UNIVERSIDAD ARGENTINA DE LA EMPRESAFacultad de Ingeniera y Ciencias Exactas

MonografaCiclo CombinadoCarrera: Ingeniera Electromecnica

Materia: Mquinas Trmicas y Circuitos Termohidrulicos

Docente: Ing. Hctor Ral Boros

Alumno: Juan Fernando Dvila Vsquez

Legajo: 130451

Fecha de entrega: 16-12-2011

1 Ciclos combinados y cogeneracinUna planta de ciclo combinado consiste en la integracin de dos o ms ciclos termodinmicos energticos, para lograr una conversin de la energa aportada en trabajo, lo ms completa y eficiente posible; en la actualidad, el concepto de ciclo combinado se aplica a un sistema compuesto por una turbina de gas, un generador de vapor recuperador de calor y una turbina de vapor, lo que implica combinar un ciclo Brayton de gases a alta temperatura y un ciclo Rankine de media o baja temperatura, de forma que el calor residual de escape del ciclo Brayton sea el calor aportado al ciclo Rankine, este acople se logra por medio de una vlvula diverter la cual direcciona el flujo proveniente de la turbina a gas a la turbina de vapor, o tambin lo puede redireccionar a otro tipo de procesos como calefaccin de hospitales, escuelas, geritricos, etc. A la vlvula diverter se la puede accionar manualmente o con sistemas ms modernos utilizando actuadores elctricos o neumticos.

El aprovechamiento del flujo proveniente de la turbina de gas y redireccionada a la turbina de vapor contribuye a un aumento significativo del rendimiento del ciclo, el ciclo combinado es el que mayor rendimiento presenta dentro de la generacin termoelctrica. El problema que se plantea radica en la necesidad de maximizar la eficiencia a un coste econmico. Cuando el generador de vapor recuperador de calor suministra una parte del vapor para un proceso, la aplicacin se denomina cogeneracin. 1

1.1. Sistema de ciclo combinado simple Un sistema de ciclo combinado simple se representa en las siguientes figuras

Consta de: Un grupo simple turbina de gas alternador Un generador de vapor recuperador de calor (HRSG) Un grupo simple turbina de vapor alternador Un condensador Sistemas auxiliares

Si las regulaciones medioambientales lo requieren, en el generador de vapor se puede integrar un sistema de reduccin selectiva cataltica (SCR), para controlar las emisiones de NOx, lo que resulta particularmente atractivo, porque este catalizador se puede ubicar en un recinto de temperatura ptima dentro del (HRSG); la temperatura de los gases que salen de la turbina de gas est normalmente entre: 950F (510C) a 1050F (566C) 2

Mientras que la temperatura ptima de la catlisis (SRC) es de: 675F (357C) a 840F (448C)

Una mejora en la eficiencia del ciclo de vapor se puede obtener suministrando vapor mediante varios circuitos de presin, independientes del generador de vapor recuperador de calor (HRSG): De baja presin para desgasificacin De calentamiento del agua de alimentacin, que sustituye al calentador con vapor de extraccin, utilizando en los ciclos convencionales energticos de vapor

1.2. Sistemas comerciales de ciclo combinado Las configuraciones actuales son complejas, como consecuencia de los requisitos de aplicacin y del grado de integracin. Los grupos: Turbina de gas alternador Turbina de vapor alternador Generador de vapor recuperador de calor (HRSG)

Estn disponibles comercialmente en toda una gama de tamaos y disposiciones especficas. Frecuentemente, se disponen varias turbinas de gas con sus correspondientes recuperadores de calor de gases de escape, que alimentan a un nico ciclo de turbina de vapor; aguas abajo de la turbina de gas existen un silenciador y una chimenea bipaso de humos, instalados de forma que sta funcione independientemente del ciclo de vapor. Dados los elevados niveles de oxgeno residual presentes en el escape de la turbina de gas, se pueden instalar sistemas de combustin suplementaria (post-combustin) aguas arriba (en el lado de humos) del generador de vapor recuperador de calor (HRSG), lo que permite: Una gran flexibilidad de operacin Mejorar el control de la temperatura del vapor Incrementar la capacidad energtica global de la planta

El generador de vapor recuperador de calor (HRSG) se puede disear con circuitos independientes de caldera (1 a 4), operando a presiones diferentes, (uno de AP, dos de MP y uno de BP), dentro de la misma envolvente, para optimizar la recuperacin de calor y maximizar la eficiencia del ciclo. 3

La eficiencia del ciclo, en determinados casos, se puede incrementar an ms cuando se introduce en el mismo un recalentamiento del vapor; a mayor complejidad del sistema y de sus componentes, mayor es el campo de eficiencias disponibles. En la siguiente tabla, se indican algunos ejemplos de eficiencias globales de ciclos de generacin de energa elctrica, referidas al poder calorfico superior del combustible, cuando se utiliza una turbina a gas con una temperatura de entrada de 2200F (1204C).

Las emisiones medioambientales de los ciclos combinados pueden ser, en general, bastante bajas. Si se quema gas natural, las emisiones de y de partculas son despreciables.

Las emisiones finales de NOx procedentes de la turbina de gas son bajas (10 70 ppm), y dependen de: El diseo de los combustores (cmaras de combustin) de la turbina de gas El sistema de combustin suplementaria utilizado (si se usa) La incorporacin de un sistema de control de NOx de reduccin cataltica selectiva (SCR) Aparte de las mejoras en eficiencia trmica y en las bajas emisiones medioambientales, las ventajas de una planta de ciclo combinado con turbina de gas se extienden a otros conceptos como: La construccin, montaje y entrega de una turbina de gas, puede ser del orden de un ao, dependiendo del tamao y la complejidad de los equipos La turbina de gas se puede utilizar para una rpida puesta en servicio y para atender puntos de demanda. El sistema de caldera generador de vapor recuperador de calor (RHSG) requiere, para pasar desde el estado frio al 100% de plena carga, unos 60 minutos La inversin es relativamente baja, como consecuencia de la construccin modular, entrega rpida, montaje corto y costes mnimos de los sistemas de soporte 4

Todos estos puntos anteriores deben sopesar frente al elevado coste de: Los combustibles ms limpios utilizados en las turbinas de gas Las cuestiones de mantenimiento y disponibilidad Los requisitos de carga

1.3. Cogeneracin Los sistemas de ciclo combinado con turbina de gas se concentran en la produccin de electricidad; se puede adaptar parte del sistema del generador de vapor recuperador de calor (HRSG), para que suministre vapor a un proceso o a calefaccin, aparte de electricidad. La energa total utilizada, cuando se aprovecha el calor residual, se puede aproximar al 80%, en comparacin con el 40 - 50% que se puede conseguir con el mejor sistema de ciclo combinado con turbina de gas, sin utilizar el vapor para procesos. Los (HRSG) son de diseo flexible; el flujo de gases a travs de la unidad puede ser horizontal o vertical dependiendo de: El coste del suelo para una disposicin de flujo horizontal (es ms frecuente) Los requerimientos de acero estructural para una unidad de flujo vertical

Los (HRSG) se disean para: Operar como mltiples circuitos de agua a presiones distintas para cumplimentar los requisitos de la aplicacin Maximizar la recuperacin de calor Incorporar un sistema de reduccin cataltica selectiva (SCR)

la circulacin puede ser forzada o natural; la mayora de las unidades de flujo horizontal de gases utilizan circulacin natural; los (HRSG) pueden ser: a) Carecer de fuego cuando usan slo calor sensible del gas como aporte de calor b) Incluir fuego de un combustible para: Elevar la temperatura de los humos Reducir la superficie termointercambiadora Incrementar la produccin de vapor Controlar la temperatura del vapor sobrecalentado Mantener la temperatura del vapor para procesos, etc. 5

A continuacin se dispone de una tabla de los parmetros de HRSG:

1.3.1. Generador de vapor recuperador de calor HRSG Se identifica en algunas ocasiones como caldera recuperadora de calor residual (WHRB) o como caldera de gases de escape de turbina (TEG). Una caldera de vapor recuperadora de calor (HRSG), adecuada para su utilizacin con una turbina de gas acoplada a un alternador entre 1 y 220 MW, se presenta en las figuras; es un diseo modular, de circulacin natural, aplicable a una gran variedad de sistemas de ciclos combinado.

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La caldera de alta presin (AP), con sobrecalentador puede llegar hasta 1005F (541C), y se utiliza para la generacin de energa La caldera de media presin (MP) se puede utilizar para: Generar vapor Inyectar agua a vapor en el combustor de la turbina de gas, para limitar la formacin de NOx Suministrar vapores a procesos

La caldera de baja presin (BP) se utiliza para: Calentamiento de agua de alimentacin Desgasificacin

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Las calderas (HRSG) se disean para manipular grandes flujos de gases, con mnimas cadas de presin, lo que permite una mayor generacin de electricidad por el alternador de la turbina de gas. Hay que tener en cuenta la configuracin de las conexiones de los conductos de gases y las vlvulas desviadoras, con el fin de minimizar las cadas de presin originadas por los cambios de direccin en las lneas de flujo o por velocidades excesivamente altas. Las prdidas de calor a travs de la envolvente de la caldera y de los conductos, se minimizan mediante aislamiento trmico. En el diseo de circulacin natural, los tubos verticales facilitan la altura necesaria para alcanzar una circulacin estable eliminando las bombas de circulacin, diseo que produce una rpida respuesta en los transitorios, comunes en los ciclos combinados. Consideraciones tcnicas: El generador de vapor recuperador de calor (HRSG) es un intercambiador de calor con flujos en contracorriente, que se compone de una serie de secciones formadas por el

sobrecalentador, caldera (o vaporizador) y economizador, ubicados de forma que se maximice la recuperacin de calor y el suministro del vapor a la presin y temperatura adecuadas. Para el diseo ms econmico, conviene evaluar los siguientes parmetros: 1) Contrapresin admisible 2) Presin y temperatura del vapor 3) Punto de acercamiento, Pinch 4) Temperaturas de aproximacin del sobrecalentador y economizador 5) Temperatura de salida de la chimenea La contrapresin en el (HRSG) est influenciada por el rea de la seccin recta del flujo; altas contrapresiones reducen su coste, pero disminuyen el rendimiento de la turbina de gas; el valor de la contrapresin, en la mayora de las unidades, est entre: 2,5 kPa a 37 kPa

La temperatura del punto de acercamiento (Pinch) y las temperaturas de aproximacin influyen en el tamao de la unidad, a continuacin se indican en grficos:

