INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA
SISTEMAS DE GENERACION DE ENERGIA
TRABAJO UNIDAD 1:
CENTRALES TERMICAS DE VAPOR Y
GENERADORES DE VAPOR
TEMA PAG
DEFINICIÓN Y FUNCIÓN DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE VAPOR 3
CLASIFICACIÓN, DESCRIPCIÓN, FUNCIÓN E INSTALACIÓN DE LAS PRINCIPALES PARTES DEL GENERADOR DE VAPOR.
4
CONDENSADORES Y SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN. ………. 23
CLASIFICACIÓN Y FUNCIONAMIENTO 30
TORRE DE ENFRIEMIENTO ………. 32
CICLO HIDROLÓGICO 37
IMPUREZAS, DUREZA Y EFECTOS………. 38 SISTEMA DE TRATAMIENTO DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN
44
CALENTADORES DEL AGUA DE
ALIMENTACIÓN……… 53
COMFORMACIÓN
56 CICLO
CICLO BRAYTON
65
CICLO COMBINADO
……… 72
DEFINICIÓN Y FUNCIÓN DE LAS CENTRALES TÉRMICAS DE VAPOR
Las centrales térmicas convencionales queman gas natural, carbón, fuel-oil para producir electricidad por medio de la combustión.
DEFINICIÓN DE CENTRAL TERMICA
Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo.
El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.
FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA
En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fuel -óil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fuel -óil o gas.
Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado.
El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado).
Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación.
El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento.
La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador asíncrono acoplado a la turbina.
CLASIFICACIÓN, DESCRIPCIÓN, FUNCIÓN E INSTALACIÓN DE LAS PRINCIPALES PARTES DEL GENERADOR DE VAPOR.
La generación de vapor para el accionamiento de las turbinas se realiza en instalaciones generadoras comúnmente denominadas calderas. La instalación comprende no sólo la caldera propiamente dicha, sino, además, componentes principales y accesorios tales como:
Economizadores y chimeneas. Sobrecalentadores y recalentadores. Quemadores y alimentadores de aire. Condensadores.
Bombas y tanques de alimentación. Domos.
En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y posiblemente el recalentamiento y sobrecalentamiento del vapor. La caldera puede incluir en su estructura alguno de los componentes citados.
Las calderas se pueden clasificar según:
a) El pasaje de fluidos, en humotubulares o acuotubulares.
b) El movimiento del agua, de circulación natural o circulación forzada. c) La presión de operación, en subcríticas y supercríticas.
Las calderas primitivas consistían en un gran recipiente lleno de agua que era calentado por un fuego en su parte inferior. El gran volumen de agua en estado de ebullición generaba fácilmente situaciones de gran riesgo al excederse la presión máxima admisible.
Para aumentar la superficie de contacto gas-metal, y disminuir la cantidad de agua en ebullición se crearon primero las calderas humotubulares, en las que los gases de combustión circulan por tubos inmersos en el agua.
El próximo paso en el desarrollo fue la creación de las calderas acuotubulares, en las que el agua circula por tubos que forman las paredes del hogar. De este modo se maximiza la transferencia de calor y se minimiza el volumen de agua reduciendo el riesgo de explosión.
2. Calderas humotubulares
Son calderas pequeñas, comúnmente utilizadas para producir agua caliente para calefacción y proceso, aunque las hay productoras de vapor de relativamente baja presión (hasta 12 atm).
Las hay de uno o varios pasos de los gases por los tubos, de distintas configuraciones (fondo y/o piso húmedo o refractario, compactas, verticales). Si bien la limpieza de los tubos de humo es sencilla, requieren buena calidad de agua, pues la limpieza de los tubos en su parte externa ( depósitos calcáreos) es dificultosa.
Caldera humotubular de un paso (Shield)
3. Calderas acuotubulares
Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamado de paredes de agua. El recinto posee aberturas para los quemadores y la salida de gases de combustión. La circulación del agua puede ser natural, debida a la diferencia de densidad entre agua fría y caliente. El agua en ebullición se acumula en un recipiente llamado domo donde se separa el vapor del agua:
Caldera acuotubular de 2 pasos de humos y circulación natural (Shield)
Estas calderas son económicas por la ausencia de las bombas de líquido pero de baja producción de vapor por la baja velocidad de circulación del agua.
Para obtener mayores caudales de vapor y mayores presiones se utilizan bombas de alimentación de agua, pudiendo operarse incluso por encima del punto critico de la campana de vapor (21.7 Mpa = 220 atm)
La figura siguiente ilustra un circuito típico del tipo Benson. Si se añade una bomba de recirculación, para mover rápidamente el agua en los tubos evaporadores, y un domo para separar el vapor se tiene el tipo Lamont.
COMPARATIVA DE CALDERA PIROTUBULAR Y ACUOTUBULAR
La generación de vapor a escala industrial cuenta con más de 200 años de historia. El primer siglo se caracteriza exclusivamente por calderas comparables con las actuales calderas pirotubulares. En el año 1875 [1], es decir, 106 anos después de que James Watt inventase la caldera y la máquina de vapor, la empresa Steinmuller diseño la primera caldera acuotubular.
Desde entonces, el desarrollo de las calderas acuotubulares ha sufrido un espectacular cambio de rumbo en lo que se refiere a presión y capacidad. En 1927 entro en servicio la primera caldera Benson con una capacidad de 30 t /h a 180 bar y 450 oC. Ya en los años sesenta, se diseñaron calderas supercriticas, con una presión superior a 350 bar y temperaturas de más de 600 oC. En 1970 se consiguió una producción máxima de 1 000 t /h. Solo 5 años más tarde fue posible fabricar calderas de tubos de agua con capacidades de vapor de más de 2 000 t /h.
Debido al principio de diseño, no pueden conseguirse unas producciones tan grandes ni unos parámetros de vapor tan extremos en calderas pirotubulares. Sin embargo, las calderas pirotubulares son aún objeto de mejoras hoy en día. Algunos ejemplos de mejoras – inicialmente implantadas por Bosch Industriekessel GmbH – es la introducción en 1953 de una caldera de tres pasos con cámara de inversión refrigerada por agua, el desarrollo de una caldera de doble hogar de combustión (1956) o los electrodos de seguridad para controlar el nivel mínimo de agua (1977). De esta manera, hoy en día pueden cubrirse con seguridad y de forma económica unas producciones de vapor de hasta 55 t /h casi
pueden alcanzarse presiones de hasta 30 bar y temperaturas de hasta 300 ºC en vapor sobrecalentado. La figura 1 muestra el diseño de una moderna caldera pirotubular con doble hogar de combustión. Todos los aspectos mencionados anteriormente demuestran que los dos principios de diseño tienen su justificación. En términos generales, no es ni razonable ni posible sustituir un diseño por el otro en determinados casos claramente definidos.
