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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA

GENERACION DE POTENCIA

Ing. Vicente Díaz P.Febrero 2015

1. Eficacia, poder, virtud para obrar.

2. En física: Capacidad para realizar un trabajo.

3. En Economía hace referencia a un recurso natural y los elementos asociados que permiten hacer un uso industrial del mismo.

4. Es la capacidad de vencer una resistencia

Energía

¿Qué es la Energía?

La energía es la capacidad que tiene un sistema de producir un efecto o transformación.

La energía es un concepto teórico

Puede entenderse como la manifestación de un potencial en la forma de un efecto visible

Origen

ENERGIA

Es la rapidez con que se puede realizar un trabajo

Se dijo que la energía no puede ser generada (creada); pero: ¿Se puede generar potencia?

¿A qué se llamaría Generación de Potencia?

Generación de Potencia

Se trata de una disciplina que se encarga de estudiar los procesos y medios tecnológicos a través de los cuales la energía puede ser extraída de la naturaleza, convertida a una forma útil y aprovechable para la sociedad humana, y transportada a los emplazamientos donde es requerida para su uso.

MAQUINAS

MAQUINAS

ELECTRICAS

HIDRAULICAS

TERMICAS

Fluido caliente y compresible

………

Motores de Combustión Interna Alternativos

ALTERNATIVAS

CONSUMIDORAS

GENERADORAS

ROTATIVAS

Turbinas de GasTurbinas de Vapor

Compresores: Axiales , Radiales.

VentiladoresSopladores

Compresores de Pistón

CONSUMIDORAS

GENERADORAS

Un Sistema Eléctrico de Potencia es aquel donde se genera, se transmite, se distribuye y se comercializa la energía eléctrica.

Los componentes básicos de un sistema de potencia son los generadores, transformadores, líneas de transmisión y cargas. Las interconexiones entre estos componentes del sistema de potencia se pueden mostrar en un diagrama llamado unifilar. Con fines de análisis, los circuitos equivalentes de las componentes se muestran en un diagrama de reactancia o un diagrama de impedancia.

GeneradorRedes de

distribuciónLíneas de

transmisión

Un sistema de potencia se compone de tres partes principales:

Carga

Diferentes Procesos de Generación

•Procesos tradicionales: - Hidroeléctrico - Térmico

•Procesos no-tradicionales: - Solar - Eólico - Geotérmico - Nuclear - Biomasa

Central Hidroeléctrica

Principios:- Por derivación- Por acumulación

Ubicación:-Saltos de agua-Ríos caudalosos

Central Hidroeléctrica Raúl Leoni

Elementos de una Central Hidroeléctrica

Funcionamiento de una Central Hidroeléctrica

Funcionamiento de una Central Hidroeléctrica.

Video Francis

Centrales Térmicas

Planta Térmica

Generación en sistemas de Energía Solar

Central Geotérmica

Central Nuclear

Reactor de Potencia

Turbina eólicaPartes:

- Rotor- Caja de engranaje- Generador

Máquinas modernas:Inicio 19Km/h

Máximo rendimientoentre 40 y 48 Km/h

Construir en lugares con promediosanuales de vientos de 21Km/h.

Energía eólica

Consumo de Energía Primaria

Considerando condición

Un nuevo sistema de generación

Ampliar un sistema de generación existente.

Sustituir un sistema existente

Lo ideal es una central hidroeléctrica, ya que no genera contaminación continua, poseen una alta confiabilidad y economía al no consumir hidrocarburos.

Se debe considerar el tamaño, la presión de operación, tipo y marca de las unidades existentes, con el fin de tener intercambiabilidad de partes y repuestos.

En caso de fallas mayores o obsolescencia de unidades existente, considerar la utilización de un ciclo combinado para obtener mayor eficiencia

CRITERIO PARA SELECCIONAR DEL TIPO Y TAMAÑO DE LAS UNIDADES

Turbinas Hidráulicas

Potencial energético en la cuenca del Bajo Caroní

Procesos Termodinámicos

Estado termodinámico: es una situación de equilibrio del sistema, definida por un valor determinado de las variables macroscópicas de estado (P, V, T). Corresponde con un punto en el diagrama P-V.

Proceso es un cambio de estado de un sistema. Por ejemplo, cambio en la temperatura, la presión, el volumen o una combinación de estos.

El sistema puede evolucionar de un estado a otro siguiendo diferentes procesos.