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En condiciones de diseo: Para el sobrecalentador, un punto de acercamiento pequeo y una temperatura de aproximacin reducida implican mayores superficies termointercambiadoras y mayor inversin Para el economizador, el punto de acercamiento se establece para evitar la vaporizacin en el mismo La experiencia establece que, diseos tcnica y econmicamente satisfactorios, se consiguen con: Punto de acercamiento Pinch: TP = 20 - 50F = (11 - 28C) Temperatura aproximacin sobrecalentador: TSH = 40 - 60F = (22 - 33C) Temperatura aproximacin economizador: TE = 10 - 30F = (6 - 17C)

Si hay azufre S presente en los gases, la temperatura mnima del agua a la entrada del economizador se fija en 240F (116C), para minimizar la corrosin cida por punto de roco; tambin se controla la temperatura de los humos a la chimenea para evitar la corrosin debida a la condensacin cida. La presin y temperatura del vapor se seleccionan para facilitar un diseo que resulte econmico. En general presiones de vapor altas incrementan la eficiencia del sistema, pero en el caso de un (HRSG) de presin nica, limitan la recuperacin global del calor de los gases, por su alta temperatura de saturacin; el problema se resuelve con un HRSG de varias presiones, utilizndose entre 1 y 4 secciones, con presiones independientes. Las secciones del sobrecalentador, caldera y economizador, a sus presiones respectivas, permiten reducir los costes globales e incrementar la recuperacin de calor. 9

La vaporizacin en el economizador es inevitable cuando se opera en puntos que no son los de diseo, por lo que los economizadores de los (HRSG) lo deben tener en cuenta incluyendo: Flujo ascendente en la seccin final antes del caldern Lnea de recirculacin, para emplear durante las puestas en servicio, para minimizar la generacin de vapor, cuando no hay flujo de agua de alimentacin Paso del agua de alimentacin por el equipo de separacin agua-vapor, que est ubicado en el caldern

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1.3.2. Sistemas de calor basados en calor residual Si los gases residuales arrastran en suspensin materiales no combustibles, se puede recoger una parte de esos materiales mediante tolvas; los gases que salen de la caldera, una vez enfriados, pueden pasar por colectores de polvo, en los que se retiran las partculas restantes que los gases pudieran tener en suspensin. Para poder cumplimentar la amplia gama de requisitos que hay en este campo, se necesitan muchos tipos de calderas. El diseo de las calderas depende de: La cantidad y naturaleza qumica de los gases La temperatura y presin de los gases La carga en polvo de los gases

La transferencia de calor desde los gases residuales al agua de la caldera, depende de: La temperatura y propiedades termofsicas de los gases, que para muchos son relativamente bajas, indicado en la siguiente tabla:

La direccin y velocidad del flujo sobre las superficies absorbentes La limpieza de la superficie

Para obtener una adecuada velocidad de los gases, hay que disponer de un tiro suficiente, por medio de una chimenea o un ventilador, para superar las prdidas de presin provocadas por 11

el flujo de gases a travs de la unidad, teniendo en cuenta un ensuciamiento normal de las superficies de calentamiento. La componente de la termotransferencia por radiacin es baja, por lo que se tiende a disear muchas de las calderas de calor residual, para velocidades de gases mayores que las habituales en unidades que quemen combustibles similares; sin embargo, altas velocidades de gases cargados con polvo en suspensin, erosionan los tubos, sobre todo en los cambios de direccin en el flujo de gases, por lo que cada caso debe cumplir unos lmites de velocidad especficos para cada proceso. Los diagramas A y B, de la siguiente figura, muestran la superficie aproximada de conveccin que se requiere para condiciones usuales en calderas de calor residual. Las condiciones para los diagramas (A) y (B): Tubos alineados de dimetro exterior 2,5" (63,5 mm) Espaciados = 5" (127 mm) Temperatura saturacin = 450F (232C) Prdida de tiro = 0,20 ,4" wg (0,05 a 0,1 kPa)

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Un hogar refrigerado por agua tiene muchas de las caractersticas constructivas de las calderas de calor residual. Este tipo de hogar abierto enfra los gases hasta la temperatura necesaria para prevenir la escorificacin en las superficies de conveccin, que se encuentran aguas abajo, diagrama C de la siguiente figura.

1.3.3. Factores de aplicacin El diseo de una caldera, para una aplicacin particular, depende de una serie de factores, que varan de un proceso a otro e, incluso, dentro de una misma industria. El coste del equipo, energa auxiliar y mantenimiento, tienen que ser congruentes con los beneficios esperados. El diseo de la caldera depende, en cierto modo, del consumo y coste de la energa auxiliar en la propia planta. Una unidad pequea, con tubos muy juntos, requiere ms potencia de ventilador, a causa de las mayores prdidas de tiro. Una unidad mayor tiene menores prdidas de tiro. Otros factores importantes son: el espacio disponible la ubicacin de las conexiones de conductos la naturaleza corrosiva de los gases el efecto de la carga de polvo sobre la erosin las condiciones de presin del proceso, tiro forzado o inducido

Cuando los gases arrastran polvo hay que tener en cuenta el espaciado de los tubos y la retirada del polvo desalojado de las superficies termointercambiadoras. Los tubos deben estar lo suficientemente prximos para una buena termotransferencia, y lo bastante separados para prevenir acumulaciones de polvo o prdidas excesivas de presin. 13

Para mantener las velocidades y la transferencia trmica, la caldera se dispone con: Un amplio espaciado de tubos en las zonas de gases ms calientes Menos espaciado en donde los gases estn ms fros

Las partculas arrastradas desde el proceso hacia la caldera, algunas veces se pueden retirar: Mediante limpiadores mecnicos o por sopladores Para mantener abiertos los pasos de caldera, las deposiciones procedentes de los procesos pueden requerir limpiezas manuales peridicas con aire a presin, vapor o agua Los gases que proceden de hogares que queman aceites o gases combustibles, son relativamente limpios y, por tanto, se pueden usar en unidades con espaciados entre tubos de 1 (25,4 mm). 1.4. Hogar de oxgenos bsico En determinados hornos de acero, (convertidores y hornos elctricos) el comburente es oxgeno puro (BOF) que se sopla por medio de una lanza retrctil refrigerada por agua, montada en la vertical encima del horno. Durante el perodo de soplado, el oxgeno quema las impurezas de Si y P y reduce el contenido de carbono C, elevando la temperatura y as obtener el acero deseado; en este proceso se desprenden cantidades de CO grandes (ms de un 70% en volumen) a temperaturas entre: 3000F (1649C) a 3500F (1927C), que se en una campana refrigerada por agua colocada encima del (BOF) y se queman con aire introducido en la boca de la campana. Los productos de esta combustin se refrigeran mediante: Aire exceso inyeccin de agua atomizada agua de refrigeracin de la campana

Pudindose usar cualquier combinacin de ellos Las diferencias con el servicio de las calderas usuales consisten en: El arrastre de escorias cargadas de hierro desde el BOF Cortos perodos intermitentes de operacin

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Los criterios establecidos para el diseo y construccin de las campanas de hornos de oxgeno con paredes membrana, Figura. Una adecuada resistencia estructural, dado que es un servicio en el que el equipo se manipula bruscamente La superficie de la campana que est en contacto con los gases del horno, tiene que ser lisa para que se puedan desprender las pelculas de metal o de escoria cargadas de hierro Mnima presencia de fisuras, grietas, cantos vivos y aberturas en la parte delantera de la campana, que podran favorecer la deposicin de escoria. La refrigeracin con agua de todas las superficies expuestas a los gases del horno Las diferencias de temperatura entre todos y cada uno de los circuitos de agua deben ser mnimas, sin remolinos o puntos no refrigerados. Las paredes de agua de la campana se tienen que refrigerar con agua tratada y desgasificada, para prevenir la deposicin interna de incrustaciones o la corrosin por el oxgeno. El sistema de refrigeracin de la campana debe ser susceptible de poderse presurizar, para facilitar la generacin de vapor o de agua a alta temperatura La pared membrana puede tener una gran variedad de configuraciones de campana, dependiendo de la disposicin de la planta. La campana puede ser de los siguientes tipos: De flujo alargado, utilizado para transportar los gases hasta una cmara de vaporizacin o de apagado De sombrerete que colecta los gases y los descarga en una cmara de chispas, en la que la temperatura se reduce con agua atomizada, para que se puedan dirigir a un sistema de limpieza

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La campana con paredes refrigeradas por agua se aplica al proceso del convertidor con oxgeno, por uno de los mtodos siguientes: Puede operar como una caldera para generar vapor entre: 100 psi (6,9 bar) a 1500 psi (1034 bar) Puede generar vapor, que condensa en un sistema cerrado, con disipacin de calor en un cambiador de calor refrigerado por aire Puede calentar agua en las paredes membrana de la campana, en circuito cerrado, disipando el calor a un cambiador refrigerado por aire 1.4.1. Campana de generacin de vapor La campana del convertidor de oxgeno, cuando se equipa con: un caldern de vapor bombas de circulacin de caldera los componentes y controles de una caldera

Se convierte en un generador de vapor durante el tiempo de soplado de oxgeno en el ciclo del convertidor La generacin de vapor vara desde cero a un mximo durante un perodo de unos 20 minutos, por cada ciclo del convertidor de 40 - 45 minutos. Esta operacin cclica, unida al tiempo de indisponibilidad que se requiere para la reparacin del revestimiento del convertidor cada 16

pocas semanas, limita la produccin de vapor de una campana nica al 12 - 15% de la vida del citado revestimiento. El tipo cclico de la operacin y el corto perodo de altos regmenes de generacin, impone variaciones en las fluctuaciones de carga, dentro del sistema de vapor, cuyo efecto se puede reducir operando con una nica caldera de campana a alta presin, que descargue en un acumulador adecuado. Cuando la produccin de vapor en la caldera de la campana disminuye, el calor almacenado en el acumulador se libera para producir vapor en una planta a menor presin de vapor. 1.4.2. Campana de vapor presurizado en circuito cerrado Hay plantas de BOF que no pueden utilizar la produccin de vapor de calderas en la campana, pero se pueden disponer para operar en circuito cerrado, representado en la siguiente figura, que asegura un amplio suministro de agua de caldera de buena calidad, sin necesidad de una sofisticada planta de tratamiento.

Una parte del calor absorbido durante el soplado eleva la presin del sistema desde: 250 psi (17 bar) a 450 psi (31 bar); el calor sobrante se descarga a la atmsfera a travs de un condensador refrigerado por aire que opera a la presin del sistema.