Seguridad
En algunos países en vías de desarrollo de Asia y de Sudamérica las calderas pirotubulares no están demasiado extendidas. Los fabricantes locales de estas calderas proporcionan unos niveles de calidad que no alcanzan en ningún modo los niveles alemanes. Lo mismo puede decirse de los elementos de seguridad referidos al exceso de presión y a la falta de agua. En consecuencia, los niveles de seguridad son bajos. Debido al temor que producen las consecuencias catastróficas de la explosión de una caldera, se favorece el diseño acuotubular, dada la mayor capacidad de agua de las calderas pirotubulares y también, a veces, debido a la actitud extremadamente conservadora de algunos proyectistas y empresas de ingeniería. Además de los factores de seguridad, un aspecto decisivo en los países antes citados es la escasa vida útil de las calderas pirotubulares fabricadas en estos países.
Aspectos de Funcionamiento
Esta sección del informe trata de los requisitos de calidad del agua, el mantenimiento y de las revisiones periódicas de seguridad. La calidad del agua de la caldera y del agua de alimentación, es de gran importancia para todo tipo de calderas de vapor. Sin embargo, existen importantes diferencias – económicas, por ejemplo – en los requisitos referidos a la calidad del agua. En el caso de las calderas acuotubulares, no es aconsejable su funcionamiento con salinidad en el
agua, en la mayor parte de diseños [6]. En las calderas acuotubulares, la salinidad representa una conductividad del agua de la caldera de ≤ 2 000 μS/cm.
En los flujos de calor locales > 250 kW/m², se necesita normalmente agua sin sales, al objeto de evitar la obstrucción en los tubos y que impida la transferencia térmica. Estos requisitos solo pueden ser satisfechos mediante la instalación de complicados y costosos sistemas de tratamiento de agua. En principio, las calderas pirotubulares pueden funcionar con salinidad en el agua (conductividad ≤ 6 000 μS/cm). No se producen efectos perjudiciales sobre la superficie de calefacción de la caldera, debido a los depósitos de sal. Pueden utilizarse sencillas plantas de descalcificación de agua para su tratamiento. El tipo de tratamiento de agua viene determinado por aspectos económicos, así como por la calidad del agua disponible. El factor decisivo es la duración de la amortización de los sistemas de tratamiento de agua de alta calidad, que puede resultar de una reducción en el volumen de desmineralización.
Otra diferencia es el tamaño en relación con la capacidad térmica. Normalmente, las calderas pirotubulares requieren menos espacio para similares capacidades. El mantenimiento puede llevarse a cabo de una forma más sencilla en las calderas pirotubulares que en las acuotubulares. Esto se debe en gran parte a unos esfuerzos claramente menores durante la puesta en marcha y durante el paro, asi como al facil acceso a las superficies de calefacción.
Lo mismo puede decirse en referencia a las revisiones periódicas. Para las calderas pirotubulares fabricadas de conformidad con las anteriormente citadas normas de seguridad, se ha comprobado la viabilidad de un sistema muy sencillo, claro y económico; es decir, una inspección ocular de los principales componentes de la caldera, seguida de una prueba hidrostática bajo presiones de prueba
incrementadas – véase [3]. Esto permite evitar casi totalmente las revisiones de carácter no destructivo tales como las mediciones con ultrasonidos. En las calderas acuotubulares, no se han podido aplicar las pruebas hidrostáticas con presiones de prueba incrementadas, por diversas razones cuya discusión no forma parte del presente informe. Por otra parte, varias zonas de una típica caldera acuotubular son inaccesibles a la inspección ocular (zonas aisladas). Por lo tanto, es necesario hacer un uso muy amplio de las mediciones con ultrasonidos.
Características Físicas
A continuación, se expondrán diversos aspectos que son el resultado directo de los respectivos principios de diseño: contenidos de agua, acumulaciones, características de la carga parcial. En relación con la capacidad térmica generada, la caldera pirotubular contiene mucha más agua que la caldera acuotubular. Por lo tanto, la caldera pirotubular es más resistente ante las fluctuaciones de vapor o demandas de vapor que excedan temporalmente la producción nominal de la
térmica. Este „comportamiento inofensivo“no es el característico de las calderas acuotubulares en virtud de su diseño. Las fluctuaciones en la presión tendrán una influencia inevitable sobre los cambios en la densidad. Dada su menor capacidad de agua, la caldera acuotubular puede utilizarse en diversos países como lo que se denomina „caldera producto“; es decir, su instalación puede llevarse a cabo más fácilmente [7].
Un factor esencial en relación con la duración de las calderas de vapor es el número de arranques del quemador. En este sentido, es decisivo – aparte de un ajuste adecuado de la caldera /sistema – también el nivel de carga mínima que puede producir la caldera. En el caso de ciertos diseños de calderas acuotubulares generadoras de vapor sobrecalentado, esta carga mínima se corresponde con la mínima capacidad técnica proporcionada por el quemador. En las calderas acuotubulares, la carga mínima del quemador no puede normalmente proyectarse a la caldera ya que la reducción del caudal másico en la zona de agua, influye negativamente sobre la transferencia térmica causando efectos no deseados de avería por calor excesivo, con un rango de flujos térmicos elevados. Costes y Tiempo
Siempre y cuando puedan cubrirse determinados requerimientos mediante diversos modelos de calderas pitotubulares, la elección de una caldera pirotubular representa una alternativa más económica, si los niveles de costes de fabricación y de calidad son comparables. Por otra parte, los plazos de entrega así como el tiempo necesario para instalar la planta son más reducidos. Por regla general, las calderas pirotubulares ofrecen un mayor rendimiento que las calderas acuotubulares. Esto ocurre también mientras están funcionando ya que pueden someterse a operaciones de mantenimiento con facilidad durante su funcionamiento; es decir, las calderas pirotubulares se caracterizan por una mayor economía también mientras funcionan.
Sumario
Normalmente, las gamas de aplicación de las calderas pirotubulares y las calderas acuotubulares están claramente definidas. Es sencillamente imposible utilizar una caldera pirotubular para generar 1 000 t /h de vapor a 180 bar y 450 ºC. Hasta una producción de aproximadamente 200 t /h, 30 bar y 300 ºC, la mejor elección es, generalmente, el uso de una o más calderas pirotubulares, debido a que son más económicas en su adquisición y mantenimiento. Los modernos procesos de fabricación y la observación de las normas relativas al diseño de seguridad inherente, permiten un alto grado de seguridad y duración. Los anteriores aspectos se encuentran resumidos en la tabla presentada.