Proceso cuasi estático: El sistema pasa de un estado a otro muy lentamente, de forma que en todo momento se puede considerar que evoluciona por estados de equilibrio (tiene bien definidas todas las variables macroscópicas de estado, es una línea en el diagrama PV)

Proceso reversible: Es un proceso cuasi estático que puede invertirse realizando solo una variación infinitesimal en el entorno.El sistema puede recorrer un proceso reversible en los dos sentidos.

• Ejemplo: intercambio de calor con una fuente a temperatura infinitesimalmente superior o inferior a la de sistema

También hay procesos no cuasi estáticos y procesos irreversibles:• Expansión 'libre' de un gas • Perdida de calor 'lenta' a través de una pared de baja conductividad térmica.Los procesos cuasi estáticos y reversibles son una idealización.Todos los proceso reales son irreversibles

Procesos Termodinámicos

Proceso isobárico: Proceso en el que todas las variables de estado de un sistema cambian excepto la presión que se mantiene constante.

Proceso isotérmico: Cambian todas las variables de estado de un sistema a excepción de la temperatura.

Proceso isocórico o isométrico: Todas las variables de estado de un sistema cambian a volumen constante.

Proceso adiabático: Proceso en el que el sistema no intercambia calor con los alrededores.

Procesos Termodinámicos

CICLO RANKINE DE POTENCIA MEDIANTE VAPOR

Ciclo Rankine ideal

Turbina . La principal irreversibilidad que experimenta el fluido de trabajo está asociada con la expansión en la turbina. El calor transferido al ambiente por la turbina representa una perdida, la expansión real a través de la turbina va acompañada de un incremento de entropía.

El rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real con el trabajo isentrópico.

Bomba. El trabajo requerido para la bomba, para vencer los efectos del rozamiento, también reduce el trabajo neto producido por la planta.

El rendimiento isentrópico de la bomba toma en cuenta el efecto de las irreversibilidades dentro de la bomba relacionando las cantidades de trabajo real e isentrópico.

Diagrama temperatura-entropía que muestra los efectos de las irreversibilidades en la turbina y bomba

El ciclo con sobrecalentamiento

Ciclo Brayton

SIMPLIFICACIONES

- La sustancia de trabajo es aire y se comporta como un gas ideal.

-Todo proceso de combustión se reemplaza por de transferencia de calor desde una fuente externa.

- El escape o expulsión de calor se reemplaza por transferencia de calor hacia el medio circundante hasta llegar al estado inicial del ciclo.

- Se considera los calores específicos constantes

Ciclo Brayton

Expulsión de Calor

AireAire

IDEAL

Absorción de calor

Se considera un ciclo de gas ya que la sustancia de trabajo siempre estará en estado gaseoso, siempre ocurre un proceso de combustión.

Ciclo Brayton

-El ciclo Brayton modela el funcionamiento de las Turbinas de Gas.

- La Turbina de Gas esta conformada por el Compresor, Cámara de Combustión y Turbina.

Compresor

Cámara de Combustión

Turbina

Wc

Qh

Wt

Compresor

Cámara de Combustión

Turbina

- El compresor toma aire de la atmósfera, por lo tanto trabaja solo con aire.

- En la cámara de combustión se agrega el combustible se mezcla con el aire y se realiza la combustión. - La turbina trabaja con los productos de la combustión, produce la potencia para mover el compresor y también la potencia util.

- Es un ciclo Mecánico (abierto) y no Termodinámico.

Wc

Qh

Wt

Compresor

Cámara de Combustión

Turbina

- Se toma aire como fluido de trabajo para todos los procesos, se considera que el aire se comporta como un gas ideal.

- El ciclo se cierra introduciendo un intercambiador de calor, que desecha calor al medio ambiente a P = Cte

I.C

QL

Wc

Qh

Wt

•TURBINAS DE POTENCIA: Son turbinas fijas que se utilizan para:

Producción de Electricidad (Empresas publicas o privadas)Mover Bombas y/o Compresores (Industria Petrolera)

CARACTERISTICAS: El vapor en la turbina se expande hasta la presión atmosférica para obtener la mayor cantidad de potencia.

•TURBINAS DE DESPLAZAMIENTO: Son turbinas que se utilizan para:

Transporte (Aviación, Barcos) CARACTERISTICAS: El vapor en la turbina se expande hasta una presión tal, que produzca la potencia necesaria para mover el compresor y algunos accesorios adicionales, el resto de la presión se transforma en energía cinética a través de un tobera.

