidad). El sistema de disparo de emergencia debe tener las siguientes características: a) De fácil acceso. b) Capacidad de ser manualmente disparada con la condición máxima de presión y flujo de vapor a la entrada en la línea. c) Capacidad de parar la turbina activando una válvula de disparo, bajo cualquier condición de carga de la turbina.\nd) Capacidad de ser restablecida con la presión máxima de entrada en la línea. e) Componentes a prueba de chispa adecuados para el empleo en áreas clasificadas por gases peligrosos y en exteriores. Se debe proveer una válvula de bloqueo en la línea de vapor de entrada cercana a la turbina. Esta válvula debe ser cerrada antes de que sea restablecido el sistema de disparo por sobre velocidad. Tener un elemento multidentado para registrar la velocidad, fijado positivamente a la flecha. Este elemento se puede compartir entre el gobernador de velocidad, el sistema de paro por sobrevelocidad y el tacómetro. El sistema de paro por sobrevelocidad debe incluir al menos tres sensores de velocidad dedicados para paro, los cuales no se deben compartir con el sistema de gobierno de velocidad. La falla de cualquier sensor solo debe indicar una alarma, la falla de dos de los sensores debe iniciar el paro. El diseño del sistema de paro electrónico debe cumplir los requerimientos siguientes como mínimo: a) Un intervalo de velocidad de disparo asignable correspondiente al 110 por ciento de la velocidad máxima continúa. b) Indicación de velocidad digital. c) Salidas para un mecanismo actuador de disparo independiente. d) Un medio manual para invalidar el modo automático del disparo por sobrevelocidad para prueba de la parte electrónica del sistema de paro. e) Ajustes que sean cambiables en campo protegidos mediante acceso controlado. CONCUSIONES La aplicación de las turbinas es muy frecuente para obtener energía eléctrica ya sea por cualquier método posible. Un claro ejemplo es que las turbinas se pueden utilizar de muchas maneras como, por ejemplo, en una central térmica, una hidroeléctrica o una geotérmica (ver páginas siguientes). Las turbinas han evolucionado mucho desde que surgieron como unas simples ruedas, después empezaron a conectarse a otros aparatos para utilizarse con máquinas como las de un molino de papel (un claro ejemplo de molino de papel es el de Capelladas) pero aquí no se detuvo su evolución y siguió evolucionando hasta las centrales (normalmente eléctricas) de hoy en día. Un ejemplo de una de las centrales hidroeléctricas más modernas de España es la central reversible de Capdella en el Pallars Jussà. En esta central utilizan el agua del Estany Gento para mover las turbinas y producir, mediante alternadores, energía eléctrica. Pero por la noche se hace el proceso contrario, debajo del lago han hecho un embalse donde almacenan el agua que, por la noche bombean otra vez hacia arriba con una pequeña parte de la energía producida.\nUNIDAD 3: Condensadores y sistemas de alimentación.\n3.1 CONDENSADORES, CLASIFICACIÓN Y FUNCIONAMIENTO.\nEl condensador termodinámico:\nes utilizado muchas veces en la industria de la refrigeración, el aire acondicionado o en la industria naval y en la producción de energía eléctrica, en centrales térmicas o nucleares. Adopta diferentes formas según el fluido y el medio. En el caso de un sistema fluido/aire, está compuesto por un tubo de diámetro constante que curva 180° cada cierta longitud y unas láminas, generalmente de aluminio, entre las que circula el aire. Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor de la turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina de vapor, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico.\nFunción del condensador:\nLa función principal del condensador en una central térmica es ser el foco frío o sumidero de calor dentro del ciclo termodinámico del grupo térmico. Por tanto, su misión principal es condensar el vapor que proviene del escape de la turbina de vapor en condiciones próximas a la saturación y evacuar el calor de condensación (calor latente) al exterior mediante un fluido de intercambio (aire o agua). En el caso de una máquina frigorífica, el condensador tiene por objetivo la disipación del calor absorbido en el evaporador y de la energía del compresor. Adicionalmente, el condensador recibe los siguientes flujos:\nEl aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua-vapor, a través de los cierres de la turbina de vaporo con el agua de reposición al ciclo. Éste debe ser extraído y enviado al exterior mediante eyectores o bombas de vacío. El vapor procedente del escape de la turbo-bomba de agua de alimentación si la hay en la instalación. El vapor de los by-passes de turbina de vapor, que en determinados modos de operación transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en la caldera una vez atemperado. El agua de aportación al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la purga continúa. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado.\nTipos de condensadores para centrales térmicas:\nAxiales. Están situados al mismo nivel que la turbina de vapor. Son típicos de turbina de vapor hasta 150 MW, potencias hasta las cuales el cuerpo de baja presión es de un solo flujo y escape axial. Laterales. Están situados al mismo nivel que la turbina de vapor. El cuerpo de baja presión de la turbina de vapor es de dos flujos. Inferiores. Están situados debajo de la turbina de vapor de baja presión, lo que les obliga a estar metidos en un foso y que el pedestal del grupo turbogenerador esté en una cota más elevada, encareciéndose la obra civil. Dadas las potencias de las centrales convencionales actuales, éste es el tipo de condensador más usualmente empleado. La turbina de vapor de baja tiene doble flujo, pudiendo haber además varios cuerpos.