Criterios Calderas Pirotubulares Calderas Acuotubulares
Calidad del agua Menores exigencias, posiblefuncionamiento con salinidad del agua
Mayores exigencias, es necesario un bajo
nivel de salinidad para su funcionamiento
Mantenimiento fácil de limpiar Más costoso
Revisiones periódicas Inspección ordinaria, seguida
de una prueba
hidrostática, raramente son necesarias otras
pruebas de carácter no destructivo, como
por ej. as mediciones con ultrasonidos, en
caso contrario se efectúan en zonas muy
reducidas
Son necesarias mediciones con ultrasonidos
además de prueba
hidrostática; es decir,
pruebas costosas en tiempo y dinero
Costes para niveles
comparables de
gasto de fabricación y calidad
Menores Mayores
Rendimiento Mayor, de fácil mantenimiento Menor; es más difícil realizar
su mantenimiento en funcionamiento Características de la carga
parcial
Puede aprovecharse el control del quemador;
cuando caiga por debajo de la carga
mínima, el quemador puede apagarse sin
problemas
En el caso de determinados diseños, debe
limitarse la carga parcial; el quemador no
puede apagarse manualmente
Contenido de agua Mayor, debido a su diseño Menor
Capacidad de acumulación Debido al alto volumen de
agua, no es
susceptible a las fluctuaciones de presión
y carga
Susceptible a las fluctuaciones de presión
y carga resultantes del proceso
Plazo de entrega (Bosch) Más corto Más largo
Tiempo necesario para el montaje y
puesta en marcha inicial Reducido
Principales sistemas del generador de vapor
Debido a la extensa gama de sistema que conforman un generador de vapor, a continuación se describen solo tres sistemas o circuitos con sus respectivos equipos, que están involucrados en este trabajo, que son: Circuito de aire de combustión, circuito de gases de combustión y circuito de agua-vapor.
Circuito de aire de combustión
Este circuito es el sistema que se encarga de suministrar el aire, para que junto al combustible , se realice la combustión. Pero este aire a su paso tiene que atravesar unas series de equipos de recuperación de calor, encargados de absorber la energía que pudieran arrastrar hacia la chimenea los humos, el vapor y el condensado (ya utilizados) antes de ser tratado nuevamente.
A continuación se describe el recorrido del aire solo por ramal o lado, porque el otro es simétrico. Se especifican las características principales de los equipos que atraviesa a su paso el aire, rumbo al hogar de la caldera para la combustión, el cual comienza por el:
- Ventilador de tiro forzado (VTF): Es un ventilador centrifugo que toma el aire de la atmósfera a 30 ºC y lo succiona para descargarlo en un ducto cuadrado de metal a cierta presión baja en mmca ( milímetro de columna de agua) para que llegue al hogar (Figura. 6):
Figura 6. Ventilador de tiro forzado (Fuente [2] y el autor)
- Calentador de aire con condensado (CAC): Son varios paneles compuesto cada uno por un
colector (entrada de condensado) superior, unido a otro similar colector inferior (de descarga) mediante tubos con aletas, para una mejor transferencia de calor entre el condensado en su interior (proveniente de los CAV) y el aire que pasa entre los tubos con aletas (Figura 7).
Figura 7. Calentador de aire con condensado (CAC) (Fuente: El autor)
Su función principal es aumentar la temperatura al aire hasta 80 ºC a expensas del calor del condensado proveniente de los CAV, disminuyendo la presión del aire, para luego pasar al:
- Calentador de aire a vapor (CAV): Equipo similar a los CAC pero en su interior pasa vapor saturado (Figura 8).
Figura 8. Calentador de aire a vapor (CAV) (Fuente: El autor)
Su función es de aumentar la temperatura del aire a 140 ºC, pero su presión cae para entrar al:
- Precalentador de aire regenerativo ( Luvo): Es un intercambiador de calor gas-gas, circular, de 5 mts de diámetro por uno de alto, que rota a una velocidad angular(?) de 1 a 3 rpm, debido a un motor acoplado a una caja reductora de engranajes.(Figura 9) Estos "luvos" están compuestos por láminas corrugadas (u onduladas) paralelas y concéntricas a su eje de rotación. A la entrada y salida del precalentador, se conforma un ducto con una pared divisoria longitudinalmente que origina dos secciones (canales) en el precalentador: un canal para el aire y otro (en sentido contrario) para los gases. A medida que el "Luvo" gira, los gases de combustión, que vienen de atravesar y calentar los serpentines del economizador, entran al precalentador y pasan paralelamente entre las planchas corrugadas y las calientan. Debido al constante giro, estas planchas ya calientes, se colocan en el paso o trayectoria del aire, saliendo este último con una temperatura de 312ºC, rumbo al hogar de la caldera para la combustión. Luego estas láminas enfriadas por el aire se colocan nuevamente, debido a la constante rotación, en la trayectoria de los gases para ser calentadas nuevamente, y así sucesivamente.
Figura 9. Precalentador de aire regenerativo (PAR). (Fuente [8] y [10])
La presión del aire en este equipo cae y llega a la:
- Caja de aire: Es el recinto que cubre a los quemadores y deja pasar el aire a los; - Registros: Son laminas colocadas en forma solapada ( semejante a las persianas de una ventana circular ) encargadas de regular el aire de combustión, al estar abiertas dejan pasar el aire y al estar cerrada forman un cilindro que no deja pasar el aire hacia su interior, en donde se encuentra la lanza del quemador. (Figura 10).
Figura 10. Caja de aire y registros (Fuente el autor)
- Quemador: El aire al salir del precalentador de aire regenerativo viaja por un ducto hasta llegar a la caja de aire en donde se encuentran 24 quemadores (12 para la parte frontal,4 en cada nivel y 12 para la trasera,
también 4 por nivel) y en donde cada quemador ( Figura 11 ) tiene la función de: a) Inyectar el combustible: En forma directa el gas y en forma atomizada si
es líquido.
b) Dar paso al aire necesario para efectuar la combustión, el cual se logra mediante el registro de paletas.
c) Crear una gran turbulencia en el aire suministrado y en el combustible debido a los difusores, formando una mezcla homogénea, buena para la
combustión.
d) Aumentar la turbulencia cuando se utilice gas, con las estrías del ladrillo o material refractario, con
- Hogar o evaporador: Es la última parada del aire, ya que es la zona de radiación del generador de vapor en donde se produce el calor necesario para la generación de vapor, mediante la combustión de la mezcla aire-combustible, la cual origina la llama o fuego.
Por cada generador de vapor están colocando 24 quemadores de aceite y gas, 12 unidades en la pared delantera y 12 unidades en la pared trasera de la caldera, siempre en una caja de aire común.
El evaporador se compone exclusivamente de superficie de calefacción de radiación y forma las paredes envolventes de hogar. Estas paredes se componen de tubos sin aletas, los cuales están unidos estancamente entre sí mediante almas soldadas o membranas (Figura.12).
Figura 12. Tuberías con almas soldadas o membranas (Fuente [2] y el autor)
El evaporador está dividido en 4 paredes envolventes del hogar, o sea la pared anterior, la cual forma simultáneamente la parte anterior del hogar, las dos paredes laterales compuestas exclusivamente de panales tubulares verticales, el techo y la pared posterior del hogar (Figura.13).