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El condensado recogido se retorna a un pozo caliente y, desde aqu hacia el caldern de la campana, para completar el ciclo. El condensador refrigerado por aire del circuito presurizado, es pequeo a causa de la gran diferencia de temperaturas, de unos 350F (194C), entre el vapor de condensacin y el aire de refrigeracin. La energa requerida para disipar el calor es pequea, en comparacin con la energa de bombeo de un sistema equivalente que utilizase agua para la refrigeracin del medio de condensacin. La energa requerida para la circulacin del agua es tambin pequea. El aporte de agua para reponer las prdidas que tienen lugar a travs de las empaquetaduras de las bombas, en los vstagos de vlvulas y en la purga, son pequeas. El sistema en circuito cerrado se puede modificar para suministrar vapor a planta, tomndolo de una tubera de vapor que sale de la campana. El vapor se puede tomar del caldern de la campana y, por tanto, la carga trmica sobre el condensador refrigerado por aire se puede disminuir. 1.5. Calderas de calor residual 1.5.1. Hornos Martin Siemens Producen un gas residual altamente cargado de polvo, con temperaturas del orden de 2100F (1150C); para recuperar el calor residual, se utilizan calderas de calor residual, representado en la siguiente figura. La capacidad de vaporizacin de una unidad, asociada a un horno Martin-Siemens, puede llegar a 150.000 lb/h, (18,9 kg/s). En muchas instalaciones es

conveniente mantener el flujo de vapor durante los perodos de carga y mantenimiento, quemando un combustible auxiliar que requiere de un hogar de caldera para su combustin; por sto, la caldera de calor residual para un horno Martin-Siemens, tiene que ser una unidad verstil, que tenga en cuenta: La disponibilidad de espacio La cantidad del gas residual La capacidad de vaporizacin La posibilidad de limpieza La combustin de combustible suplementario

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1.5.2. Caldera de calor residual para condiciones especiales Otros tipos de calderas de calor residual recuperan el calor de los gases residuales o de fluidos de procesos industriales, teniendo en cuenta el espacio, temperatura, presin y tiro. El incremento del coste de los combustibles ha propiciado el progreso en el aprovechamiento de las energas residuales, incluyendo diseos especializados y aplicaciones singulares de calderas. La recuperacin de una serie de subproductos de desecho o residuales, que se pueden utilizar como combustibles para generar vapor, puede provenir de: La industria de los aceites minerales, que cuenta con una gran fuente de energa en los gases que se descargan en los regeneradores catalticos La industria siderrgica dispone de gases de horno alto La industria del azcar y sus residuos de la caa La industria de la madera y de la pulpa producen virutas, cortezas de madera y licores como subproductos residuales Los hornos de reverbero de la industria del cobre Los hornos de calentamiento para revenido, forja, palanquilla, etc. Los hornos de calcinacin, etc.

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1.5.3. Caldera simple de calor residual de tres calderines Diseada para operar con gases cargados de polvo y adaptada para utilizar gases residuales con elevados contenidos de slidos, procedentes de hornos de cemento, se representa en la siguiente figura.

La mxima precipitacin de slidos se asegura mediante el flujo horizontal de los gases a travs de un banco de tubos verticales, y una disposicin de bafles deflectores efectiva, siendo posible manipular una lanza para deshollinado, desde ambos lados de la unidad, que puede alcanzar cualquier espacio a todo lo ancho de la unidad, actuar en el techo y en la parte superior de los dos calderines inferiores, con lo que todas las superficies absorbentes de calor son accesibles. Con gases que tengan elevados contenidos de slidos, frecuentemente se puede reducir el trabajo del deshollinado con lanzas manuales, utilizando largos sopladores retrctiles, ubicados en uno o varios niveles a lo largo de los bancos tubulares, en holguras o espacios conformados por la supresin de una fila de tubos. Para mantener las condiciones ptimas de transferencia de calor, sin cambiar la direccin del flujo de gases, los tubos de las secciones posteriores de la caldera se disponen menos espaciados que los de entrada. La circulacin en esta caldera es simple: Los tubos de la caldera sitos en el lado de los gases calientes, actan como tubos ascendentes Los tubos de caldera ubicados en las zonas ms fras actan como tubos descendentes o alimentadores

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La caldera tiene un caldern relativamente largo, en el que la separacin del vapor se produce sin usar deflectores. El vapor se recoge en una tubera ubicada en el extremo de mayor remanso del caldern, en el lado de humos fros. El agua de alimentacin se mezcla con el agua de la caldera, cuando asciende al caldern de vapor. La expansin y contraccin de los calderines y tubos no afecta a la envolvente de acero, al ladrillo refractario o al aislamiento. La infiltracin de aire se reduce al mnimo. Todas las partes a presin descansan sobre soportes ubicados por debajo de los calderines inferiores. La ubicacin del sobrecalentador se puede modificar de acuerdo con los requisitos de temperatura establecidos para el vapor sobrecalentado. Para incrementar la absorcin de calor, se puede colocar un economizador en el flujo de gases descendente a la salida de la caldera, para facilitar la recoleccin de slidos. Los slidos recogidos en las tolvas que estn debajo de la caldera y del economizador, se retiran fcilmente con la caldera en servicio. En una nica caldera, aguas abajo de un horno de cemento, por medio de estas tolvas, se puede recuperar alrededor de 20 ton (18,14 Tm) a 40 ton (36,3 Tm) de polvo de cemento. 1.5.4. Sistemas de vapor mediante combustibles singulares a) Calderas de CO En la industria del petrleo, la operacin de una unidad de craquizacin cataltica del fluido (FCC), produce un gas rico en CO. Para recuperar la energa trmica de estos gases, se puede disear una unidad de craquizacin cataltica que incluya una caldera de CO, para generar vapor. En el caso de refineras que generan grandes cantidades de CO, se utilizan calderas montadas en campo, como la caldera de hogar integrado Existen pequeas refineras que disponen de unidades de craquizacin de 1.908 m3/da, o menos, que producen entre 75000 lb/h (9,5 kg/s) a 175000 lb/h (221 kg/s), y que se pueden ensamblar completamente en taller, representado en la siguiente figura

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El CO se admite a travs de unas portillas en las paredes laterales y en la pared frontal, para promover la mezcla y la rpida combustin. Los quemadores para la combustin del combustible suplementario se ubican en una pared frontal de refractario y queman en un hogar horizontal. Los mximos requisitos de vapor de la unidad de craquizacin dependen del ciclo de vapor de la planta, y se presentan en: La operacin normal a plena carga Durante la puesta en servicio de la unidad de craquizacin

El suministro de CO no es suficiente para generar la mxima cantidad de vapor, por lo que se necesita un combustible suplementario que eleve la temperatura del CO hasta su punto de ignicin, y as poder asegurar la combustin completa. Los criterios bsicos establecidos para el diseo son: El rgimen bsico de combustin debe generar en el hogar una temperatura de 1800F (982C), para facilitar una combustin estable de los combustibles El aire se suministra por el ventilador de tiro forzado, que facilita un 2% de oxgeno a la salida de la unidad, cuando se queman CO y combustible suplementario. El equipo de combustin suplementaria, ha de ser capaz de elevar la temperatura del CO hasta 1450F (788C), que es la temperatura de ignicin de los combustibles A causa de pobibles variaciones en: el combustible el contenido de oxgeno de los gases de CO el calor sensible de estos gases 22

la combustin suplementarias , por lo que hay que

No resulta recomendable establecer la siguiente relacin determinar el exceso de oxigeno que sale de la unidad.

Aguas arriba de la caldera de CO se instalan tanques de sellado hidrulico, de modo que los gases de CO procedentes del regenerador cataltico, puedan pasar a travs de la caldera o ser enviados directamente a la chimenea, lo que permite una operacin independiente de la caldera de CO, sin que interfiera en la operacin del regenerador. Los tanques de sellado hidrulico se prefieren a las vlvulas mecnicas de cierre, por: La elevada temperatura de los gases El gran tamao de los conductos de CO La necesidad de una construccin totalmente estanca la unidad de craquizacin cataltica para su los quemadores del combustible

La caldera de CO suministra vapor a

funcionamiento; se pone en servicio utilizando slo

suplementario, y bipasando los gases del regenerador hacia la atmsfera. Los gases de CO no se deben introducir en la caldera hasta que sta alcance la temperatura nominal, porque dichos gases estn a menos de 1000F (538C) y, por tanto, tienden a enfriar el hogar. El combustible suplementario representa entre 1/4 y 1/3 de la produccin total correspondiente, cuando la temperatura del CO entrante se mantiene en 1000F (538C); en cuanto los gases de CO se introducen en la caldera ignicionan con bastante rapidez y se queman con una llama no luminosa, siendo necesario reducir el combustible suplementario y el aire comburente. La caldera manipula los gases procedentes del regenerador cataltico, independientemente de la relacin ; una modificacin de esta relacin afecta mucho a la cantidad de

combustible suplementario, que se necesita para mantener la temperatura de 1800F (982C) en el hogar, lo que facilita un margen operativo razonable, para posibles variaciones en el funcionamiento del regenerador o de la caldera. La caldera se puede mantener en condiciones estables con una temperatura en el hogar de 1500F (816 C), aunque el margen sobre la temperatura de ignicin del CO se reduce considerablemente.