\nUn paso. Hay una única entrada y una única salida de agua en cada cuerpo del condensador. Típica en circuitos abiertos de refrigeración. Dos pasos. El agua entra y sale dos veces en el cuerpo del condensador.\nSegún el número de cuerpos: Un cuerpo. El condensador tiene una sola carcasa. Dos cuerpos. El condensador tiene dos carcasas independientes. Esta disposición es muy útil, ya que permite funcionar sólo con medio condensador. Tipos de condensadores para máquinas frigoríficas\nDe placas. Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de agua es: Condensador (termodinámica).\nEl condensador principal es un intercambiador de calor en el cual el vapor de evacuación que proviene de las turbinas se condensa al ponerse en contacto con una serie de tubos por cuyo interior circula agua de mar fría. El condensador principal es el receptor de calor del ciclo termodinámico y al mismo tiempo provee un medio para recuperar el agua de alimentación y devolverla de nuevo al circuito. Si imaginamos una planta propulsora en la cual no exista condensador principal y las turbinas tengan que evacuar a la atmósfera, y también la enorme cantidad de agua destilada que sería necesaria para aumentar una caldera que genera 75.000 Kgs de vapor por hora, se hace obvia la necesidad del condensador principal como medio de recuperar agua de alimentación. El condensador principal se mantiene bajo un vacío que oscila entre 635 y 723.9 mm de mercurio, dependiendo del tipo de instalación, la cantidad de vapor que recibe (carga), la temperatura del agua de mar y la distancia entre los tubos. El vacío de proyecto para una instalación determinada viene dado en la especificación de cada instalación. Algunas (la mayoría) están proyectadas para trabajar a plena potencia con un vacío de 698.5 mm de mercurio cuando la temperatura del agua del mar es de 23.8ºC. Se dice con frecuencia que una máquina desarrolla mayor cantidad de trabajo útil si su evacuación la realiza en un espacio donde existe una presión baja que si la realiza en contra de presiones más altas. Aunque es cierto, puede dar lugar a interpretaciones erróneas en el caso de una planta de vapor condensado, a causa de la utilización de la palabra presión. La importancia de la presión de evacuación es debida a que dicha presión determina la temperatura a la cual el vapor se condensa. Corno sabemos, un aumento en la diferencia de temperaturas entre la fuente (caldera) y el receptor (condensador) aumenta el rendimiento termodinámico del ciclo. Manteniendo por lo tanto el condensador con vacío, bajamos la temperatura de condensación del vapor y aumentamos la diferencia de temperaturas entre fuente y receptor, aumentando por lo tanto el rendimiento termodinámico del ciclo. En un condensador, la causa principal del vacío (baja presión absoluta) es la condensación de vapor, ello es debido a que el volumen específico del vapor es mucho mayor que el volumen específico del agua. Debido a que el condensador está lleno de aire, cuándo no está en funcionamiento, y que durante el mismo existen asimismo algunas entradas de aire, la condensación del vapor no es suficiente para lograr el vacío inicial y mantenerlo durante el trabajo. En los buques modernos, se utilizan eyectores para eliminar el aire y los gases no condensables y aunque la principal causa del vacío es la condensación del vapor, los eyectores de aire consiguen establecer el vacío inicial y ayudar a mantener el vacío adecuado durante el funcionamiento. Cuando la temperatura del agua de mar es relativamente alta, los tubos del condensador aumentan de temperatura y la transmisión de calor se hace más lenta; debido a ello un barco navegando en los trópicos no puede mantener un vacío tan alto como lo haría otro en aguas más frías. Para el correcto funcionamiento de los condensadores deben tenerse en cuenta dos reglas básicas: - La temperatura de descarga al mar del agua del condensador debe estar alrededor de -12.22ºC por encima de la de entrada. - La temperatura de descarga del condensado debe ser ligeramente inferior a la correspondiente al vacío del condensador Todos los condensadores, llevan dos circuitos. El primero es el de vapor-condensado, en el cual el vapor de evacuación de la turbina entra al condensador por la parte superior y se condensa a medida que se pone en contacto con la superficie externa de los tubos; el condensado cae a la parte baja del condensador, al "pozo caliente" y de allí es aspirado por la bomba de extracción de condensado. El aire y los gases no condensables\nque entran mezclados con el vapor o de algún otro modo, se extraen por medio del eyector de aire a través de su aspiración, situada en el casco del condensador, por encima del nivel de condensado. El segundo circuito, es el formado por el agua de circulación. Durante el funcionamiento, un sistema de inyección por cuchara provee automáticamente la cantidad de agua necesaria para la circulación por el condensador. La cuchara, que está en comunicación con el mar, dirige el flujo de agua a través de la tubería de inyección al cabezal y placa de tubos de entrada, de ahí pasa a través de los tubos a la placa de salida y cabezal de salida de donde se descarga al mar. Bomba de circulación principal provee la necesaria cantidad de agua a través del condensador cuando la cuchara por razones de velocidad no es efectiva. Todos los condensadores principales provistos de inyección por cuchara, son del tipo de tubos rectos y paso simple. Los tubos son de cupro-niquel y su número dependiendo de la potencia de la planta propulsora oscila entre 2.000 y 10.000; sus extremos van expandidos en la placa de entrada y expandidos o empaquetados en la de salida, ambas placas son los elementos que separan el circuito de vapor-condensado del de agua de circulación. Para permitir la expansión y contracción del casco y tubos del condensador, se utilizan diferentes sistemas. El empaquetado en la placa de tubos de salida es uno de los sistemas que