Figura 13. Corte longitudinal del evaporador del generador de vapor (Fuente: El autor)
La parte superior de la pared posterior forma simultáneamente el paso al sobrecalentador, que es influenciado por los gases de combustibles que consta de tubos sueltos. Esta parte del generador de vapor llamada "Evaporador" está formada por haces de "tubos de subida" situados de forma vertical (paredes frontal, trasera y laterales) y horizontal (techo y piso) que se unen por la parte superior con el domo y por la parte inferior con unos colectores que son alimentados por los "tubos bajantes" provenientes del domo (ver figura 13). Esta zona recibe una temperatura aproximada de 1426ºC debido al calor producido por la llama directa y por los humos de la combustión.
Circuito de gases de combustión
Al quemarse la mezcla combustible-aire en el hogar de la caldera o zona de radiación (figura 13), se forman los humos o gases de combustión, los cuales son conducidos a través de la caldera(por toda la zona de convección), desde el hogar por el paso ascendente (primer paso vertical), luego pasa al tiro horizontal (paso horizontal) y por ultimo recorre el paso descendente (segundo paso vertical). En su recorrido los gases de combustión le transmiten su calor a los sobrecalentadores, recalentador, economizador y precalentador de aire. Estos equipos se definen de la siguiente forma:
Es la sección de tubos que aprovecha el calor de los gases de escape para elevar la temperatura del vapor generado por encima de la temperatura de saturación. El vapor sobrecalentado aumenta el rendimiento del ciclo del vapor. En una turbina, por cada 40ºC de incremento de temperatura sobre la de saturación, se obtiene un aumento del 3 % sobre el rendimiento. El vapor sobrecalentado evita condensaciones en las tuberías y a la vez erosiones y desequilibrios en los equipos.
El sobrecalentador es de tipo convectivo, el cual permite que la temperatura de recalentamiento sea independiente de la carga de la caldera. También hay que decir que está subdividido en cuatro sobrecalentadores, en donde en los dos últimos hay una pequeña inyección de agua a través de un atemperador para controlar la temperatura de salida del sobrecalentador 3. Esta división del sobrecalentador en cuatro secciones es la siguiente:
- Sobrecalentador 1: Este es el único equipo que no está en suspensión desde el techo de la caldera (Figura 14). La primera etapa está formada por las paredes envolventes del tiro horizontal ( paso horizontal) soldadas y formando paredes, techo y suelo con tubos con membranas, así como el espacio situado debajo para los colectores y el atemperador de inyección, las paredes envolventes del tiro de convención vertical ( segundo paso vertical). Los distintos sistemas están conectados en paralelos y afinados de tal manera uno con otro, quien los puntos de separación de los sistemas paralelos no se pueden originar diferencias de temperatura inadmisibles. Los humos a una temperatura de 1426 ºC le transfiere el calor a estas paredes y techo, bajando la temperatura de los gases a 1339 ºC, para luego pasar al:
- Sobrecalentador 3: El sobre calentador de alta presión 3 está suspendido del techo y dispuesto como primera superficie de calefacción en el flujo de gases de combustión en el paso horizontal, después del hogar y está compuesto por manojos de tubos paralelos y verticales en forma de serpentines y separados uno de otro a una distancia de 37 mm (Figura 15).
Figura 14. Sobrecalentador 1 (Fuente [7] y el autor)
En los tubos la temperatura uniforme se logra mediante una selección adecuada de los grosores de pared y mediante una selección correspondiente de las longitudes. Aquí los gases entran a una temperatura de 1339 ºC, ceden su calor y salen a una temperatura de 1189 ºC, para luego pasar al:
- Sobrecalentador 4: A igual que el sobrecalentador 3, está suspendido desde el techo. La unión al sobrecalentador de la etapa 4, se realiza del cabezal de salida del atemperador a través de 24 tubos de unión con 133 mm de diámetro exterior, del sobrecalentador de alta presión 3. Los serpentines de tubos de los sobrecalentadores 3 y 4, quedan colgados mediante resortes a través de dispositivos especiales de suspensión, que a su vez atraviesan el techo del tiro horizontal. Estos resortes compensan la diferencia de dilatación entre la dilatación de las paredes envolventes y de los tubos. Los gases entran a este sobrecalentador a una temperatura de 1179, al ceder su calor estos gases salen con una temperatura de 995 ºC, y luego se desvían hacia el tiro vertical descendente (segundo paso vertical) y atraviesa otro grupo o manojos de serpentines tubos que van de arriba hacia abajo y uno después del otro, los cuales forman el:
- Recalentador: El recalentador de presión media está suspendido desde el techo y dispuesto como intercambiador de calor de manojos de serpentines de dos etapas horizontales y dispuestos en el tiro de convención vertical descendente, como superficie de calefacción superior y es fluido en contracorriente en la primera etapa y en la segunda etapa en corriente paralela a los gases de combustión (Figura 16).
Los humos a una temperatura de 983 ºC le transfiere el calor a estas paredes y techo, bajando la temperatura de los gases a 673 ºC, para luego pasar al:
- Sobrecalentador 2: Estos serpentines están dispuesto horizontalmente en el tiro de convección vertical (Figura 17). Los gases entran a 642 ºC, ceden su calor y salen con una temperatura de 381 ºC, y luego pasan al
Figura 17. Sobrecalentador 2 (Fuente [7] y el autor)
- Economizador: Los economizadores cubren la misma función que los calentadores de agua (de recibir el agua de las bombas de agua de alimentación y descargarla a una temperatura mayor en el tambor de separación del generador de vapor), estos se usan en lugar de incrementar la superficie generadora de vapor dentro de la caldera, ya que el agua absorbe calor al estar a una temperatura menor que la de saturación, los gases pueden enfriarse aún más, para lograr mayor recuperación de calor y aumentar la eficiencia. Este elemento está suspendido desde el techo, colocado debajo del recalentador de presión media. El economizador está dispuesto como intercambiador de calor como un manojo de tubos de aleación de acero en forma serpentines, en una etapa horizontal perpendicular al los gases de combustión, los cuales pasan entre ellos paralelamente (Figura 18). Los gases lo atraviesa y le ceden su calor saliendo con una temperatura de 381 ºC. Al final de la caldera, los gases de combustión son desviados horizontalmente hacia abajo y llevados, simétricamente respecto al centro de la caldera, en dos ducto de sección rectangular a los:
Figura 18. Economizador (Fuente [2] y el autor)
- Precalentadores de aire regenerativo: Es un equipo para recuperar calor de los gases de combustión (Figura 9). El aire pasa a través de este cambiador de calor antes de ser mezclado con el combustible, y dado que la temperatura de los gases es superior a temperatura ambiente, se transfiere una cantidad de calor que reduce las pérdidas de energía. El calor añadido al aire pasa al hogar, reduciendo el combustible necesario en una cantidad igual, en valor calorífico, al que ha sido transferido al aire. Aproximadamente por cada 25ºC que se eleve la temperatura del aire, se ahorra un 1% de combustible. Los gases de combustión o humos entran con una temperatura de 334 ºC y salen del precalentador de aire con una temperatura de 154 ºC, por un canal que se divide en dos: el primero envía una parte de los humos con una temperatura de 148ºC a la chimenea y el otro envía el resto de los gases de combustión al:
- Ventilador recirculador de gases (VRG): A igual que el VTF,es un ventilador centrifugo que absorbe parte de los gases de combustión y lo inyecta por debajo del generador de vapor (ver figura 5), para subir la temperatura en el hogar y disminuir el consumo de combustible.