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El calor procedente de los gases de CO se calcula considerando el calor sensible, respecto a una temperatura supuesta en la chimenea de la caldera, ms el calor procedente de todos los dems combustibles. Las modificaciones en: los catalizadores de FCC (craquizacin cataltica fluida) las condiciones del proceso

Reducen el CO contenido en los gases que salen de la unidad, e influyen en la temperatura del gas que va a la caldera de CO, incrementando la misma desde 1000F (538C) hasta 1450F (788C). Otras modificaciones que han permitido disear nuevas calderas recuperadoras de calor para unidades FCC, son: La eliminacin del refractario de la zona de combustin El uso de paredes membrana de agua El redimensionado de las superficies termointercambiadoras

Estas modificaciones se representan en la siguiente figura:

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En lo que respecta a la figura anterior, los objetivos de la modificacin de la caldera circular de CO son: Eliminar fallos en las paredes de tubos Eliminar el deterioro en el refractario Eliminar fugas en la envolvente Mejorar la eficiencia de la caldera

Siendo el alcance de los mismos: Nuevo hogar de geometra rectangular Economizador Conductos de gases y humos Nuevo sobrecalentador primario Quemadores de bajo NOx

b) Calderas que queman gas de horno alto y gas de batera de coque El gas de horno alto (BFG) contiene un 25% de CO en volumen, y est densamente cargado de polvo; se limpia mediante lavado y precipitacin electrosttica, antes de entrar en los quemadores de las calderas. El gas de batera de coque (COG) tiene un alto contenido de hidrgeno libre, por lo que arde fcilmente; se utiliza en mecheros-piloto de servicio continuo, y como combustible principal en las unidades que queman (BFG). Algunas veces, la carga de hierro, coque y productos qumicos, contenidos en el gas de horno alto pueden crear bvedas en el hogar, cuyo desprendimiento (colapso del hogar) provoca una pulsacin instantnea en la presin de los gases, en todo el sistema, que puede apagar la llama de los quemadores, por lo que hay que tomar medidas en el diseo de estas calderas para un reencendido inmediato y para prevenir explosiones. Para minimizar el mantenimiento, las calderas de unidades modernas tienen poco o nada de refractario; utilizan pilotos de combustin continua para el reencendido tras un colapso del hogar. 1.5.5. Calderas que queman gases peligrosos (BCRA) Los materiales se revisan, conforme a los criterios de: inflamabilidad, reactividad, toxicidad y corrosibilidad. Si uno de los materiales excede alguno de los criterios precedentes, el material se califica como residuo peligroso segn (RCRA). 25

Cuando se queman residuos orgnicos peligrosos (POHC), el vertido a la atmsfera de un residuo oficialmente peligroso est sujeto a normas y regulaciones previstas en la (RCRA), que incluyen unos valores mnimos en la eficiencia de la destruccin y retirada (DRE), La excepcin comprende los bifenilos policlorinados (PCB) y las dioxinas, que se deben destruir hasta un 99,99%, por sus efectos sobre la salud. Muchos residuos oficialmente peligrosos, segn (RCRA), son combustibles adecuados para calderas, a las que se llevan con el doble propsito de destruir los (POCH) y generar vapor para necesidades de la planta. La combustin debe destruir los constituyentes peligrosos, asegurando la destruccin del 99,99% de (DRE). Los requisitos relativos a emisiones incluyen el control de NOx, SO2 y partculas y, a veces, de metales pesados y cido clorhdrico.

2 Turbinas de VaporEs una turbomquina motora, que transforma la energa de un flujo de vapor en energa mecnica a travs de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (vapor) y el rodete (rgano principal de la turbina), el cual cuenta con palas o labes los cuales poseen una forma particular para poder realizar el intercambio energtico. Las turbinas a vapor estn presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre estos el ms importante es el Ciclo de Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presin. En la turbina se transforma la energa interna del vapor en energa mecnica que es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina se puede distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor est formado por ruedas de labes unidas al eje y que constituyen la parte mvil de la turbina. El estator tambin est formado por labes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. Las turbinas de vapor transforman la energa potencial de tipo trmico, en energa mecnica. La energa potencial trmica disponible es la diferencia de entalpas entre el estado inicial del vapor, a la entrada de la turbina, y su estado final, a la salida de la misma; esta diferencia de entalpas se conoce como salto entlpico o salto trmico.

26

En las turbinas de vapor existen unos elementos fijos que son las toberas y los distribuidores de labes; si el salto entlpico se transforma totalmente en energa cintica, la turbina es de accin y la entalpa a la salida de la tobera para un proceso isentrpico es igual a la entalpa final del vapor; en estas circunstancias, en los labes dispuestos sobre el rotor o corona mvil, habr nicamente una transformacin de energa cintica en mecnica, que se produce haciendo seguir al fluido una determinada trayectoria, (entre labes), de forma que su velocidad absoluta disminuya; cualquier cambio de magnitud o de direccin en dicha velocidad, es debido al efecto de una fuerza que es la accin de los labes de la corona sobre el fluido. A su vez, todo cambio en la direccin o en la magnitud de la velocidad del fluido origina un empuje sobre los labes, de forma que para cuando stos van montados sobre una corona mvil, la potencia generada es igual al producto de la velocidad tangencial de los labes por la componente perifrica de la fuerza.

2.2 Turbinas de flujo axial

2.2.1 Tringulo de velocidades y parmetrosEl tringulo de velocidades a la entrada se obtiene a partir de velocidades a la salida se obtiene: Para las turbinas de accin, a partir de la eleccin de un coeficiente de reduccin de velocidad Para las turbinas de reaccin: . El tringulo de

La altura de la seccin de salida del labe fija la relacin: En las turbinas de accin, la altura del labe se determina teniendo en cuenta el inters que presenta una reduccin del ngulo y la centrifugacin de la vena de los labes fijos

constante. La eleccin del perfil del labe se realiza a partir de los valores de los ngulos obtenidos, teniendo en cuenta que: Los labes gua del distribuidor, cuando forman parte de los diafragmas de los escalonamientos de accin, deben resistir el empuje aplicado sobre ellos.

27

Los labes de la corona deben resistir: Los esfuerzos centrfugos La flexin producida por la accin tangencial del vapor La fatiga debida a las vibraciones

Para definir la forma de los tringulos de velocidades, en el supuesto de velocidad axial , se necesitan cuatro parmetros: 1. El coeficiente de presin o de carga Este expresa la capacidad de realizar un trabajo T por unidad de masa, desarrollado por el escalonamiento, que se define de la forma:

El signo (+) de la ecuacin de Euler es debido a que en los tringulos de velocidades las componentes tangenciales tienes sentidos contrarios.

Geomtricamente es la relacin entre las bases del trapecio, Fig. 1.1, de los tringulos de velocidades. El coeficiente de presin afecta al rendimiento del escaln y al coste de la maquina a travs del numero de escalonamientos

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2. El coeficiente de caudal o de flujo : Est relacionado con el tamao de la mquina para un gasto msico G dado, y se define en cmo: Geomtricamente es la relacin entre la altura y la base del trapecio de los tringulos de

velocidades; afecta al rendimiento y al coste de la maquina a travs de la altura del labe. 3. El factor de calidad o n de Parsons X:

Permite hallar el nmero de escalonamientos y se calcula de la siguiente forma: 4. El grado de reaccin :

Es la relacin entre el salto entlpico terico en el rotor y el salto entlpico terico total de la turbina de la forma:

Entre estos coeficientes adimensionales existen unas relaciones que tienen inters cuando la turbomquina funciona fuera del punto de diseo; para flujo axial, ,

estos coeficientes se pueden poner en funcin de diversos ngulos que participan en el clculo de la mquina;

29

Que, se resumen en:

y que permiten hallar, para el flujo axial, los ngulos

, en la forma:

Otras relaciones entre estos parmetros son:

Que junto con forma:

, conforman un sistema de dos ecuaciones de la

Con esto queda definido el tamao, es necesario aadir otra magnitud que puede ser el salto entlpico total del escalonamiento o la velocidad tangencial del labe .

2.2.2 Diseo bsico de los escalonamientos de turbinas axialesLos diseos bsicos de los escalonamientos de turbinas axiales pueden ser: Grado de reaccin cero Grado de reaccin 0,5 Velocidad de salida axial y grado de reaccin cualquiera

30

Sin embargo no hay que limitarse a emplear slo estos diseos bsicos, por cuanto en el diseo tridimensional empleado para labes con relacin (base-punta) baja, y labes torsionados, la reaccin puede variar a lo largo del labe (torbellino libre). 1. Grado de reaccin =0 Escalonamiento de accin. De las expresiones desarrolladas para =0 se tiene:

Siempre que

, con excepcin de algn caso especial, como el escalonamiento de

regulacin de las turbinas de vapor (corona simple de accin o turbina Curtis). En las turbinas de vapor de accin de pequea y media potencia, el salto entlpico asignado al primer escalonamiento de accin resulta excesivo, por lo que se sustituye por un doble escalonamiento Curtis que permite la admisin parcial; a esta corona Curtis se la conoce como corona de regulacin, ya que en ella se verifica la regulacin cuantitativa de la turbina, por la regulacin del gasto de vapor que ejerce la tobera. Si el flujo es isentrpico la presin se mantiene constante en el rotor y el escalonamiento de reaccin cero se corresponden con un escalonamiento de presin constante en el rotor, que se conoce como escalonamiento de accin. Los escalonamientos de p = Cte en el rotor con flujo no isentrpico, tienen reaccin negativa, es decir, disminuye la velocidad relativa en el rotor.

31

2. Grado de reaccin =0,5 Para este valor del grado de reaccin, Fig. 1,4 se tiene:

3. Velocidad de salida

axial:

En este caso, =90, Fig. 1,5 por lo que:

Se observa que con velocidad de salida axial no es posible obtener valores de >2, a menos que la reaccin sea negativa, es decir, a menos que disminuya la velocidad relativa en el rotor.

32

2.2.3 Triangulo de velocidades en funcin del grado de reaccinEl grado de reaccin, para un escaln compuesto por distribuidor y corona, se define de la forma:

En la que El valor de

es la velocidad de alimentacin del escaln. se obtiene, asumiendo que el salto entlpico , lo que es

aproximado siempre que la diferencia de presiones correspondiente al escaln sea pequea

33

Trabajo interno:

Es de la forma:

, siendo:

Por lo que, sustituyndolas se tiene:

34

Rendimiento til:

Relacin ptima:

Se obtiene haciendo

Que es una ecuacin de segundo grado. Con las ecuaciones obtenidas se pueden estudiar casos particulares, sin tener que partir de ningn tipo de hiptesis inicial restrictiva, pudindose hacer las siguientes simplificaciones:

Para un escaln de accin =0, y labes no simtricos, se obtiene:

Para un escaln de accin =0, y labes simtricos, se tiene:

Si se considera =1 resulta:

35

2.3 Turbinas de vapor de reaccin

2.3.1 Turbinas con escalonamiento de reaccinCuando el salto de presin es grande, se recurre a fraccionarle en una serie de escalonamientos de forma que los de mayor presin se correspondan con la parte de accin (una Turbina Curtis o una turbina simple o doble de accin), y el resto, con la parte de reaccin. Para su estudio vamos a considerar un escalonamiento cualquiera de la parte de reaccin, entre los estados 0 y A, a los que corresponden las presiones velocidad es la correspondiente al salto adiabtico y , respectivamente; la

El vapor no se expansiona totalmente en los labes gua del distribuidor, sino que lo hace slo desde hasta una presin intermedia con la que penetra en el rotor, continuando su .

expansin en los labes del mismo, hasta alcanzar la presin de salida

El distribuidor viene dimensionado de forma que transforme una parte de la energa disponible del vapor en energa cintica

La fraccin restante del mismo

se transforma a lo largo de los labes de la corona mvil,

en energa cintica de rotacin, viniendo los labes diseados para que en ellos se produzcan dos tipos de transformaciones simultneas: La de la energa cintica adquirida en los labes distribuidores, en energa mecnica El resto de entalpa en energa cintica y, sta a su vez, en energa mecnica

36

Por efecto del rozamiento en la expansin adiabtica (OA) se sustituye sta por la (Ob); el choque del vapor a la salida del distribuidor con los bordes de los labes de la corona mvil, produce un recalentamiento del vapor a la presin vapor en la corona mvil. Por incorporacin del calor debido al rozamiento del vapor en los conductos formados por los labes de la corona, se efecta la transformacin (cd); finalmente, y debido a la transformacin en calor de la energa que an lleva el vapor al abandonar la corona, (prdidas a la salida), se produce un recalentamiento del vapor segn (de); en la figura anterior, la velocidad reversible. sera la correspondiente a la salida de la corona, en la expansin adiabtica , obtenindose el punto c, entrada del

2.3.2 Prdidas en un escaln Prdidas por rozamiento en los labes distribuidores

Prdidas por rozamiento en los labes de la corona mvil

Prdidas a la salida: Prdidas por rozamiento de los discos, ventilacin de los labes no inyectados en inyeccin parcial.