permiten la y contracción de los tubos. Cuando van expandidos en ambos extremos, es necesario colocar una junta de expansión en la envuelta; asimismo se colocan juntas de expansión en la tubería de inyección de la cuchara y en la de descarga al mar. Los condensadores van también provistos de soportes flexibles o deslizantes para absorber las diferencias de dilatación entre la envuelta y la estructura que la soporta. Existe un paso central de vapor desde la parte superior del condensador y a través del haz de tubos hasta el pozo caliente, este paso obliga al vapor a extenderse bajo el haz de tubos en la dirección de la sección de enfriamiento de aire, evitando así que el aire vaya al pozo caliente. Parte de este vapor se condensa al caer sobre él las gotas de condensado, calentando a este (que ha sido subenfriado en los tubos) a una temperatura cercana a la de vaporización correspondiente al vacío existente. La diferencia entre la temperatura del condensado a la de salida del condensador y la temperatura de condensación correspondiente al vacío del condensador indica el rendimiento de un condensador y debe mantenerse lo más pequeña posible. Si esta diferencia de temperatura es demasiado alta, es decir, el condensado está excesivamente frío, tendremos que calentarlo a lo largo del circuito de alimentación, con el consiguiente gasto adicional de vapor; asimismo una diferencia alta hace que el condensado disuelva más aire, con la consiguiente necesidad de eliminarlo para evitar el efecto corrosivo del oxígeno en tuberías y calderas. Los condensadores principales llevan interiormente una serie de pantallas, con objeto de separar el vapor del aire y evitar así que los eyectores de aire aspiren cantidades excesivas de vapor mezclado con el aire. Las secciones de enfriamiento de aire y las pantallas separadoras podemos verlas en la figura. En algunas instalaciones, el condensador va colgado de la turbina de baja presión de forma que esta soporta al condensador, en este caso, se colocan soportes uniendo la parte baja del condensador a la estructura del casco para evitar los daños producidos por los balances. En algunos condensadores, parte del peso del condensador se absorbe por medio de muelles que unen la parte baja al casco. El rendimiento de un calcularse midiendo y comparando las energías que entran y salen de él. La energía que entra está formada por: La energía cinética del vapor entrante. La energía térmica del vapor entrante. La energía cinética del agua de mar entrante.\nLa energía cinética térmica del agua de mar entrante. La energía que sale está formada por: La energía cinética en la salida del condensador. La energía térmica del condensado. La energía cinética del agua de mar a la descarga. La energía térmica del agua de mar a la descarga. Sin embargo considerando un condensador real, las energías cinéticas de entrada y salida del agua de circulación son pequeñas y podemos considerar que se anulan una con otra, las energías cinética de entrada del vapor y salida de condensado, pueden asimismo despreciarse; luego en el balance energético, puede solamente considerarse: Energía térmica de entrada del vapor y agua sólida. Energía térmica de salida del condensado y agua salada.\nLa presión óptima:\n(1) Vacío requerido. Las plantas de condensación deben ser conducidas en forma de obtener un vacío más estable y de acuerdo con la instalación para el cual han sido diseñadas. El vacío requerido para el funcionamiento de máquinas alternativas a su máximo rendimiento no sobrepasa de los 660mm de mercurio. La razón de ello es que el volumen específico aumenta a medida que aumenta el vacío, de este modo, con bajas presiones, se alcanza un volumen de vapor excesivo, y las lumbreras de evacuación no pueden ser tan grandes como para darle salida al vapor. Esto requiere un cilindro de baja presión muy grande, y el costo inicial, así como también las dificultades de funcionamiento no compensan lo que se quiere ganar. Los límites a este respecto son tan restringidos en el funcionamiento de las turbinas y en estos tipos de instalaciones el vacío puede ser aumentado hasta de 724 a 737 mm de Hg. Cada instalación de turbinas está diseñada para funcionar a toda fuerza con un vacío, definido. El vacío de diseño para cualquier instalación particular de máquinas puede ser obtenido de los manuales respectivos. El grado de vacío para el cual está diseñada una turbina en gran parte queda determinado por la longitud de las paletas correspondientes a las hileras de descarga en la turbina de baja presión, pues deben ser tales que permitan la evacuación del volumen aumentado del vapor en esa etapa. Se debe tener en cuenta que haciendo la paleta larga se requiere un aumento de peso y espacio para la turbina de baja presión, lo cual no siempre es conveniente. Con alto vacío el volumen específico del vapor aumenta enormemente. Por ejemplo: se duplica para un aumento de 711.2 a 736.6 mm y es aproximadamente dos veces superior entre vacíos de 736.6 a 749.3 mm de Hg. Como resultado de este gran aumento del volumen del vapor y las limitaciones constructivas de peso y espacio, es práctica general en el diseño de turbinas marinas adoptar un vacío de alrededor de 698,3 mm.de Hg. en la descarga de la última hilera de paletas de la turbina de baja presión, cuando la misma desarrolla su máxima potencia. Entre este punto y el condensador hay una nueva caída de presión por la fricción del vapor en el paso o tubo de evacuación. Por esta razón es usual diseñar el condensador para 711 mm de vacío a toda fuerza. El diseño antes mencionado se basa en que existe solamente una cantidad normal de aire en solución. Desarrollando la planta su máxima potencia cualquier elevación sobre el vacío de diseño no origina aumento de potencia ni economía, solamente mostrará que los aparatos de condensación están en buenas condiciones y que no