Circuito de agua - vapor
El agua es succionada por las bombas de agua de alimento, donde cada unidad o planta cuenta con tres bombas de 50% cada una (dos en servicio y una de reserva ).Dichas bombas impulsan el agua a través de los precalentadores de alta presión, la cual es conducida a la caldera a un precalentador llamado "economizador"( Figura 18 ), en donde el agua se calienta por convección en el interior de las tuberías de estos serpentines, los cuales fueron calentados por convección en el exterior, por los gases producidos en la combustión y que van hacia la chimenea. Esta agua entra al economizador con una temperatura de 249 º C y sale con una de 306 º C, atraviesa el paso vertical ascendente de la caldera y entra al
- Domo o tambor de separación: En donde sus cuatros principales funciones son:
A) Separación del agua del vapor: Consiste en la separación del líquido que pudiera arrastrar el vapor que sale del tambor hacía el sobrecalentador y evitar que la evaporación del líquido en el sobrecalentador dejen depósitos que dificulten sus condiciones de transferencias de calor y ocasionen recalentamiento y posibles
quemado de sus tubos. Esta separación la realiza mediante dos mecanismos de separación: Primario y Secundario( Figura 19)
Figura 19. Tambor de separación o Domo. (Fuente [2])
A.1) La separación primaria: Este mecanismo se efectúa mediante la acción de gravedad, acción centrifuga e impacto.
A.1.1) Acción de gravedad: Al entrar la mezcla agua-vapor al domo se aprovecha la mayor densidad de líquido respecto al vapor, procurando la mayor superficie de evaporación (nivel medio del tambor el agua desciende y el vapor asciende) y el máximo recorrido del vapor por las placas deflectoras turbulencia, vórtices y bajas velocidades de flujo)
A.1.2.) Acción centrifuga: Multiplica la diferencia de densidades mediante una aceleración artificial (centrifuga) obtenida en los ciclones, campanas de reversión o cambios bruscos de dirección.
A.1.3.) Impacto: El impacto se la burbuja de vapor contra pantallas u otros tipo de obstáculos, ayuda a romper la tensión superficial de la película envolvente.
A.2.) La separación secundaria o secado: La separación de las minúsculas gotas de líquidos que viajan en suspensión dentro del vapor, se logra haciéndolo pasar por recorridos intrincados (filtros de malla, viruta o placas perforadas). B) Lavado del vapor: En los generadores de vapor, es posible que juntos con el agua se evaporen algunas impurezas del tipo sílice, las cuales pasan por los sobrecalentadores y eventualmente se condensan en la turbina donde pueden ocasionar erosión y desbalance de las paletas. El lavado se puede realizar por atomización de agua destilada en el vapor que va a salir del domo( con una temperatura de 358 ºC), bajándole la temperatura a las partículas en el vapor, obligándola a precipitar en el líquido para después expulsarla mediante la purga continua de las sustancias perjudiciales para el generador de vapor, en la parte inferior del domo.
C) Suministro de agua fría a los tubos de descenso y ascenso: Del domo el agua sube su temperatura y desciende por los tubos de caída o bajada (por fuera de la caldera), hasta unos colectores debajo de la caldera que distribuyen el agua por los tubos de ascenso o de subida, que son las "paredes de agua" o
"evaporador", hacia arriba hasta llegar de nuevo al domo. A medida que el calor producido por la combustión, calienta el agua que va por las "paredes de agua", esta empieza a evaporarse, con lo que se forma una mezcla agua- vapor, que es conducida a un colector arriba y luego entra al domo. Este proceso cíclico que cumple el agua domo - tubos de descenso o caída -tubos de ascenso o de subida - domo, es lo que se denomina" Circulación Natural" (la densidad del agua es mayor que la del vapor), ya que debido al peso del agua en los tubos de caída, esta impulsa a la mezcla agua-vapor por los tubos de ascenso hacia el domo (Figura 20).
Figura 20. Circulación natural del agua-vapor. Fuente [2]
La mezcla agua-vapor al entrar al domo sufre una separación. El agua separada del vapor se mezcla con el agua que viene del economizador, aumentando la temperatura de esta mezcla a 332 ºC la cual entra a los tubos de caída.
D) Tratamiento interno del agua del generador de vapor: El tambor de separación es el lugar más conveniente para provocar la sedimentación de impurezas (destilación intensa), para evitar que estas se adhieran al metal, para extraer agua de alta concentración de impurezas y para controlar la corrosión del metal por parte del agua.
Esto se logra mediante alimentación de aditivos químicos tales como soda o potasa caustica o fosfatos (aceleran la sedimentación), compuestos coloidales
(reducen la adherencia) y anticorrosivos. La eliminación de agua de alta concentración se realiza mediante sistemas de purga de las zonas de mayor precipitación.
El vapor separado sale del domo, ya como vapor saturado a una temperatura de 358 ºC y pasa al sobrecalentador 1, que son las "paredes de tubos" de la caldera, pero en la parte convectiva (tubos en contacto con los gases de combustión en el canal horizontal y en el segundo canal vertical).Del sobrecalentador 1, el vapor sale con una temperatura de 379 ºC hacia el sobrecalentador 2, que son serpentines en paralelos formando un banco o panel suspendidos desde la parte exterior del techo, calentados por los gases, y sale con una tempertura de 401 ºC. Después el vapor pasa al sobrecalentador 3 en donde eleva su temperatura a 455 ºC y luego este vapor pasa por una estación de "Atemperamiento" donde se disminuye su temperatura, para asegurar que absorberá el calor suficiente en el próximo y ultimo, que es el sobrecalentador 4, para salir a una temperatura de 541 ºC y entrar a la turbina de alta presión. Este vapor que sale del último sobrecalentador (4) va a la turbina de alta presión, donde se expande contra los alabes de ésta y la energía cinética y térmica del vapor se convierte en energía mecánica, imprimiéndole un movimiento rotatorio al eje de la turbina. Esto induce a que el vapor pierda gran parte de su energía térmica bajando su temperatura a 343 ºC y su presión a 43
El vapor es conducido nuevamente a la caldera hacia el elemento denominado "recalentador", donde su presión baja a 41,5 pero su temperatura aumenta a 540ºC y sale hacia la turbina de media presión. Aquí nuevamente, la energía
turbina, para luego pasar a la turbina de baja presión, donde realiza de nuevo su trabajo y entra al condensador donde vuelve a su estado líquido.