En la expansin real, el punto representativo del estado del vapor se desplaza sobre una lnea distinta de la adiabtica; en el diagrama (T-s), Fig., se observa:

37

El salto adiabtico puesto a disposicin del escalonamiento, viene dado por el rea (mnpqrs)= ip - iq Las prdidas trmicas del escalonamiento, por el rea (ptuvp) = ip - iq El salto adiabtico puesto a disposicin de la turbina, por el rea (ABCD) que llamaremos rea A La prdida total en la mquina, comprendiendo una parte recuperada, rea (DCC), rea B, y una parte definitivamente perdida en el condensador, rea (dDCc), rea C. Se observa que si la prdida total es la suma de las prdidas del escalonamiento, la suma de las expansiones adiabticas individuales es superior al salto adiabtico total.

El calor que se transforma en trabajo es: Salto adiabtico en la turbina - Prdidas no recuperadas = A - C = iC - iC' El rendimiento adiabtico (indicado) es:

Debido a la recuperacin parcial de las prdidas, el rendimiento adiabtico del conjunto es superior al rendimiento medio de los escalonamientos. Si todos los escalonamientos tienen el mismo rendimiento:

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Hay que tener en cuenta que en los saltos de AP el rendimiento es generalmente inferior a la media, al igual que en los saltos situados en la zona de vapor saturado.

2.3.3 Trabajo interno y rendimientoPara obtener el rendimiento mximo hay que tener en cuenta: Una reduccin del nmero de choques de vapor a la entrada del rodete, por lo que es conveniente que la distancia entre el distribuidor y la corona sea la mnima posible. Se logra haciendo que el chorro de vapor incida sobre los labes de la corona, de forma que sea tangente al labe a la entrada.

Una reduccin al mnimo del rozamiento en los conductos entre labes por los que circule el vapor, por lo que las superficies de los labes, tanto del distribuidor como de la corona, deben estar pulidas a espejo. Requiere de tcnicas especiales para el mecanizado de los labes.

Una reduccin al mnimo de la velocidad de salida, escogiendo un valor de la velocidad de la turbina que haga mnima la velocidad de salida. Como resulta del examen del tringulo de velocidades a la salida, el valor mnimo de la velocidad cuando sta es normal a tiene lugar

, condicin que no es til cuando hay ms de una corona.

El trabajo interno de la turbina es la diferencia entre el trabajo adiabtico terico, y las prdidas por rozamiento, es decir:

Que es un resultado idntico al obtenido para las turbinas de accin, ya que se han incluido las prdidas a la salida. Para un grado de reaccin =0,5

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Si no se consideran las prdidas residuales a la salida, por cuanto la velocidad

es

aprovechable como velocidad de entrada en el siguiente escalonamiento, el trabajo adiabtico terico es:

En donde se supone que las prdidas de salida se recuperan en el escaln siguiente Para un grado de reaccin =0,5 y flujo axial se tiene:

Siendo

la relacin cinemtica a la entrada.

El valor de se calcula a partir de las perdidas:

El valor total de las prdidas para = 0,5 es:

Siendo el rendimiento interno:

40

El salto adiabtico es:

Y el rendimiento interno:

El grado de reaccin =0,5 y flujo axial, los tringulos de velocidad de entrada y salida son iguales, y los labes gua del distribuidor y de la corona mvil estn dispuestos simtricamente

El grado de reaccin =0,5 y condicin de rendimiento mximo

, se tiene:

41

Estando el ngulo Si se considera

comprendido entre 14 y 40. el rendimiento interno es igual a 78,9%, que es debe

ligeramente superior al de la corona de accin; para un mismo valor de , el valor de ser menor, por lo que necesitar un nmero mayor de escalonamientos

2.4 Turbinas de vapor de accin

2.4.1 Turbina de vapor de accin con un escalonamiento de velocidadUna turbina de vapor de accin con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de los siguientes elementos: Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misin es transformar la energa trmica del vapor puesta a su disposicin, total (accin), o parcialmente (reaccin), en energa cintica Una corona mvil, fija sobre un eje, cuyos labes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energa mecnica de rotacin, la energa cintica puesta a su disposicin En la tobera se realiza la expansin total del vapor, desde la presin p0 hasta la p1, transformndose la energa trmica, en energa cintica de la forma:

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La seccin entre labes se mantiene constante; el vapor pasa por la corona a presin constante, actuando sobre los labes en virtud de la energa cintica adquirida; si el vapor, al abandonar la corona, conserva an una cierta velocidad, se puede utilizar posteriormente mediante un distribuidor de labes gua fijos, para actuar sobre una segunda corona coaxial, consiguindose de esta forma una turbina de accin con escalonamientos de velocidad Tobera: La circulacin del vapor por la tobera es un proceso no isentrpico, la prdida de energa en la tobera consta de dos sumandos principales: Las prdidas debidas al rozamiento del chorro de vapor sobre las paredes Las prdidas inherentes a la formacin de torbellinos en el seno del fluido, as como las fugas de vapor por el intersticio entre toberas y corona, y el choque con el borde de entrada de los labes Todas estas prdidas se resumen en un valor , que se conoce como coeficiente de

reduccin de velocidad, siendo su valor del orden de 0,95. Debido a estas prdidas, la energa mecnica de rozamiento se transforma en calor, siendo absorbida una fraccin por el vapor, que incrementa as su entropa y su entalpa a la salida de la tobera. Si es la velocidad terica a la salida de la tobera, y la velocidad real, se puede poner:

Siendo

el coeficiente de reduccin de velocidad 43

El trabajo de rozamiento en la tobera es de la forma:

El rendimiento de la tobera se define de la forma:

Para toberas simplemente convergentes y vapor recalentado, la presin final o presin de entrada en la corona p1 es mayor que la correspondiente a la seccin crtica pk:

Corona mvil: El clculo de las prdidas originadas por el paso del vapor a lo largo de los labes es complejo a pesar de los numerosos y detallados trabajos experimentales que sobre el mismo se han realizado. En particular, no es rigurosamente cierto el supuesto de que el vapor pase a presin constante entre los labes de la turbina de accin, de modo que las diferencias de presiones que se establecen entre filetes fluidos de distinta curvatura, darn lugar a la formacin de torbellinos que se suman a los que origina la circulacin propiamente dicha. Estas prdidas se pueden agrupar en: Prdidas por choque contra la arista de entrada del labe Prdidas por rozamiento del vapor sobre la superficie de los labes Prdidas por curvatura, que son las ms importantes y radican en el efecto de la fuerza centrfuga sobre las partculas de vapor, fuerza que tiende a aumentar la presin sobre la cara cncava, y a disminuirla sobre la convexa Para su valoracin se introduce un coeficiente 1, 1, que compendia las prdidas y modifica la velocidad relativa conque el vapor circula entre los labes, de modo que la velocidad relativa de salida es: , y las prdidas:

Los valores numricos de en funcin de la desviacin

son ms difciles de determinar que los de pudindose expresar de la vena de vapor, es decir, de la suma de los ngulos

que forman entre s las velocidades relativas de entrada y salida. 44

En el grfico de la Figura siguiente se indican los valores de correspondientes:

A la salida de los labes hay unas prdidas debidas a la velocidad absoluta de salida incrementan la entalpa y la entropa del vapor, tramo (a2), de la forma

, que

Existen otras prdidas puramente mecnicas debidas a la ventilacin, rozamiento de los discos, etc, que en el diagrama (i,S) hemos definido por el tramo (2b) del mismo. El chorro de vapor a la salida de las toberas es libre, mientras que la presin existente a uno y otro lado de los labes mviles de la corona es, tericamente, la misma. En realidad hay una cada de presin por el rozamiento. El esquema que se expone en la Figura siguiente se corresponde con el de una turbina de accin con un escalonamiento de velocidad.

45

2.4.2 Triangulo de velocidades Entrada:En la Figura siguiente se han representado los cambios de velocidad que experimenta el vapor en la corona mvil. El vapor sale de la tobera y penetra entre los labes de la corona mvil con una velocidad ; la velocidad tangencial o perifrica es , y por lo tanto, la velocidad

relativa del vapor a la entrada es

, que es la que observara un espectador que se moviese

arrastrado por los labes, de la forma:

Al conjunto de velocidades , y de velocidades a la entrada.

, junto con los ngulos

y

se le conoce como tringulo

Salida: Al pasar el vapor entre los labes de la corona, la velocidad relativa disminuye por rozamiento, por lo que a la salida se tienen otras velocidades ,entre s los siguientes ngulos: y , que forman

Los diversos trabajos y rendimientos se pueden obtener como se indica a continuacin:

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1) Trabajo interno El trabajo generado por un determinado gasto msico G(kg/seg) de vapor se puede expresar, sin considerar las prdidas mecnicas, en la forma:

2) Rendimiento interno El rendimiento interno es la relacin entre el trabajo interno generado en la corona mvil y la entalpa disponible.

Las ecuaciones anteriores son vlidas exista o no rozamiento, y lo mismo para el caso en que se transforme, o no, todo el salto de entalpa disponible en energa cintica, bien totalmente en las toberas (turbinas de accin), o parcialmente en el distribuidor de labes gua y el resto en la corona de labes mviles (turbina de reaccin). En el primer caso sabemos que el vapor circula entre los labes de la corona mvil a presin constante, siendo la seccin de paso entre los labes constante, Fig II.6, mientras que para el segundo caso, la presin a la entrada de los labes de la corona mvil es mayor que a la salida, lo que se consigue haciendo que la seccin de paso entre los labes sea variable, Fig II.7.