Compresor

Cámara de Combustión

Turbina

I.C

QL

Wc

QhWt

1

23

4

Procesos:

1 – 2 Compresión adiabática reversible.

2 – 3 Absorción de calor a presión constante

3 – 4 Expansión adiabática reversible

4 – 1 Rechazo de calor a presión constante

P

v1

2 3

4

Qh

QL

T

s1

24

3Qh

QL

El rendimiento térmico ideal es la relación entre la cantidad de calor transformada en trabajo útil y la cantidad de calor suministrada al fluido.

La segunda ley de la termodinámica enuncia:

NINGUN MOTOR REAL O IDEAL pueden convertir en trabajo mecánico todo el calor en el introducido.

Solo una fracción del calor suministrado por la combustión podrá convertirse en trabajo; esta fracción representa el rendimiento térmico del motor .

El ciclo Otto

El ciclo Otto es el ciclo ideal de los motores de encendido por chispa, las transformaciones termodinámicas que se verifican son:

1-2 Adiabática o Isotrópica (sin intercambio de calor con el exterior) compresión del fluido activo y el correspondiente trabajo realizado por el pistón

2-3 A volumen constante introducción instantánea del calor Suministrado Q1

3-4 Adiabática expansión y correspondiente trabajo producido por el fluido activo

3-4 A volumen constante sustracción instantánea del calor Q2

El ciclo Otto

Admisión

El ciclo Otto

0

Admisión

El ciclo Otto

0

Admisión

El ciclo Otto

0 1

Admisión

El ciclo Otto

0 1

Admisión

El ciclo Otto

0 1

Compresión

El ciclo Otto

0 1

Compresión

El ciclo Otto

0 1

Compresión

El ciclo Otto

Explosión

El ciclo Otto

Explosión

El ciclo Otto

Explosión

El ciclo Otto

Explosión

El ciclo Otto

Explosión

El ciclo Otto

Escape

El ciclo Otto

Escape

El ciclo Otto

Escape

El ciclo Otto

Escape

El ciclo Otto

Q1

Q2

Tipos de motores que trabajan bajo el ciclo de Otto

Motor WankelOtto 4 tiempos

Otto 2 tiempos

El funcionamiento es similar al ciclo Otto, solamente cambia en la fase de la inyección del combustible. Ahora será un proceso isobárico en lugar de un proceso isocórico.

Diesel 4 tiempos

1er Tiempo: ADMISIÓN Sólo entra aire2do Tiempo: COMPRESIÓN Eleva la temperatura a una mayor que la de la combustión del combustible. No existe bujía.3er Tiempo: INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE Combustión.4to Tiempo: EXPULSIÓN O ESCAPE

Combustibles

Minerales Energéticos

Constituyen un potencial energético fijo (capital energético) que se agota progresivamente, es decir, son finitas.

Están ubicadas en depósitos o yacimientos con una distribución geográfica en el mundo completamente irregular.

Son fuentes de energía de alta intensidad, ya que tienen grados de densidad elevados.

Su transporte es sencillo. En su obtención, manipulación, transporte y consumo final, se generan contaminantes que

tienen un fuerte impacto sobre el medio ambiente.

Se entiendo por combustión al conjunto de fenómenos originados esencialmente en reacciones químicas de óxido reducción entre dos elementos (combustible y comburente), con liberación de energía en forma de calor.

Esta energía es la que habitualmente se utiliza, ya sea en forma directa como en todos los casos en que se requiera calor, o bien con algún tipo de transformación, simple o múltiple, para obtener los otros dos tipos de energía que habitualmente se requiere, la energía eléctrica y la energía mecánica.

Combustión

Combustible es un elemento o molécula compuesta, susceptible de sostener reacciones de óxido reducción frente al oxígeno presente en el aire atmosférico cuando se lo lleva a las condiciones apropiadas (generalmente temperatura), liberando una determinada cantidad fija de energía en forma de calor, valor que constituye una característica intrínseca de ese elemento o molécula, y que se conoce como Poder Calorífico.

Combustible

La reacción estequiométrica de combustión de un hidrocarburo es

Reduciendo el tiempo de reacción

Combustión

Para las mismas condiciones, y por ser la combustión esencialmente un fenómeno superficial, a mayor superficie, mayor velocidad de combustión.