CONDENSADORES Y SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN
Un condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio.
La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador (aerocondensadores) o con agua (esta última suele ser en circuito semicerrado con torre de refrigeración, o en circuito abierto proveniente de un río o del mar). El tipo de condensador más empleado en centrales termoeléctricas es el que utiliza agua como fluido refrigerante, que además utiliza un circuito semiabierto de refrigeración con una torre evaporativa como sumidero del calor latente de vaporización.
Los aerocondensadores se utilizan cuando no se dispone de agua suficiente para alimentar una torre evaporativa. Aunque son más caros y provocan en el ciclo agua-vapor una pérdida de rendimiento, se utilizan cuando no existe otra posibilidad para condensar el vapor.
El propósito del condensador termodinámico es pues provocar el cambio de estado del vapor a la salida de la turbina para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso al tren de generación de vapor.
Se aprovecha el vapor a la salida de la turbina, cerrando el ciclo del agua Se reduce la presión a la salida, incluso por debajo de la atmosférica, con lo
que el salto de presión es mayor y por lo tanto el rendimiento y la potencia de la turbina aumentan
El posterior aumento de presión del fluido puede realizarse en una bomba hidráulica, con un consumo energético menor que si se realiza en una caldera o en un compresor
Adicionalmente, el condensador recibe los siguientes flujos:
Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son incorporadas al circuito de condensado.
El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua-vapor, a través de los cierres de la turbina de vapor o 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-pass de las turbinas, 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 continua. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado.
Las condiciones en el interior del condensador son de saturación, es decir, está a la presión de saturación correspondiente a la temperatura de condensación del vapor. Esta presión es siempre inferior a la atmosférica, es decir, se puede hablar de vacío.
Son intercambiadores de calor que utilizan agua fría (de una corriente natural o enfriada en una torre de enfriamiento) para enfriar y condensar el vapor de escape de la turbina.
Al ser el flujo caliente bifásico (vapor y liquido) su diseño y operación es muy complejo. Se debe notar que como la bomba de condensado extrae el mismo
vapor a líquido (del orden de 300/1), por lo que el condensador, y las últimas etapas de la turbina, trabajan a presión inferior a la atmosférica.
La diferencia que esto puede producir es notable: del diagrama de Mollier (unidad 8) obtenemos sobre la curva de vapor saturado (fin de la expansión, ingreso al condensador) para:
P=10 atm (T=180ºC), i=677 kcal/kg P=1 atm (T=100ºC), i=640 kcal/kg P=0.05 atm (T= 35ºC), i=613 kcal/kg
Si el punto de ingreso a la turbina fuera 10 atm, 800ºC (i=850 kcal/kg), el salto entálpico sería de 173, 210 o 237 kcal/kg (10% y 37%).
Al estar parte del circuito bajo vacío es inevitable que entre aire al circuito (y quizás otro gases no condensables como CO2). Se hace necesario extraer estos gases del condensador que está bajo vacío. Esto puede hacerse con bombas de vacío (costoso) o con eyectores de vapor. Una disposición típica sería:
Los eyectores pueden ser de uno o más pasos, condensando el vapor de eyección entre pasos:
Los condensadores pueden ser de superficie o de mezcla. a) Condensadores de superficie:
El agua fría circula por tubos y el vapor por el exterior de los tubos (mayor área de transmisión de calor) El diseño busca minimizar las pérdidas de carga debidas al paso del vapor y aprovechar el intercambio entre el liquido ya condensado y el vapor.
Parte del vapor puede utilizarse para volver a calentar el condensado a la salida, creando así un poco de regeneración ( el agua que retorna a la caldera esta menos fría que lo estaba al condensar)
Se aprecia que los tubos de agua están más próximos a medida que el vapor se va enfriando y condensando
b) Condensadores de mezcla:
Cuando, aparte de la turbina, hay otros usos del vapor que hacen necesario reponer una cantidad sustancial de agua, pueden utilizarse condensadores de mezcla, en los que el vapor condensa por contacto con el agua fría:
Estos condensadores también pueden ser apropiados si hay abundante agua fría de buena calidad (arroyos de montaña). La condensación puede mejorarse pulverizando el agua fría:
Existen también condensadores de mezcla barométricos, que aprovechan el peso de la columna de agua para mantener vacío en el recipiente de mezcla:
CLASIFICACION
CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES
Centrales Térmicas de Carbón
FUNCIONAMINETO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden quemarlo en trozos o pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo (menos de 1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador de vapor por medio de un quemador especial que favorece la mezcla con el aire comburente.
combustible de desperdicio y difícilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la combustión y que van hacia el exterior, hay incremento de efecto invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque lento
Centrales Térmicas de Fuel-Oil
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-óil presentan como principal inconveniente las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida.
El consumo de un millón de litros de gasolina emite a la atmósfera 2,4 millones de kilogramos de Dióxido de Carbono (CO2), el principal causante del cambio climático mundial. Arranque lento y bajo rendimiento.
Centrales Térmicas de Gas Natural
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador.
El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora la eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de éstas no supera el 35% .
CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES
Centrales Térmicas de Ciclo Combinado
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DEVENTAJAS
Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. Sus componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de vapor y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador.
La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año.
Uno de los principales problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un proceso relativamente complejo de conversión de energías. Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases.
Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado
FUNCIONAMIENTO; CARACTERISTICAS; VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Consiste en quemar carbón en un lecho de partículas inertes, a través del cual se hace pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las mantiene en suspensión, de modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición. Permitiría obtener rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisión de anhídrido sulfuroso.
Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnología de lecho fluidizado se inyecta caliza directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del combustible como un subproducto seco.
La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina su diseño y el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este tipo de calderas puede ser atmosférico o presurizado.
Centrales Térmicas Gicc Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno (H2). El carbón es gasificado controlando la mezcla de carbón, oxígeno y vapor dentro del gasificador. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional.
Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas.
En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminación de 99% de azufre. Bajos costos de combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de emisiones, alto rendimiento, tecnología sin completa prueba de eficiencia, altos costos de inversión, plantas complejas, arranque lento.
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. El proceso es económico, comparado con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared.
Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato.
Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido. Con frecuencia la armazón y el empaque interno son de madera. Es común la impregnación de la manera, bajo presión con fungicidas. Generalmente el entablado de los costados de la torre es de pino, poliéster reforzado con vidrio, o cemento de asbesto.
Funcionamiento de una Torre de Enfriamiento
El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la
temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora, causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de enfriamiento.
Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. Además, en el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.
Como ya hemos dicho, el enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares.
Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire en: l Torres de circulación natural
1. Atmosféricas 2. Tiro natural
l Torres de tiro mecánico 1. Tiro inducido
2. Tiro Forzado
l Otros tipos: Torres de flujo cruzado TIPOS DE TORRES DE ENFRIAMIENTO l Torres de Circulación natural
1. Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de las boquillas aspersoras. Se usan en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire.
2. Tiro natural: El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro deseado. Debido al inmenso tamaño de estas torres (500 pie alto y 400 pie de diámetro), se utilizan por lo general para flujos de agua por encima de 200000 gpm. Son ampliamente utilizadas en las centrales térmicas.
Torres de Tiro mecánico
El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas aspersoras o compartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a través de unos orificios.
El aire usado para enfriar el agua caliente es extraído de la torre, en cualquiera de las dos formas siguientes:
1. Tiro Inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas.
2. Tiro forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior. Estas torres están sujetas particularmente a la recirculación del aire caliente y húmedo que es descargado, dentro de la toma del ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que materialmente reduce la efectividad de la torre. El tiro inducido con el ventilador en la parte superior de la torre evita esto y además permite una distribución interna más uniforme del aire. Torres de flujo cruzado:
El aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae. Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope. Las torres de flujo cruzado requieren más aire y tienen un costo de operación más bajo que las torres a contracorriente.
Equipo mecánico 1. Ventiladores 2. Motores
l Sistema de distribución del agua:
1. Las torres a contracorriente dispersan el flujo a través de un sistema de distribución de spray a baja presión, desde un sistema de tuberías distribuido a lo largo de toda la torre.
2. Los diseños de flujo cruzado tienen un sistema de distribución del agua caliente por gravedad a través del empaque.
La eficiencia global de una torre de enfriamiento esta directamente relacionada con el diseño del sistema de distribución de agua caliente. La consideración principal en la selección del tipo de sistema de distribución de agua para una aplicación específica es la cabeza a vencer por la bomba. La cabeza de la bomba impuesta por una torre de enfriamiento consiste de la altura estática (relativa a la altura desde la entrada, más la presión necesaria para mover el agua a través del sistema de distribución y sobre el relleno.
La cabeza de bombeo varía de acuerdo a la configuración de la torre.
Torres contracorriente: utilizan un sistema de distribución de spray a alta presión para lograr cubrir todo el relleno de la torre.
El patrón de spray de las boquillas es sensible a los cambios en el flujo de agua, y a los cambios en la presión de las boquillas.
Las torres a contracorriente tienen un área de presión menor que las de flujo cruzado pero requieren altura adicional, altura estática y cabeza dinámica para alcanzar el mismo efecto de enfriamiento.
Las torres a flujo cruzado utilizan un sistema de distribución diferente. El agua caliente es distribuida a través de los empaques por gravedad a través de unos pequeños orificios ubicados en el piso de la base de entrada. Tal sistema no es un sistema de distribución en spray. El aire se mueve horizontalmente a través del empaque y se cruza con el agua que cae. En las torres de flujo cruzado el componente de presión interna de la cabeza de bombeo es insignificante debido a que el flujo es principalmente por gravedad
Comparadas a las torres de flujo cruzado las contracorriente pueden requerir de 5 a 6 psig adicionales de cabeza para alcanzar una distribución adecuada del spray. Esta elevada cabeza de bombeo conduce a mayores costos iniciales y anuales por consumo de energía de las bombas.
En las torres contracorriente la resistencia al flujo ascendente del aire por parte de las gotas que caen resulta en una elevada pérdida de presión estática y una mayor potencia del ventilador que en flujo cruzado.
Las torres a flujo cruzado contienen una configuración del relleno a través de la cual el aire se mueve horizontalmente a través del agua que cae. Las torres de flujo cruzado utilizan esencialmente toda la altura de la torre para las rejillas de ventilación, reduciendo la velocidad de entrada del irá, y minimizando la
recirculación y pérdida de tiro. Relleno:
l Distribuido dentro de la torre suministra el área superficial para la transferencia de masa y calor.
l Eliminadores de desviación
l Base recolectora del agua fría El agua fría es recogida por la base del fondo l Desviadores del flujo de aire
l Cubierta de redistribución En torres de flujo cruzado se necesita romper la corriente de agua que baja.
SELECCIÓN
Se requiere el volumen por unidad de tiempo del agua a enfriar, la temperatura de entrada así como la temperatura de salida del agua. También, es necesaria la temperatura de bulbo húmedo, la temperatura de bulbo seco y la presión atmosférica o la altura sobre el nivel del mar. Con toda esta información es posible trazar una curva de saturación de humedad del medio ambiente y de esa manera compararla con la curva de operación de la torre de enfriamiento seleccionando el equipo que se encuentre más cercano entre ambas curvas.
El relleno de la torre se encuentra dispuesto de manera tal, que las gotas de agua se encuentran más tiempo en contacto con el aire, proporcionando mayor
enfriamiento en el agua. Éste es fabricado en lamina corrugada de P.V.C o aluminio. Cuando se tienen temperaturas de entrada a la torre por encima de los 45°C, se recomienda utilizar relleno de aluminio que cuenta con un ánodo de sacrificio de zinc.
CICLO HIDROLÓGICO
El ciclo del agua, también conocido como ciclo hidrológico, describe el movimiento continuo y cíclico del agua en el planeta Tierra. El agua puede cambiar su estado entre líquido, vapor y hielo en varias etapas del ciclo, y los procesos pueden ocurrir en cuestión de segundos o en millones de años. Aunque el equilibrio del agua en la Tierra permanece relativamente constante con el tiempo, las moléculas
de agua individuales pueden circular muy rápido.
El sol dirige el ciclo calentando el agua de los océanos. Parte de este agua se evapora en vapor de agua. El hielo y la nieve pueden sublimardirectamente en vapor de agua. Las corrientes de aire ascendentes toman el vapor de la atmósfera, junto con el agua de evapotranspiración, que es el agua procedente de las plantas y la evaporación del suelo. El vapor se eleva en el aire, donde las temperaturas más frías hacen que se condense en nubes. Las corrientes de aire mueven las nubes alrededor del globo. Las partículas de las nubes chocan, crecen y caen del cielo como precipitación. Algunas caen como precipitaciones de nieve y pueden acumularse como casquetes polares y glaciares, que almacenan el agua congelada durante miles de años. En climas más cálidos, los bloques de nieve a menudo se descongelan y se derriten cuando llega la primavera, y el agua derretida fluye por la tierra. La mayor parte de la precipitación cae sobre los océanos o la tierra, donde, debido a la gravedad, fluye sobre la superficie. Una parte de ese agua entra en los ríos a través de valles en el paisaje, y la corriente mueve el agua hacia los océanos. El agua filtrada pasa a las aguas subterráneas, que se acumulan y son almacenadas como agua dulce en lagos. No toda el agua fluye por los ríos. La mayor parte de ella empapa la tierra comoinfiltración. Un poco de agua se infiltra profundamente en la tierra y rellena acuíferos (roca subsuperficial saturada), que almacenan cantidades enormes de agua dulce durante períodos largos del tiempo. Algunas infiltraciones permanecen cerca de la superficie de la tierra y pueden emerger, acabando como agua superficial (y oceánica). Algunas aguas subterráneas encuentran grietas en la tierra y emergen. Con el tiempo, el agua sigue fluyendo, para entrar de nuevo en el océano, donde el ciclo se renueva.
