Depto. Ingeniería Mecánica

Carlos Córdova Riquelme

Universidad de Chile

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA ¾ Diagrama simplificado de los equipos componentes de una central termo-eléctrica a vapor

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA ¾ Caldera (Acuotubular): ƒ Quemadores y cámara de combustión (hogar): según el tipo de combustible o fuente de energía ƒ Precalentador de aire (de combustión) ƒ Economizador ƒ Evaporador (tubos) ƒ Domo(s) de vapor ƒ Sobrecalentador ƒ Recalentador(es) de vapor

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA

¾ Eficiencia. energética. de una Caldera: . QVap Sobrecal + Q Rcal vap Q AbsVapor η= . = ≈ 80% . Q Combustible Q Combustible ¾ Balance de energía en una caldera: Q = Qcombustible ƒ Calor útil = Q1 = calor absorbido por el vapor ƒ Pérdidas de calor: • Q2 = a través de los gases de la chimenea (1%/10°C; 110°-180°C) • Q3 = por combustión incompleta (0%-1%) • Q4 = por carbón (combustible) no quemado (0%-4%) • Q5 = por convección y radiación desde la caldera hacia el exterior (0,2%-3,5%) • Q6 = por calor sensible de las cenizas y escoria (LHV)

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA ¾ Perfil de presión de los productos de combustión en una caldera

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA ¾ Turbina de vapor ƒ Desde finales del siglo XIX ƒ Expansión sin pérdidas, S cte. La caída de entalpía a disposición de la turbina se transformaría completamente en energía mecánica, excepto por las pérdidas no termodinámicas (fugas, rozamientos mecánicos) ƒ Pero en la realidad hay una degradación de la energía térmica, S ↑ y la energía efectivamente transformada en trabajo es inferior al salto entálpico del vapor en la TV. Tal disipación se produce por rozamientos fluidos, choques y radiación ƒ Su η depende de: • La potencia de la máquina, siendo > para TV de > potencia • Carga de la turbina, una ↓ de caudal ↓? η de la turbina

¾ Pérdidas de turbina a vapor: ƒ Fricción del fluido: 10% de la E.D. (ηt ≈ 70%-90%) ƒ Supersaturación: vapor subenfriado al pasar la línea de saturación ƒ Fugas (interiores y hacia el exterior): 1% de la E.D. (ηv) ƒ Velocidad de salida: 270-300 m/s. 2-3% de pérdidas ƒ Humedad: en últimas etapas TV, las que están dentro de la campana de cambio de fase ƒ Transferencia de calor: despreciables ƒ Pérdidas mecánicas y eléctricas: son ctes. en cantidad a cualquier carga, 1% mecánicas, 1-2% generador. (ηm )

¾ ηglobal ≈ 67%-87% (y menor para turbinas más pequeñas)

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA ¾ Características de desempeño : ƒ Consumo específico de vapor: kg/kWh ƒ Heat Rate: kcal/kWh = 860/ η ¾ Rangos de capacidades de TV: ƒ 100 kW a 300 MW ƒ Pmax = 150bar? ƒ Tmax = 550°C? ƒ 3.000 rpm a 16.000 rpm ¾ Algunos tipos de TV: ƒ A condensación: para producción local de energía eléctrica, con o sin extracciones intermedias ƒ A contrapresión: uso en cogeneración, con o sin extracciones intermedias ƒ Con más de una entrada de vapor (vapor recalentado) ƒ De pequeña y mediana potencia: accionamiento de bombas y compresores

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA ¾ El condensador ƒ Para que el calor residual del ciclo de vapor se libere a la atm. a una Tº levemente superior a la T atm, el condensador trabaja en vacío (Patm – Pc). Pc = Pvap(T)

¾ Tipos: ƒ De superficie ƒ De mezcla

80 80

70

90 90 10 10 0 0 11 11 0 0

ºC ºC

70

60 60

50 50

40 40

30 30

10

20 20

0

10

1,60 1,60 1,40 1,40 1,20 1,20 1,00 1,00 0,80 0,80 0,60 0,60 0,40 0,40 0,20 0,20 0,00 0,00 0

bar bar

Presión del Vapor de Agua Saturado en Presión Vapor de Agua en función de del la temperatura (de Saturado 0ºC a 110ºC) función de la temperatura (de 0ºC a 110ºC)

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA ¾ Bomba agua de alimentación ƒ Ubicaciones posibles: • A la salida del condensador: se bombea agua fría • Entre dos precalentadores: se requiere una bomba de extracción a la salida del condensador que asegure una presión del orden de 10bar • Inmediatamente a la entrada de la caldera (tendencia actual)

ƒ En los 2 últimos casos se bombea agua caliente: ↓ v, ↑ η 2% a 2,5% ƒ La energía transmitida al agua ↑ T, lo que permite disminuir los caudales de vapor para el precalentamiento del agua de alimentación, ↑ el W que realiza el vapor en la TV ƒ η ≈ 70%

¾ Precalentadores de agua de alimentación: ƒ Cerrados o de superficie: el vapor no tiene contacto con el agua. Son pequeños condensadores que operan a mayor presión que el condensador. El condensado obtenido puede: • Devolverse al que le precede usando una válvula reductora de presión (o hacia el condensador si se trata del primer precalentador): + simple y + usado. • Bombearse a la cañería de condensado principal

ƒ Contacto directo: desgasificador, se aprovecha de extraer el oxígeno y gases del agua ƒ Se usan varios de superficie y un desgasificador antes de la caldera

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EQUIPOS PARA LA GENERACIÓN DE VAPOR Y POTENCIA ¾ Equipos auxiliares: ƒ Para el combustible: Almacenamiento y transporte hasta caldera ƒ Abatimiento de emisiones: ƒ Precipitadores electrostáticos, filtros de manga, (PM) ƒ Tecnología quemadores, mallas catalíticas (CO) ƒ SCR, SNCR (NOx) ƒ Scrubber (SO2) ƒ Para la Caldera: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Ablandadores Desmineralizadores Desgasificador Bombas de productos químicos Sistemas de purga

ƒ Para el condensador: ƒ Torres de enfriamiento y piscinas ƒ Bombas agua de enfriamiento ƒ Reposición de agua de enfriamiento ƒ Eyector (extrae gases no condensables)

¾ Instrumentación y control ¾ Iluminación, etc.

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CICLO COMBINADO ¾ Tipos de refrigeración en el condensador

Mar (Río)

Vapor

Cd

Cd

Agua

Aire

Vapor

Mar (Río)

Agua refrigeración

Agua

Río Aire

Vapor

Cd

Cd

Agua Río

Aire

Vapor

Agua refrigeración

Agua

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Tecnologías de Generación de Potencia y su Eficiencia a Plena Carga