tienen ninguna fuga anormal de aire. Esto es debido a que el área de las paletas son proporcionadas de manera tal que el efecto del aumento no se extiende más allá de la última o penúltima\netapa de expansión. De ser posible obtener una mayor potencia mediante el aumento del vacío, más que un beneficio resultará una pérdida, debido al consumo originado por el mayor trabajo de las auxiliares para conseguir dicho aumento. En cambio, sí el vacío es menor que el de diseño, el efecto se extiende a varias etapas de expansión, lo que da por resultado la necesidad de una mayor cantidad de vapor para desarrollar la misma potencia. Cuando la turbina funciona desarrollando una potencia menor que el máximo, el efecto del vacío debido a la disminución del flujo de vapor se extiende a través de un cierto número de etapas de expansión. Bajo estas condiciones un aumento de vacío tendrá el efecto de disminuir el consumo de vapor, que tendrá entonces mayor cantidad de energía disponible.\n3.1.1 SUPERFICIE DE TRANSFERENCIA DE CALOR.\nCuando a las superficies ordinarias de transferencia de calor se le añaden piezas adicionales de metal, estas últimas extienden la superficie disponible para la transferencia de calor. Mientras que las superficies extendidas aumentan la transmisión total de calor, su Influencia como superficie se trata de una manera diferente de la simple conducción y convección. Tubo ordinario y tubo aleteado. Considere un intercambiador convencional de doble tubo cuya sección transversal se muestra en la figura a), suponga que el fluido caliente fluye en el ánulo y el fluido frío en el tubo interior en flujo turbulento. Luego suponga que al tubo interior se le sueldan aletas de metal como se muestra en la figura b). Puesto que las aletas se fijan a la superficie del tubo frío sirven para Transferir calor adicional del fluido caliente al tubo interior. La superficie total disponible para la transferencia de calor no corresponde ya a la circunferencia exterior del tubo interior, sino que está aumentada por la superficie adicional en loa lados de las aletas. Si las aletas de metal no reducen el coeficiente de transferencia de calor convencional en el ánulo por cambio apreciable de las líneas de flujo, se transferirá más calor del fluido caliente al fluido en el tubo interior.\n3.2 TORRE DE ENFRIAMIENTO.\nEn una torre de refrigeración húmeda el agua caliente puede ser enfriada a una temperatura inferior a la del ambiente, si el aire es relativamente seco. (Ver:Dewpoint). Con respecto al tiro del aire en la torre existen tres tipos de torres de refrigeración:\nBajo ciertas condiciones ambientales, nubes de vapor de agua (niebla) se pueden ver que salen de una torre de refrigeración seca (ver imagen). Las torres de enfriamiento usan la evaporación del agua para rechazar el calor de un proceso tal como la generación de energía eléctrica. Las torres de enfriamiento varían en tamaño desde pequeñas a estructuras muy grandes que pueden sobrepasar los 220 metros de altura y 100 metros de longitud. Torres más pequeñas son normalmente construidas en fábricas, mientras que las más grandes son construidas en el sitio donde se requieren.\nLa torre de refrigeración utilizada como chimenea: En algunas plantas de energía modernas, equipadas con conductos de purificación de gas como la Planta de Energía de Staudinger Grosskrotz enburg y la Planta de Energía de Ro stock la torre de refrigeración también se utiliza como chimenea. En plantas que no tengan conductos de purificación de gas esto causa problemas con la corrosión. Equilibrio de material de una torre de refrigeración húmeda. Cuantitativamente, el equilibrio de material alrededor de un sistema de torre de refrigeración húmeda está controlado por las variables de funcionamiento estructurales tasa de flujo, evaporación y pérdidas por viento, tasa de trasegado, y ciclos de concentración:\nEn el boceto anterior, el agua bombeada desde el depósito de la torre es el agua refrigerante encaminada a través de enfriadores del proceso y los condensadores en una instalación industrial. El agua fría absorbe calor de las corrientes calientes del proceso que necesitan ser enfriadas o condensadas, y el calor absorbido calienta el agua circulante (C). El agua calentada vuelve a la cima de la torre de refrigeración y cae en chorros finos – presentando gran superficie para su enfriamiento con el aire – sobre el material de relleno dentro de la torre. A medida que gotea, el contacto con el aire que sube por la torre, por tiro natural o forzado por grandes ventiladores. Este contacto provoca que una pequeña cantidad de agua sea pérdida por arrastre del viento (W) y otra parte del agua (E) por evaporación. El calor necesario para evaporar el agua se deriva de la propia agua, que enfría el agua a su regreso al depósito original y en donde queda a disposición para volver a circular. El agua evaporada deja las sales que lleva disueltas entre el grueso del agua que no ha sufrido la evaporación, lo que hace que la concentración de sales se incremente en el agua de refrigeración circulante. Para evitar que la concentración de sales en el agua llegue a ser demasiado alta, una parte del agua es retirada (D) para su vertido. Se suministra al depósito de la torre nuevo contingente de agua fresca (M) para compensar las pérdidas por el agua evaporada, el viento, y el agua retirada. El equilibrio del agua en todo el sistema es: M=E+D+W Dado que el agua evaporada (E) no tiene sales, el equilibrio de cloruros del sistema es: M (XM) = D (XC) + W (XC) = XC (D + W) Y, en consecuencia: XC / XM = Ciclos de concentración = M ÷ (D + W) = M ÷ (M – E) = 1 + [E ÷ (D + W)] De un equilibrio de calor simplificado de la torre: E = C · ΔT · Cp ÷ HV Donde: HV ΔT Cp = calor latente de vaporización del agua = alrededor de 2260 kJ / kg = diferencia de temperaturas del agua de la cima de la torre a su base, en °C = calor específico del agua = alrededor de 4.184 kJ / kg / °C\nLas pérdidas por viento (W), en ausencia de datos del fabricante, pueden estimarse que son: W = 0,3 a 1,0 % de C para torres de refrigeración de tiro natural. W = 0,1 a 0,3 % de C para torres de refrigeración de tiro inducido. W = alrededor de 0,01% de C si la torre de refrigeración tiene eliminadores del efecto del viento. Los ciclos de concentración en las torres de refrigeración en una refinería de petróleo normalmente se encuentran entre el 3 al 7. En algunas grandes plantas de energía. Los ciclos de concentración de las torres de refrigeración pueden ser mucho más altos.