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De otra forma: Haciendo uso del Teorema de Euler aplicado a las Turbomquinas, el trabajo interno es:

Rendimiento interno:

48

De lo anterior se deducen las siguientes consecuencias: El rendimiento interno es tanto mayor cuanto ms pequeo es el ngulo de entrada . La potencia es tanto mayor cuanto ms elevado sea entlpico, por cuanto la velocidad axial para un valor determinado del salto , por unidad de seccin es mayor

Supuestos constantes , 1 y , el rendimiento es funcin de 1 y de la relacin

El ngulo 1 depende de 1 pero se puede suponer que para cada valor de 1 el perfil del labe se proyecta de tal forma, que la relacin es constante, lo cual quiere decir que un

aumento de 1 implica un aumento de 1 y para que la relacin se mantenga, 2 tiene que disminuir. Si se eligen labes simtricos ( = 0, 1 = 2) el rendimiento interno es slo funcin de 1, es decir:

que se representa en la siguiente figura y que se corresponde con la ecuacin de una parbola que se anula para 1 = 0, (turbina parada) y, para 1 = cos 1, (velocidad tangencial igual a la componente perifrica c1n de la velocidad de entrada).

3) Trabajo interno mximo El trabajo interno mximo se obtiene derivando la ecuacin del trabajo interno respecto de u:

49

4) Rendimiento interno mximo El rendimiento interno mximo se obtiene sustituyendo en la expresin del rendimiento interno la condicin 2 u = c1 cos 1, o tambin:

Para obtener un buen rendimiento es fundamental elegir adecuadamente el valor de 1 de forma que siempre permanezca en las proximidades del mx. Gasto msico de vapor El salto adiabtico disponible se determina mediante el diagrama de Mollier; para un rendimiento dado de la turbina, el gasto msico de vapor es:

y aunque el rendimiento global de la turbina = int mec, no se conoce hasta una vez ensayada, se dispone de resultados de diseo y proyectos anteriores, que se pueden aprovechar en forma aproximada a fin de minimizar su coste de fabricacin. Velocidad de embalamiento Cuando la turbina adquiere la velocidad de embalamiento posee un rendimiento nulo, por lo que cos 1 = 1, y no proporciona potencia. La velocidad de embalamiento de la turbina, que es la que sta adquirira si el par resistente fuese nulo es: u = c1cos 1, y corresponde a una corona con labes rigurosamente rectos y axiales, pasando el vapor a travs de ellos sin ejercer 50

empuje perifrico alguno. Para una turbina ya construida que funcione a velocidades muy superiores a las de proyecto, se tiene que cumplir: , y los valores de las

componentes meridianas de las velocidades coincidirn, siendo los tringulos de velocidades para el embalamiento, de la forma indicada en la siguiente figura:

De dichos tringulos se obtienen las siguientes ecuaciones:

Multiplicndose miembro a miembro:

Y el valor de la velocidad de embalamiento es:

Deducindose que la velocidad de embalamiento es siempre superior a: debido a que si

, lo cual

est situada, en una turbina dada, a un lado del eje meridiano, en el en el mismo lado. Como el valor es pequeo, el

embalamiento tambin estar valor de u estar prximo a,

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Prdidas mecnicas: Depende de las siguientes situaciones: Rozamientos de discos Ventilacin Inyeccin parcial

Las prdidas mecnicas por rozamiento se determinan mediante la expresin:

Donde D es el dimetro medio de la corona en metros, u viene en m/s y en kg/m3 Las perdidas por ventilacin vienen originadas por el rozamiento de las aletas que no estn sometidas a la inyeccin del vapor, se pueden determinar mediante la expresin:

En la que a es la altura del labe en metros, u viene dada en m/s, y es el grado de inyeccin, de la forma:

Las prdidas debidas a la inyeccin parcial se determinan mediante la ecuacin:

y son debidas a los remolinos producidos en los labes de la corona mvil por la trayectoria diferente de las primeras rfagas y de las ltimas.

2.5 Regulacin de turbinas de centrales elctricasLa turbina de condensacin, sin recalentamiento, no lleva generalmente ms que un regulador de velocidad. En algunos casos se utiliza una regulacin compuesta de velocidadpresin de admisin que mantiene constante la presin a la entrada de la turbina. La turbina de condensacin con recalentamiento intermedio va provista de un sistema de regulacin complejo, ya que el gran volumen de vapor contenido en el recalentador 52

intermedio y los conductos, que a plena carga est a una presin de 20 - 30 atm, constituye una reserva de energa cuya descarga completa, aun en el caso de una reaccin rpida de los rganos de regulacin del lado del vapor vivo, producira una sobrevelocidad inadmisible que podra pasar del 25% al 45% de la normal (el mximo valor admitido es del 10%), por lo que es indispensable intercalar rganos de regulacin despus del recalentamiento intermedio, inmediatamente delante del cuerpo de MP, que sean susceptibles de intervenir en caso de descarga repentina. Estos rganos de regulacin (vlvulas de moderacin) slo entran en accin en el rgimen transitorio; para evitar un aumento exagerado de la velocidad en rgimen normal, a cualquier carga se mantienen abiertas, pues todo estrangulamiento provocara una cada de presin puesta a disposicin de los cuerpos de MP y BP, por lo que slo se utilizan las vlvulas de vapor vivo de forma provisional.

La regulacin no utiliza el sistema de transmisin directa de las fuerzas de accionamiento, sino que hace uso de sistemas amplificadores (servomotores), en los que para simplificar los esquemas, no se han incluido un cierto nmero de mecanismos tales como, el regulador de velocidad, el limitador de sobrevelocidad, el regulador de estatismo, los mecanismos de seguridad normales, etc. 53

2.5.1 Comparacin de la regulacin de las turbinas de vapor con la de las turbinas hidroelctricasComo el vapor es un fluido prcticamente sin inercia, no hay que temer el riesgo del golpe de ariete. El nico factor desfavorable lo constituye la expansin del fluido entre las vlvulas de admisin y los labes del distribuidor del primer escalonamiento, ya que el volumen

comprendido entre estos dos rganos est limitado al mnimo. Por la misma razn, el vapor con recalentamiento intermedio se introduce en la turbina despus de pasar por una vlvula moderadora situada en la proximidad del cuerpo de MP. La ausencia de inercia del vapor favorece la estabilidad de la regulacin que se obtiene con un grado de control moderado que no es necesario sea peridico. El acelermetro, empleado a veces en los grupos de gran potencia con recalentamiento intermedio, no se emplea como estabilizador, sino como regulacin. La moderacin de los esfuerzos de maniobra de los obturadores, permite la regulacin directa en el caso de mquinas pequeas, que junto a la ausencia de inercia del fluido, implica tiempos de maniobra T pequeos. El tiempo caracterstico t de los grupos es ms elevado que en el caso de las turbinas hidrulicas, debido a que tienen una velocidad de rotacin mayor; una relacin grande dispositivo destinado a aumentar la rapidez de accin de la

favorece la limitacin de la separacin de velocidad en el caso de grandes variaciones de carga y a la estabilidad en el caso de pequeos movimientos de regulacin.

2.5.2 Sistemas utilizados en la regulacin de las turbinas de vapor1) Regulacin de una turbina de condensacin En la regulacin de una turbina de condensacin, el taqumetro acta sobre una vlvula de distribucin de corredera que establece la presin del aceite en funcin de la velocidad, provocando un desplazamiento de la vlvula de distribucin de corredera que alimenta el motor de las vlvulas de doble efecto. Un sistema de mando por palanca y manguito asegura la estabilidad de la regulacin. El estatismo se introduce modificando la posicin del punto de pivotamiento de la palanca de

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accionamiento. La regulacin de la velocidad se asegura desplazando el manguito que contiene la varilla del taqumetro modificando as la posicin de equilibrio de este ltimo. En otro sistema de regulacin de turbinas de condensacin, un taqumetro acciona, mediante una palanca y un rel, una vlvula de corredera que proporciona un consumo de aceite cuya presin se modula en funcin de la velocidad de rotacin de la turbina y que se aplica a un pistn, de forma que en rgimen transitorio, los desplazamientos de este pistn originan el desplazamiento de una vlvula de corredera de distribucin de aceite en un servomotor de doble efecto, que acciona las vlvulas de regulacin. En otro sistema de este tipo, la vlvula de corredera se acciona directamente por el taqumetro, asegurndose el estatismo mediante levas fcilmente accesibles.

2) Regulacin de una turbina de contrapresin La regulacin de una turbina de contrapresin, consta de dos mecanismos que establecen la presin del aceite, uno en funcin de la velocidad, y otro en funcin de la contrapresin. Un distribuidor de mando permite elegir el mecanismo que acta sobre las vlvulas de alimentacin de la turbina. El regulador de contrapresin lleva una membrana sobre la que acta el vapor despus de un laminado eventual en un transformador de presin (expansin a entalpa constante). Los movimientos de la membrana producen una modulacin de la presin del aceite aplicada en la vlvula distribuidora de corredera del regulador. Una vez puesto el grupo en marcha, se regula la velocidad (que se mantiene constante por la frecuencia sncrona de la red), entrando en accin el regulador de contrapresin mediante una inversin del distribuidor de mando, asegurndose de que en el manmetro, doble, coincidan 55

las presiones de aceite dadas por los dos reguladores. Si mientras la turbina est regulando la contrapresin, la velocidad aumenta por cualquier circunstancia, la presin de aceite disminuye por la accin del regulador de velocidad, hasta que en el lmite previsto de sobrevelocidad, un resorte situado bajo el distribuidor de maniobra invierte automticamente este ltimo sobre el regulador de velocidad. Cuando las condiciones de servicio vuelven a ser normales, se puede invertir manualmente el distribuidor sobre el regulador de contrapresin.

3) Regulacin de una turbina mediante un mecanismo hidrulico La Figura siguiente muestra un esquema simplificado de este mecanismo que consta de una bomba centrfuga accionada por el eje de la turbina que proporciona el aceite de engrase y de regulacin. Una pequea parte del aceite que inyecta esta bomba llega, por una pequea abertura calibrada, a la periferia de la bomba de regulacin 2 y se esparce en sentido centrpeto a travs de este rgano.