IMPUREZAS, DUREZA Y EFECTOS
Las acciones más perjudiciales y más importantes para los procesos de una central termoeléctrica debidas a las impurezas del agua que deben ser evitadas con el tratamiento adecuado son las siguientes:
• Incrustaciones. • Corrosiones.
• Fragilidad cáustica.
• Arrastres y formación de espumas. 5.1.1.- Incrustaciones.
Se deben fundamentalmente a las sales de Calcio y Magnesio, presentes en el agua en cantidades apreciables, que por calentamiento que concentran y precipitan, formando depósitos duros y térmicamente aislantes. Estos compuestos de calcio y magnesio, ocasionalmente se cementan con Sílice. Incluso en condiciones severas se pueden construir silicatos complejos y óxidos de hierro y cobre mezclado.
Los efectos directamente ocasionados son:
• Reducción de coeficiente de transmisión del calor. • Reducción de la sección libre del paso del fluido. • Rotura de tubos de agua por sobrecalentamiento.
La solución preventiva consiste en eliminar o reducir al máximo, el contenido de estas sales en el agua de alimentación, mediante procedimientos adecuados. 5.1.2.- Corrosiones.
Son ocasionados principalmente por el oxígeno disuelto en el agua, por el dióxido de carbono libre o por ácidos minerales. La consecuencia siempre es una disolución del metal (en caldera de recuperación, tuberías, etc.) y, por tanto, pérdida de espesor y resistencia mecánica del material, además de formación de sedimentos que pueden acumularse en determinados puntos produciendo efectos perjudiciales.
La solución consiste en eliminar los ácidos minerales totalmente dentro del proceso de tratamiento de agua de aporte, y reducir los gases libres al mínimo, en especial el oxigeno disuelto y el dióxido de carbono. En este caso, estos gases se reducen fuertemente en el condensador, quedando en pequeñas cantidades, para lo que ésta necesario un acondicionamiento químico en distintas etapas del ciclo agua-vapor de la central termoeléctrica
5.1.3.- Fragilidad cáustica.
Esta se produce en puntos donde el metal trabaja a altas tensiones y además existe una elevada concentración de hidróxidos alcalinos.
Generalmente se produce una rotura ínter cristalina del metal. Se evita con un acondicionamiento adecuado del agua en el interior de la caldera (tratamiento coordinado).
5.1.4.- Arrastres y formación de espumas.
Se debe químicamente a la presencia excesiva de sólidos disueltos o en suspensión, de alta alcalinidad y presencia de aceite y materia orgánica. También puede producirse por alta velocidad de vaporación.
Las consecuencias son sobrecalentamientos erráticos por depósitos de sustancias en zonas de vapor y, depósitos de productos en alabes de turbina.
Se evita manejando la purga adecuadamente; con separadores mecánicos en el calderín, manteniendo el nivel del calderín bajo, no sobrepasando la vaporización máxima o en caso extremo con adición de antiespumantes orgánicos.
5.2.- PARÁMETROS FUNDAMENTALES.
A continuación se exponen los parámetros más fundamentales que definen cada tipo de impurezas.
De acuerdo a la dureza, las aguas se clasifican en: Dulce 0 ≤ ppm ≤ 150
Duras 150 < ppm ≤ 220 Muy duras 220 < ppm ≤ 350 Durísima 350 < ppm 5.2.1.- Alcalinidad.
La alcalinidad o basicidad del agua, es decir, el aumento de oxhidrilos sobre el estado neutro o, lo que es lo mismo, la disminución de hidrogeniones por debajo del estado neutro, puede ser provocada por bases que al ionizar dan los correspondientes oxhidrilos, o también puede ser provocada por substancias neutras por naturaleza, las cuales provocan reacciones que dan como resultado la aparición de unos oxhidrilos que ellas mismas no poseen.
A las substancias que le ocurren esto se les dice que tienen “reacción alcalina”. Entre ellas se encuentra el Carbonato de sodio (Na2SO4), el sulfito de sodio (Na2SO3) y el fosfato trisódico, el cual puede ser Anhidro (Na3PO4) o tener agua en su composición como el fosfato trisódico comercial (Na3PO4.12H2O).
Así por ejemplo, el carbonato de sodio reacciona con agua según la ecuación.
Produciendo Sosa Cáustica, causa de la reacción alcalina, como en este caso, una sal reacciona con el agua en que se disuelve, este fenómeno es llamado hidrólisis.
Para ello se han establecido el índice sódico y el índice de alcalinidad de los cuales se puede decir que mientras el pH mide la acidez o la alcalinidad actual, estos miden la acidez o la alcalinidad potencial, siendo necesario recurrir a ellos cuando el pH > 9.
El índice sódico (i), en el que se toman en cuenta el hidróxido de sodio, el carbonato de sodio, el sulfito de sodio y el fosfato trisódico, se calcula con la formula siguiente.
Se entiende por índice de alcalinidad de un agua alcalina, la cantidad necesaria de centímetros cúbicos de disolución decimonormal de ácido para poder neutralizarla. Se distingue el índice de alcalinidad a la fenoftaleína (P), del índice de alcalinidad al metilnaranja (M), con el fin de deducir las alcalinidades, es decir, el número de ppm de hidróxido de sodio, carbonato de sodio y de bicarbonato de sodio que contiene el agua problema.
5.2.2.- Grado de acidez pH.
El pH da el grado de acidez de un medio. En las aguas utilizadas en instalaciones industriales, este deberá controlarse de acuerdo con las características de los materiales utilizados y con otros parámetros (carácter incrustante o corrosivo del agua), de manera
que existirá un pH óptimo para cada proceso.
El pH de una solución acuosa se determina por uno de los siguientes métodos: a) Electrométrico:
Se funda en las pilas de concentración cuyo funcionamiento viene regido por la ley de Nersnst. En las cuales la fuerza electromotriz generada (medida en minivoltios por su pequeño valor) es directamente proporcional al pH de la solución acuosa utilizada.
Este método es el más comúnmente utilizado dada su sencillez en el manejo, así como la brevedad con que se obtiene su medición.
Los medidores de pH para indicación o registro continuo, se fundamentan en este método.
b) Colorimétrico:
Se funda en el conocimiento y empleo de los indicadores, los cuales son substancias orgánicas empleadas en disolución muy diluida, para evitar influencia en el líquido problema.