\n4.1 CICLO BRAYTON DEFINICIÓN. CICLO TERMODINAMICO DE LAS TURBINAS DE GAS El modelo termodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton, a pesar de que se generaliza como ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado diferente al que tenía cuando inició los procesos, se podría decir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo. El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos: 1-2. Compresión isentrópica en un compresor. 2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión. 3-4. Expansión isentrópica en una turbina. 4-1. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera.\nEn el ciclo Brayton, el trabajo neto realizado por unidad de masa es la diferencia entre el trabajo obtenido en la expansión y el trabajo invertido en la compresión, es decir: Wnet = Wt - Wc Para un gas ideal, el trabajo neto puede escribirse como: Wnet = Wt – Wc\nAl igual que en el ciclo Ranking, la eficiencia térmica del ciclo Brayton es la relación entre el trabajo neto desarrollado y el calor adicionado: ηter = Wnet / qA\n4.1.1 LA EFICIENCIA TÉRMICA DEL CICLO BRAYTON PARA UN GAS IDEAL PUEDE ESCRIBIRSE COMO:\nEsquema del ciclo brayton.\n2. MODIFICACIONES CICLO BASICO EN LAS TURBINAS DE GAS La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal depende de la compresión. Si se aumenta la relación de compresión en el ciclo será necesario suministrar más calor al sistema debido a que las líneas de presión constante divergen hacia arriba y hacia la derecha en el diagrama T-s y la temperatura máxima del ciclo será mayor. Como el calor suministrado es mayor, la eficiencia térmica aumentará con el ratio de compresión.\nMODIFICACIONES BÁSICAS DEL CICLO TERMODINAMICO:\nFigura 3. Diagrama T-s de ciclos termodinámicos básicos de las turbinas de gas con diferentes relaciones de compresión. Sin embargo la temperatura máxima del ciclo está limitada por los materiales en los cuales están construidos los componentes y por lo tanto se requerirán sistemas de refrigeración más eficientes. La eficiencia del ciclo también se ve afectada por las pérdidas en el compresor, en la turbina y en las caídas de presión en la cámara de combustión y otros pasajes. Podemos verlo en el diagrama que representa estas condiciones en el ciclo, disminuyendo en consecuencia la eficiencia del ciclo.\nA diferencia del ciclo Ranking, el proceso de compresión para elevar la presión en el ciclo Brayton requiere un gran consumo de energía y gran parte del trabajo producido por la turbina es consumido por el compresor, en un porcentaje que puede estar entre 40% y 80%. Esta desventaja frente al ciclo Ranking hace necesario prestar una mayor atención en el diseño de turbinas de gas ya que cualquier pérdida de presión en la cámara de combustión y demás componentes entre el compresor y la turbina debe compensarse con mayor trabajo en el compresor. Adicionalmente, la eficiencia del compresor y la turbina juegan un papel muy importante, debido a que eficiencias cercanas al 60% en estos componentes ocasionarían que todo el trabajo producido por la turbina sea consumido por el compresor y por tanto la eficiencia global sería cero. Es posible hacer algunas modificaciones al ciclo Brayton básico para obtener valores más favorables de eficiencia térmica y trabajo neto. Las modificaciones que podemos hacer son las siguientes: 4.2 TURBINAS DE GAS. Las turbinas de gas son turbo máquinas que, de un modo general, pertenecen al grupo de máquinas térmicas generadoras y cuya franja de operación va desde pequeñas potencias (30 KW para las micro turbinas) hasta 500 MW para los últimos desarrollos. De esta forma, compiten tanto con los motores alternativos (ciclos termodinámicos OTTO y DIESEL) como con la instalaciones de vapor de pequeña y media potencia. Las turbinas de gas han sufrido un fuerte desarrollo desde que en 1939 se exhibiera en Suiza el primer modelo de turbina industrial para la generación de energía eléctrica. La aparición de las centrales térmicas de ciclo combinado y la exigencia de mayores potencias, mayores rendimientos, mayor disponibilidad y mayor fiabilidad han hecho de la turbina de gas uno de los equipos en los que se centra una buena parte de la investigación para generación de energía a partir de combustibles fósiles. Además, la posibilidad de hibridación con energías renovables (solar térmica) y nuevos ciclos basados en el Hidrógeno o el Helio hacen pensar que el desarrollo de las turbinas de gas continuará a un ritmo creciente los próximos años. 4.1.1 EFICIENCIA DEL CICLO. Listado de artículos que incluye esta sección: Sus principales ventajas son su pequeño peso y volumen en relación a su potencia y la flexibilidad de su operación. Esto hace que sean máquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones, especialmente las referidas a la generación de electricidad y a la propulsión de buques y aviones, esté en claro aumento. Al ser máquinas rotativas presentan una clara ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de movimientos alternativos y de rozamientos entre superficies sólidas (como las que se dan entre pistón y camisa), lo que se traduce en menores problemas de equilibrado y menores consumos de aceite lubricante, que además no están en contacto con superficies calientes ni con productos de combustión. Comparadas con las turbinas de vapor, las turbinas de gas apenas tienen necesidades de refrigeración, lo que facilita enormemente su instalación. Además, su baja inercia térmica les permite alcanzar su plena carga en tiempos muy bajos, lo que las hace ideales para determinadas aplicaciones en las que se requiere variaciones de carga rápidas (regulación de red o abastecimiento de picos de demanda).