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La fuerza centrfuga acta frente a esta corriente de aceite que circula hacia el interior y origina la presin primaria de regulacin que es proporcional al cuadrado de la velocidad de rotacin. Las pequeas variaciones de la presin se detectan en el transformador de presin 3 dando lugar a variaciones de presin proporcionales y mucho mayores en el cilindro-rel 1 que acciona la vlvula de corredera del motor de laminacin 5 por medio de la varilla 6.

2.5.3 rganos de seguridad y presinUna lnea de seguridad consta, en general, de: Uno o varios rganos de deteccin de las anomalas de funcionamiento rganos de transmisin de las rdenes rganos de cierre

Los grupos importantes llevan una doble lnea de seguridad, siendo indispensable que las dos cadenas de rganos que las constituyen sean rigurosamente independientes. Tambin es necesario que cada lnea de seguridad se pueda comprobar peridicamente, incluso con el grupo en marcha; tambin es necesario que toda avera de un sistema de transmisin de rdenes o de potencia, como la falta de presin de aceite, d lugar al cierre de los rganos de parada. 57

La vigilancia de la explotacin se realiza con aparatos detectores y registradores automticos que dan las indicaciones indispensables para la marcha de las mquinas, como: Registradores de la dilatacin absoluta de los distintos cuerpos Registradores de la dilatacin diferencial entre los rotores y el estator Registradores de la deformacin y la flecha del estator Registradores de la posible ovalizacin de los rotores Indicadores y registradores de las vibraciones de los distintos cojinetes y del desgaste del soporte Registradores de la temperatura del vapor y de los distintos puntos del estator, etc.

El control de la marcha de los grupos se realiza mediante ordenador, teniendo en cuenta el historial del grupo, como la duracin de parada, su estado de refrigeracin, etc. Vlvulas de regulacin y de cierre: Las vlvulas de regulacin pueden ser de placa simple, perfiladas y de doble asiento. Las vlvulas de regulacin de placa simple:

Se utilizan para gastos msicos y presiones moderadas; los esfuerzos de maniobra son elevados, por lo que los motores y las varillas son relativamente pesados. 58

La estanqueidad es satisfactoria y la velocidad del vapor en la seccin ms estrangulada se puede admitir del orden de 50 a 60 m/seg. Las vlvulas esfricas con difusor

Se utilizan con frecuencia, y permiten obtener una reduccin de los esfuerzos de regulacin, pudindose admitir velocidades del vapor de 70 - 90 m/seg. Para reducir los esfuerzos de maniobra se aumenta su nmero. Las vlvulas de doble asiento, equilibradas grande y presiones elevadas; las dilataciones hacen que la

Permiten un gasto msico

estanqueidad sea aleatoria. La velocidad de flujo del vapor es del orden de 40 - 50 m/seg. Las vlvulas de parada de cierre rpido

Son al mismo tiempo son las vlvulas de cierre principal de la turbina, se fabrican de un solo asiento. En el caso de dimetros grandes y presiones altas, se facilita la maniobra de apertura mediante una vlvula piloto, cuya apertura se puede hacer a mano mediante un servomotor; el cierre rpido se produce por puesta en vaco del aceite contenido en el servomotor

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3 Turbinas de GasUna Turbina de Gas (T.G), es una turbomquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbomquinas trmicas. Comnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus caractersticas de diseo son diferentes, y cuando en estos trminos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fases, en cambio cuando se habla de vapores s. Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el Ciclo Brayton y en algunos Ciclos de Refrigeracin.

3.1 Caractersticas tcnicas y empleo de las turbinas de gasEl empleo de las turbinas de gas de circuito abierto presenta, con relacin a los motores alternativos de combustin interna, el mismo inters que las turbinas de vapor respecto a las mquinas de pistn. En las turbinas de gas, el rendimiento est muy lejos de igualar el de los motores alternativos, y aun a veces, el de las turbinas de vapor; sto es debido a que: Existe una cierta dificultad para construir compresores rotativos que permitan alcanzar elevadas relaciones de compresin. Existe una cierta dificultad de conseguir materiales que soporten temperaturas elevadas, al tiempo que mantienen unas determinadas caractersticas tcnicas. En las turbinas de gas de circuito abierto se cumplen una serie de requisitos: No existen piezas en movimiento alternativo, por lo que es muy fcil realizar el equilibrado Tienen gran velocidad de rotacin, entre 3.000 y 30.000 rpm Tienen un par regular sin necesidad de volante Tienen buena adaptacin a las grandes expansiones, y por lo tanto, a los grandes volmenes de fluido Producen grandes potencias en poco espacio

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3.2 Ciclo terico de una turbina de combustin sin recuperador (Ciclo Brayton)En estas mquinas rotativas, el aire aspirado a la presin atmosfrica, se comprime mediante un compresor C, elevando su temperatura, y es conducido a la cmara de combustin D, donde se inyecta el combustible que arde en forma continuada y suave; los gases calientes de la combustin se expansionan en los labes de la turbina, desarrollando un trabajo til y salen a la atmsfera a travs del escape; la turbina, una vez en marcha, acciona el

compresor; el ciclo desarrollado se conoce como ciclo Brayton; tanto la compresin como la expansin se realizan en una sola etapa. Los gases que se expansionan en la turbina, todava calientes en el escape, se pueden aprovechar para producir vapor de agua en una caldera, y utilizarlo posteriormente en una turbina de vapor. Si los gases de escape se hacen llegar a una tobera de descarga, la turbina de gas se convierte en una mquina de chorro. Para hallar en primera aproximacin el rendimiento trmico de una turbina de gas, consideraremos un ciclo recorrido por un gas perfecto, en el que las transformaciones (1-2) y (3-4) son isentrpicas, y las transformaciones (2-3) y (4-1) a presin constante.

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Si se supone cp constante, tanto en la compresin del aire, como en la expansin de los gases de combustin en la turbina, el trabajo til o interno, y el rendimiento trmico, en funcin de las temperaturas del ciclo es:

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Observndose que el rendimiento de una turbina de gas simple depende exclusivamente de la relacin de presiones a la entrada y a la salida del compresor. Este rendimiento es muy pequeo, del orden de un 15% a un 20%, muy inferior al de las turbinas de vapor y del motor Diesel; sin embargo tiene una serie de ventajas que, en algunos casos justifican su empleo, sobre todo para potencias moderadas. El trabajo til es:

Por lo que contra mayor sea (T3 -T2) tanto mayor ser el trabajo til, lo que reduce el coste del kW instalado.

Calor aplicado en la cmara de combustin:

El funcionamiento de una turbina de gas exige: Que la relacin sea elevada, lo cual implica que tambin lo sea

Una gran diferencia de temperaturas (T3 - T2) lo cual supone que T3 sea muy elevada, y en consecuencia nos encontramos con el problema de que los labes de la turbina puedan resistir altas temperaturas.

Cuando el funcionamiento sea prolongado, no se debe pasar de 800C. El rendimiento es an inferior al de un motor de combustin interna en el que, aunque por poco tiempo, las temperaturas pueden alcanzar 2.000C. Su construccin es sencilla, ya que trabajan en un campo de bajas presiones, 5 a 15 atm, por lo que su costo y tamao se reducen. Su puesta en servicio es muy rpida, pasando del estado fro al de carga en tiempos relativamente cortos; para el arranque es necesario llevar al grupo a velocidades del orden de un 30% de la de rgimen, de forma que se alimente la cmara de combustin con aire a una presin suficiente para poder encender. El tiempo para que el eje adquiera la velocidad necesaria es de unos 3 minutos, mientras que el tiempo total

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para la puesta en velocidad nominal y la toma de carga es de 10 a 20 minutos segn la potencia del grupo

El consumo de agua es muy pequeo, ya que slo se utiliza para la refrigeracin de los cojinetes Es de fcil manejo y de reducidos gastos de mantenimiento

Su principal desventaja radica en la necesidad de utilizar un combustible relativamente caro, aunque este dato puede ser secundario para el caso de una duracin reducida de funcionamiento.

Influencia del recalentamiento de los gases durante la expansin:Si existe un recalentamiento continuo con el fin de mantener la temperatura de los gases en su valor inicial T3, en lugar de seguir la isentrpica (34) o la politrpica (3F), la expansin estara representada por una isoterma que parte del punto 3, hasta C, y de aqu por una expansin politrpica (CE), en la figura. Se observa que el recalentamiento isotrmico del gas implica un aumento del trabajo del ciclo. La presin al final del recalentamiento es, p2' < p2; la expansin politrpica se produce desde el punto C a la presin p2' hasta el punto E a la presin p1

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Expansin isotrmica:En una expansin isotrmica el calor aplicado en el recalentamiento isotrmico y el trabajo isotrmico de expansin en la turbina son iguales. El trabajo til, el calor aplicado y el rendimiento del ciclo, son:

Influencia de la refrigeracin en el proceso de compresin:El introducir la refrigeracin en el proceso de compresin implica un aumento del rendimiento, si el trabajo proporcionado por la expansin isotrmica entre las presiones p2 y p1 era mximo, el trabajo absorbido en la compresin isotrmica entre las mismas presiones p1 y p2 ser mnimo. La condicin de rendimiento mximo exige, en ambos casos, que la isoterma termine a una cierta presin intermedia, para all empalmar con la politrpica correspondiente; en el ciclo (1MB...), la temperatura T2 que se corresponde con el final de la

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compresin isentrpica est comprendida entre las presiones p1, fin de la compresin isotrmica (1M), y p2; en consecuencia se tiende a un ciclo Erickson.

Compresin isotrmica:El trabajo til, el calor aplicado y el rendimiento del ciclo, son:

3.3 Curvas caractersticas para diversos regmenes de funcionamientoUna turbina de gas, en general, no funciona a plena potencia, por lo que la variacin del rendimiento es un factor de gran importancia econmica; para adaptar una turbina de gas a una potencia dada se puede actuar sobre: La temperatura de admisin de los gases en la turbina

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El numero de rpm del compresor n, lo que implica una modificacin del gasto G y de la relacin de compresin, que slo es posible cuando el alternador pueda admitir variaciones de velocidad de gran amplitud

El punto de funcionamiento viene definido por la interseccin de las curvas caractersticas de cada mquina. Curvas caractersticas del compresor: Las curvas caractersticas del compresor se representan, normalmente, en un diagrama en el que sobre el eje de ordenadas se lleva el grado de compresin , y sobre el eje de

abscisas el gasto msico G en (kg/seg) para una velocidad de rotacin determinada n, permaneciendo invariables las condiciones en la aspiracin (p1, T1). Las curvas caractersticas del compresor (n = Cte) son de forma parablica, viniendo limitadas por su parte superior debido a problemas de bombeo, (zona inestable), por lo que slo poseen parte estable. En variables reducidas se pueden representar en la forma En la siguiente figura se representa las curvas para diversas velocidades, as como la colina de las curvas de igual rendimiento.