\nEsta simplicidad comparada con turbinas de vapor y con motores alternativos otorga a las turbinas de gas dos ventajas adicionales: un mantenimiento sencillo comparado con otras máquinas térmicas y una elevada fiabilidad. En efecto, la reducción de las necesidades de lubricación y refrigeración, la continuidad del proceso de combustión y la ausencia de movimientos alternativos hace que la probabilidad de fallo disminuya. Una instalación de generación eléctrica basada en una turbina de gas puede alcanzar con facilidad valores de disponibilidad superiores al 95% y valores de fiabilidad cercanos al 99% si la instalación está bien diseñada, bien construida, bien operada y con un adecuado nivel de mantenimiento. No obstante, también tienen algunos inconvenientes importantes, entre los que hay que destacar dos: la alta velocidad de rotación y su bajo rendimiento (30-35%) comparado con los motores alternativos diesel (algunos desarrollos ya alcanzan el 50% de rendimiento) o con las turbinas de vapor (valores del 40% son muy normales). Normalmente se entiende por turbina de gas el conjunto formado por los siguientes elementos: Compresor, responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo. Sistema de aporte de calor al fluido. Elemento expansor, o turbina propiamente dicha.\nSus aplicaciones son muy variadas, siendo su campo de aplicación el más amplio entre los motores térmicos. Inicialmente se utilizaron para la realización de trabajo mecánico. Posteriormente se trasladaron al campo de la aeronáutica como elemento propulsor, sobre todo a partir de la segunda guerra mundial. Más tarde se utilizaron como elemento motor para la generación de energía eléctrica, aplicación para la que se han desarrollado modelos específicos que han tratado de adaptarse a las exigencias de ese mercado. La posibilidad de aprovechar el calor de los gases de escape para producir vapor aprovechable en la industria como energía térmica o para producir más energía eléctrica (en los denominados ciclos combinados gasvapor) han provocado una auténtica revolución en el mercado de la generación eléctrica, donde la turbina de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos años. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.\n4.2 TURBINAS DE GAS. Tipos de Turbina de Gas La turbina de gas es una máquina diseñada para utilizar la energía aportada por los gases que salen de una cámara de combustión a alta presión y muy altas temperaturas, por lo que llevan mucha energía, dichos gases al chocar contra los alabes de la turbina de expansión provocan su giro, este giro lo podemos aprovechar para mover un generador y producir electricidad o provocar un impulso utilizado para mover por ejemplo un avión. Existen diferentes tipos de turbinas dependiendo de su origen, disposición de la cámara de combustión y ejes con los que cuente. Dependiendo de su origen las podemos clasificar como: 1) Aeroderivadas: Son aquellas que tiene su origen en turbinas diseñadas para propulsar aviones, son compactas, robustas, tienen una alta relación potencia/peso, son versátiles de operar, ya que al derivar de aviones estos nos van siempre a un ritmo constante y pueden necesitar subidas o bajadas rápidas de potencia, su arranque es más sencillo que las diseñadas para uso industrial puro. Sus potencias rondan los 50 MW. Todas estas características las hacen fáciles de mantener y sustituir en caso necesario.\n2) Industriales: Son turbinas diseñadas desde su origen para uso industrial por lo que su peso y tamaño es mayor al no estar limitadas por su lugar de utilización, por lo que al ser de gran tamaño en general las revisiones se llevan a cabo en la misma planta. Se ha buscado siempre grandes potencias para producción eléctrica estas pueden llegar hasta unos 500 MW, también se ha buscado que estén operando el mayor tiempo posible de forma constante, ya que sus paradas son más largas que la de las aeroderivadas por lo que se pierde más dinero al no tenerla funcionando. Su rendimiento eléctrico es algo menos importante que en las aeroderivadas, ya que puede aprovechar el calor de sus gases de escape para cogeneración. Su velocidad de rotación es importante ya que al ser usadas para la producción de electricidad deben rondar los 50-60 Hz..\n4.2.1 CLASIFICACIÓN Y PARTES CONSTITUTIVAS. .Dependiendo del número de ejes las podemos clasificar como: 1) Mono eje: En este tipo de turbinas el compresor, turbina y generador, están todo unidos en el mismo rotor girando de forma solidaria, son las más comunes para uso de generación eléctrica. Su velocidad de giro suele estar en 3000 rpm para ajustarse a los 50 Hz de la red eléctrica.\nFigura 6. Turbina Monoeje. 2) Multieje: Este tipo de turbinas está dividido el eje en dos, un eje en el que está el compresor y la turbina de alta, que es la encargada de impulsar al compresor. En el otro eje se encuentran la turbina de potencia que es la que mueve el generador. Este tipo de configuración se usa en turbinas aeroderivadas y de pequeña potencia ya que tiene buen comportamiento frente a variaciones de carga.\nAdmisión de aire El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire 4.2.3 CAMARAS DE COMBUSTION. Figura 2. Turbina de uso industrial para producir electricidad. Dependiendo de su tipo de cámara de combustión las podemos clasificar en tres categorías: 3) Cámaras de combustión tipo Silo: Este tipo de turbinas tienen la cámara de combustión fuera del eje que une la turbina y el compresor, puesto en la parte superior, los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta, son turbinas que por ahora se utilizan para combustibles experimentales como el hidrogeno.\nFigura 3. Cámara de combustión tipo Silo. 2) Cámaras de combustión Anulares: En este tipo de cámara de combustión, la cámara forma un anillo continuo alrededor del eje entre el compresor y la turbina, los quemadores los tiene dispuestos a lo largo de todo el anillo, la mezcla combustible/comburente y la distribución de temperaturas es menos uniforme que en las tubo anulares, aunque también son menores las pérdidas de carga y tiene una buena refrigeración la cámara de combustión. Las turbinas con este diseño suelen ser aeroderivadas, principalmente utilizadas por los fabricantes Alstom y Siemens.\nFigura 4. Cámara de combustión Anular. 4) Cámaras de combustión Tubo anulares: Este tipo de cámaras de combustión está formada por una serie de cilindros puestos alrededor del eje cada uno con su quemador y sistema de encendido, por lo que en caso de que uno no encienda puede provocar grandes diferencias de temperatura con los problemas que esto puede acarrear. Son más pesadas al tener varias cámaras de combustión, pero tienen una mayor resistencia estructural. Sus fabricantes son General Electric y Mitshubishi.\n4.2.4 COMPRESORES. La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina. El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas, como se verá más adelante. Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de álabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin. 4.2.5 REGENERADORES. CICLO DE UNA TURBINA DE GAS SIMPLEMENTE CON REGENERADOR El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede mejorarse con la adición de un regenerador. Se puede observar el ciclo en la gráfica siguiente:\nObserve como el intercambiador de calor utiliza la energía en forma de calor de los gases de escape para calentar el aire de entrada a la cámara de combustión. Note que el ciclo 1-2x3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado 4, es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto puede transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresor; si esto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido como regenerador, la temperatura de los gases que salen del regenerador Tx’\npueden tener en el caso ideal, una temperatura igual a T4, es decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En este caso la transmisión de calor de la fuente externa sólo es necesaria para elevar la temperatura desde Tx hasta T3 y esta transmisión de calor está representada por el área x-3-d-b-x; el área y1-a-c-y y representa el calor cedido. La influencia de la relación de presión en el ciclo simple de una turbina de gas con regenerador, se ve al considerar el ciclo 1-2’-3’-4-1; en este ciclo, la temperatura de los gases de salida de la turbina es exactamente igual a la temperatura de los gases que salen del compresor; por lo tanto, aquí no hay posibilidad de utilizar un regenerador. Esto puede verse mejor al determinar el rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador. El rendimiento de este ciclo con regeneración se encuentra como sigue, donde los estados son:\nVemos, así, que para el ciclo ideal con regeneración el rendimiento térmico depende no sólo de la relación de presión, sino también de la relación de la mínima a la máxima temperaturas. También notamos que, en contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al aumentar la relación de presión. El rendimiento térmico contra la relación de presión, para este ciclo. La efectividad o rendimiento de un regenerador está dada por el término rendimiento del regenerador; El estado x representa a los gases de alta presión que salen del regenerador. En el regenerador ideal habría una diferencia infinitesimal de temperaturas entre los dos flujos y los de alta presión saldrían del regenerador a la temperatura Tx’ pero T3’ = T4. En el regenerador real que debe operar a una diferencia de temperaturas finita Tx y, por lo tanto, la temperatura real que sale del regenerador, es menor que Tx’. El rendimiento del regenerador se define como\nSi suponemos el calor que el calor específico es constante, el rendimiento del regenerador también está dado por la relación.\n4.2.6 CURVAS DE OPERACIÓN. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO LAS TURBINAS DE GAS EN DIVERSOS REGÍMENES DE\nUna turbina de gas, en general, no funciona a plena potencia, por lo que la variación del rendimiento es un factor de gran importancia económica; para adaptar una turbina de gas a una potencia dada se puede actuar sobre: - La temperatura de admisión de los gases en la turbina Φ - El nº de rpm del compresor n, lo que implica una modificación del gasto G y de la relación Δ de compresión, que sólo es posible cuando el alternador pueda admitir variaciones de velocidad de gran amplitud El punto de funcionamiento viene definido por la intersección de las curvas características de cada máquina. Curvas características del compresor.- Las curvas características del compresor se representan, normalmente, en un diagrama en el que sobre el eje de ordenadas se lleva el grado de compresión, y sobre el eje de abscisas el gasto másico G en (kg/seg) para una velocidad de rotación determinada n, permaneciendo invariables las condiciones en la aspiración (p1, T1). Las curvas características del compresor (n = Cte) son de forma parabólica, viniendo limitadas por su parte superior debido a problemas de bombeo, (zona inestable), por lo que sólo poseen parte estable. En variables reducidas se pueden representar en la forma En la Fig II.1 se han representado ambos tipos de curvas para diversas velocidades, n1, n2, n3,..., así como la colina de las curvas de igual rendimiento. Curvas características de la turbina.