Curvas caractersticas de la turbina: Si la relacin de expansin es elevada, el fluido se comporta como compresible, y las curvas caractersticas de la turbina se pueden obtener asimilndola a una tobera, cuyo gasto depende nicamente de las condiciones impuestas por su garganta, pudindose expresar en funcin de los parmetros del fluido a la entrada de la turbina (p3, T3).

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La seccin critica de una tobera, en funcin del gasto G, viene dada por:

En la que:

Despejando el gasto:

Por lo que en el sistema de coordenadas recta de pendiente k*

las curvas caractersticas se reducen a una

Cuando la relacin de expansin disminuye, el fluido tiende a comportarse como si fuese incompresible, y el gasto se hace proporcional a la raz cuadrada de las presiones. La recta presenta una desviacin parablica para figura. tal como se indica en la

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Al trazar las curvas caractersticas hay que tener en cuenta que para un ciclo simple de turbina de gas se tiene salvo que existan prdidas de carga en los circuitos exteriores.

El valor de G es el mismo salvo que existan fugas de gases, por lo que en el eje de abscisas se pueden poner las mismas variables, como hemos visto, obtenindose tantas curvas caractersticas de la turbina como valores de se consideren.

Un punto de funcionamiento tal como el M, conocidas las condiciones a la entrada del compresor p1 y T1 y las colinas de rendimientos del compresor y de la turbina, permite determinar:

Los lmites de funcionamiento vienen impuestos por: La zona inestable de bombeo del compresor La temperatura de admisin mxima de la turbina T3 Los puntos de funcionamiento con potencia til nula se corresponden con:

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Si se considera que P1 y T1 son las condiciones atmosfricas, las curvas representar en un diagrama de coordenadas

se pueden

como se indica en la siguiente figura

Otra representacin interesante es la correspondiente a las curvas de potencia til Nu en funcin de la velocidad de rotacin de la turbina, tomando como parmetro la velocidad de rotacin n, se ha trazado tambin la colina de rendimientos.

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3.4 Regulacin de las turbinasPara mantener el rendimiento de la instalacin constante cuando se reduce el gasto (carga parcial), es necesario que y permanezcan constantes, al tiempo que no disminuyan demasiado los rendimientos propios de las mquinas y La variacin de la potencia se

consigue variando el gasto msico, pudindose presentar las siguientes situaciones:

A. Regulacin a velocidad constanteSi se considera una turbina de gas de ciclo simple de una sola lnea de ejes, con o sin regeneracin, en la que es necesario mantener constante la velocidad de rotacin n y la relacin de temperaturas , la variacin del gasto G se puede conseguir modificando la seccin de paso de los distribuidores de la turbina junto con una regulacin del combustible inyectado. Si inicialmente el punto de funcionamiento es el A, y se produce una disminucin del gasto, el punto de funcionamiento del compresor pasa a A, y el punto de funcionamiento de la turbina pasa a A, por lo que (AA) representa la cada de presin entre el compresor y la turbina, dato que se transmite al rgano de regulacin, modificndose el rendimiento de las mquinas. Las complicaciones de tipo mecnico que sta disposicin introduce hacen que esta situacin no se pueda adoptar tcnicamente, ya que forzara al compresor y a la turbina a funcionar a velocidades distintas, cuestin que en la turbina de un solo eje es imposible.

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b) Si se reduce el dosado, como la potencia til se tiene que ajustar a la demanda regulando la cantidad de combustible inyectado, en esta situacin la turbina de un solo eje que tenga que funcionar a velocidad constante se adapta mal, ya que al reducir el dosado la temperatura de entrada en la turbina T3 disminuye y tambin, por lo que 2 < 1. El punto A pasara a A por lo que disminuye y, por lo tanto, la relacin de compresin; los rendimientos de las mquinas (que tienen su mximo en A) tienden tambin a disminuir, contribuyendo todo ello a reducir el rendimiento global de la instalacin

B. Regulacin a velocidad variableSi la instalacin permite variar, al mismo tiempo, la potencia y la velocidad de rotacin, lo que es relativamente raro, sera posible mantener el rendimiento de la instalacin

disminuyendo el gasto; en esta situacin si es constante, el punto de funcionamiento de la turbina pasa de M a M, y la potencia til y disminuyen, lo que implica un menor rendimiento; este efecto se puede compensar aumentando la temperatura T3 de los gases a la entrada de la turbina, si lo permiten los lmites impuestos por el material, por lo que se pasara a otra curva caracterstica de la turbina ( > ), del punto M al M, de igual rendimiento que el M.

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3.5 Ventajas de la turbina de combustin en la generacin de energaLa turbina de combustin presenta, respecto a otros tipos de motores trmicos, (turbina de vapor, motor Diesel, etc), un cierto nmero de ventajas, como: Son instalaciones sencillas, en particular las de una lnea de ejes sin recuperador Precisan de pequeos caudales de agua, (en algunos casos nulo), circunstancia favorable en instalaciones de pases ridos Tienen una gran rapidez en la puesta en servicio con tiempos relativamente cortos, del orden de 10 - 20 minutos desde la parada a plena carga, segn la potencia de la misma, mientras que para una turbina de vapor de 10 MW se necesitan 2 horas y 4,5 horas para una de 25 MW Reducidos gastos de personal por su sencillo manejo Reducidos gastos de instalacin por la ausencia de elementos auxiliares

El coste de instalacin depende: Del rendimiento deseado De las necesidades de utilizacin del grupo De si la instalacin lleva o no recuperador

Lmite de posibilidades En las turbinas de vapor de condensacin, la potencia mxima admisible viene limitada por las dimensiones del ltimo escalonamiento de BP, mientras que en las turbinas de gas, el comportamiento del primer escalonamiento de la turbina de AP es el que define los lmites de potencia; las tensiones en las aletas debidas a la temperatura de entrada en la turbina, limitan sus dimensiones y el gasto de gases que las atraviesa. La potencia que se obtiene para un gasto dado depende del ciclo elegido, por lo que: a) En una turbina de gas con una lnea de ejes se pueden alcanzar, para un grado de compresin de 5 - 6, rendimientos del orden del 19% sin recuperador y del 25% con recuperador. b) En una turbina de gas con dos lneas de ejes, recuperador, refrigeracin durante la compresin escalonada y recalentamiento durante la expansin en etapas, se pueden alcanzar potencias ms importantes, ya que al ser el grado de compresin ms elevado, el gasto aumenta en la turbina de AP, a igualdad de secciones de

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paso, alcanzndose rendimientos del orden del 28% con un grado de compresin de 15 - 17. Temperatura mxima La temperatura mxima admisible viene determinada por la calidad del combustible; temperaturas superiores a 620C exigen combustibles gaseosos que generen pocas materias slidas y un mnimo de cenizas, sobre todo si contienen materias corrosivas, que resultan de las combinaciones del sodio, cinc, plomo, vanadio, etc., con el oxgeno. Se han intentado soluciones contra las acciones corrosivas de los productos que resultan de la combustin de combustibles lquidos, como practicar una combustin incompleta, (que aparte de la dificultad del control de la combustin, se corre el riesgo de los depsitos de holln que pueden originar el incendio de los recuperadores), o aadir elementos que al reaccionar con los xidos de vanadio generen compuestos de alto punto de fusin, por lo que es necesario buscar productos relativamente baratos y fciles de aadir al combustible.

4 Calderas energticas para fueloil y gasLa utilizacin de combustibles como fueloil o gas para las nuevas calderas energticas, ha decado debido a los precios de estos combustibles, a su disponibilidad y a las regulaciones gubernamentales. Sin embargo, los avances registrados en las turbinas de gas y en los sistemas de ciclo combinado han conducido a la utilizacin de fuel o gas, en condiciones ms econmicas. Las nuevas calderas energticas que queman fuel de bajo contenido en S o gas natural, tienen la ventaja de unas emisiones mnimas de NOx, SO2 y partculas. Las calderas diseadas para quemar estos combustibles tienen la ventaja de que las caractersticas de la combustin son relativamente limpias, en comparacin con las que se presentan con el carbn o con otros combustibles slidos. Sus caractersticas son: Capacidad de produccin de vapor, entre 300.000 lb/h hasta ms de 7.000.000 lb/h Presiones subcrtica en la admisin de la turbina, entre 124 bar a 165 bar, con la posibilidad de sobrepasar la presin un 5% Temperaturas de salida del sobrecalentador, del orden de 1.000F (538C)

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Combustibles a) Fueloil Tiene muchas de las caractersticas deseables en el gas natural, incluyendo su fcil

manipulacin y la eliminacin de las tolvas de ceniza volante y de escoria. Sin embargo, requiere de instalaciones de almacenamiento, calentamiento y bombeo. Para fueloil con altos contenidos de S y de Va pueden provocar deposiciones problemticas sobre las superficies de la unidad, las cuales se pueden minimizar, disponiendo las superficies termointercambiadoras para optimizar su limpieza mediante un equipo de sopladores de holln. Cuando la unidad se retira de servicio para trabajos de mantenimiento, hay que facilitar los medios para el lavado con agua del hogar y de todas las superficies de conveccin. Se tienen que instalar dispositivos de proteccin en las superficies del calentador de aire (serpentines de vapor o de agua caliente), para evitar la condensacin y el ataque cido, del lado de humos

b) Gas natural Es el combustible que tiene las menores restricciones de diseo por su limpieza y facilidad para quemarlo. Si se quema solo gas, sobran: Las instalaciones de almacenamiento 75

El

Las tolvas de polvo La tolva de escoria El sistema de manipulacin de cenizas Los sopladores Los colectores separadores de ceniza volante de polvo control del calor aportado se simplifica al mximo. Las superficies

termointercambiadoras se pueden disponer para unas ptimas transferencias de calor y prdida de tiro, sin considerar la deposicin o la erosin de la ceniza. El volumen contenido en el cerramiento es mnimo y se incrementa la adaptabilidad para el servicio a la intemperie.

5 Bibliografa www.wikipedia.com Centrales trmicas de ciclo combinado: Teora y Proyecto, Sabugal Garca y Gmez Moux www.turbinasdevapor.com www.renovetec.com www.cicloscombinados.com es.libros.redsause.net

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