- Si la relación de expansión es elevada, el fluido se comporta como compresible, y las curvas características de la turbina se pueden obtener asimilándola a una tobera, cuyo gasto depende únicamente de las condiciones impuestas por su garganta, pudiéndose expresar en función de los parámetros del fluido a la entrada de la turbina (p3, T3). 4.2.7 SISTEMAS DE REGULACION Y PROTECCION. Cámara de combustión En ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar. Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes más calientes de la cámara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cámara de combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los álabes de la turbina, saliendo por\norificios en los bordes que crean una película sobre la superficie de los álabes. Turbina de expansión En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor. Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN, que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).\nUnida 5: ciclo combinado\n5.1 CICLO BRAYTON RANKINE. DEFINICION. Consiste en la integración de dos o más ciclos termodinámicos energéticos par logra mayor conversión de energía aportada al trabajo o potencia, termodinámicamente este implica la unión del ciclo brayton y la del ciclo rankine de moderada temperatura el calor residual: el calor residual del escape del ciclo baryton sirve como calor de aporte al ciclo rankine. El reto que se plantea en tales sistemas es minimizar los costos cuando el generador de vapor recuperador del calor suministra, al menos parte de tal vapor para un proceso la aplicación suele denominarse cogeneración. Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la co-existencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión.1 En la propulsión de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsión COGAG.\nCentrales termoeléctricas de ciclo combinado Esquema básico de funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado. En la actualidad se están construyendo numerosas centrales termoeléctricas de las denominadas de ciclo combinado, que son un tipo de central que utiliza gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas todavía tienen una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente alternador para generar energía eléctrica.1 Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales solo funciona la turbina de gas; a este modo de operación se lo llama ciclo abierto.2 Si bien la mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y diesel) incluso en funcionamiento. Como la diferencia de temperatura que se produce entre la combustión y los gases de escape es más alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.Este tipo de centrales generaron el 32% de las necesidades españolas de energía eléctrica en 2008. 5.1.1 EFICIENCIA DEL CICLO. Las principales diferencias entre una Planta de Ciclo Combinado y una central térmica clásica un simple vistazo exterior a una central térmica clásica y a una Planta de Ciclo Combinado sirve para darse cuenta ya a primera vista de las grandes diferencias que existen entre ellas. Pero si además analizamos una por una sus características, entonces el resultado de la comparación es rotundo: no tienen nada que ver. Utiliza gas natural Las diferencias empiezan ya por el combustible utilizado para generar energía. Una Planta de Ciclo Combinado utiliza gas natural, el mismo que se emplea cada vez más para uso doméstico. Esto evita por completo la posibilidad de formación de humos negros, hollines, partículas, óxidos de azufre o cenizas.\nNo necesita almacenamiento Otra ventaja derivada del uso del gas natural como combustible es el hecho de que no necesita almacenarse. Se toma directamente del gasoducto de la red existente, evitando así la posibilidad de derrames o accidentes, además del tráfico de camiones, habitual en las poblaciones donde hay instalada una central térmica clásica. Mayor eficiencia energética La tecnología de Ciclo Combinado permite aprovechar el calor residual, transformándolo en electricidad. Su rendimiento es de un 56% frente al 30-34% de las centrales térmicas clásicas. Es decir, con la misma cantidad de energía genera por encima de un tercio más de electricidad, con el consiguiente ahorro de recursos naturales. Mayor eficiencia que también permite reducir las emisiones de CO2 a la mitad y las de NOx a una décima parte, dejándolos en niveles irrelevantes y absolutamente respetuosos con toda normativa vigente al respecto. No emite contaminantes Tampoco produce dioxinas ni furanos ya que estos sólo se forman mediante la combustión de productos con cloro como el carbón, el lignito o los derivados del petróleo, combustibles habituales en las centrales térmicas tradicionales. Reducido volumen de edificación El volumen de edificación de una Planta de Ciclo Combinado es tremendamente reducido en relación con el tamaño habitual de una central térmica clásica. Por ejemplo, las chimeneas de una central térmica clásica suelen tener una altura mínima de 200 metros, frente a los 70 metros de la Planta de Ciclo Combinado proyectada en Corvera. En cuanto al volumen de edificación, en la Planta de Ciclo Combinado Asturias Generación es incluso menor de lo habitual porque se ha sustituido la subestación eléctrica habitual por una subestación interior blindada diez veces inferior. Y además, como funciona a gas natural, tampoco necesita depósitos. Menor tiempo de construcción: Otra ventaja adicional es el tiempo que se necesita para su edificación. Sólo son necesarios dos años y medio para construir una Planta de Ciclo Combinado mientras que el periodo necesario para una central térmica clásica está entre los cinco y los siete años.\n24314794 Ciclo Rankine Con Recalentamiento Intermedio\nciclos d sobre calentamiento recalentamiento regeneracion.docx\n06 Ciclos de Potencia\n2017 10 08 Solucion Primer Examen A