Los sólidos pueden llevarse en forma relativamente sencilla a condiciones equiparables a las de un combustible gaseoso: en general se los trata de llevar al menor tamaño de partícula posible, y luego a ese polvo se lo suspende en aire caliente.

EnergizaciónTodo combustible gaseoso será más fácil de quemar que cualquier combustible líquido, y que éstos en general, serán más fáciles de quemar que los sólidos

Clasificación de los Combustibles

Sólidos

LeñaDesechos agrícolasCoqueCarbónBiomasa residual (basura, residuos urbanos)Uranio

LíquidosAlcoholes (destilados de la biomasa)Petróleo y sus derivados

GaseososDestilados de maderaDestilados de la hullaDestilados del petróleoGas naturalGas licuado de petróleo (GLP)

Clasificación de los Combustibles

Comburentes

El comburente es el agente que aporta el oxigeno a una reacción de combustión y la fuente mas usual y económica de oxígeno disponible es el aire.Ejemplos:FlúorClorato de bario, de sodio, de potasioPermanganato de potasioPerclorato de potasio o de sodioetc

Costo:Para entender las componentes del costo de un determinado combustible se puede analizar el caso simplificado de un derivado del petróleo, en cuyo caso se tendría:

• Costo de exploración.• Costo de análisis de factibilidad.• Costo de perforación y captación.• Costo de transporte y almacenamiento.• Costo de refinación.• Costo de almacenamiento y bombeo en refinería.• Costo de transporte y distribución.• Costo de comercialización.• Utilidades.• Impuestos.• Subsidios.

Combustible

Valor:

• Poder calorífico• Punto de ebullición• Temperatura de ignición• Densidad• Viscosidad• Contenido de agua %• Contenido Azufre %• Contenido metales pesados %• Contenido cenizas• Corrosividad• Formación de residuos• Explosividad• Estabilidad con la temperatura• Estabilidad con el tiempo• Requerimiento energético para la combustión práctica

Combustible

¿Qué es una combustión completa?

En la combustión completa se queman las sustancias combustibles hasta el máximo grado posible de oxidación. En este tipo de reacción no se encontraran sustancias combustibles en los humos o gases de combustión.

COMBUSTIÓN INCOMPLETA

Este tipo de reacción se caracteriza por la presencia de sustancias combustibles en los humos o gases de combustión, tales como carbono (hollín) , CO, H2 y también pueden aparecer pequeñas cantidades de los hidrocarburos que se utilizan como combustibles.

En el caso de la reacción de combustión en la que se produce únicamente CO en los gases de combustión, se conoce con el nombre de Combustión de Ostwald y la reacción que produce CO y H2 se conoce como Combustión de Kissel.

La estequiometría es parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas entre los átomos que constituyen las sustancias, y entre las sustancias que reaccionan y las que se obtienen en las reacciones químicas

Estequiometría en procesos de combustión

Ecuaciones de combustión

)(2)(2)(2)(188 98225

lggl OHCOOHC

)(2)()(2)(188 98217

gggl OHCOOHC

¿CÓMO HACEMOS PARA QUE EL MOTOR FUNCIONE EFICIENTEMENTE?

En las reacciones de combustión de la gasolina, el O2 tiene que ser el reactivo en exceso para así evitar la formación del gas más tóxico, el CO. A partir de cierta relación a mayor cantidad de O2 se comienza a producir menos CO2(ver gráfica)

Quemadores:

Combustible sólido:

Combustible líquido:

Quemadores:

El quemador debe formar la llama adaptándola a la geometría del hogar

Combustible gaseoso:

Quemadores:

Este dispositivo utiliza la presión de eyección del gas en los bordes de fuga de una hélice para producir el giro de la misma, la cual impulsa el aire a la vez que lo mezcla con el gas, sosteniendo una llama corta y muy energética

Principales cadenas de transformación o procesos productivos de energía eléctrica:

• Tipo de combustible disponible o deseable.• Relación peso-potencia o volumen-potencia.• Rendimiento esperado.• Elasticidad de uso.• Grado de contaminación admisible.• Modalidades del servicio (arranques frecuentes, arranques en frío, etc.)• Requerimientos de mantenimiento.• Disponibilidad de repuestos.• Garantías necesarias.

Parámetros para la selección de sistema

Clasificación general de las máquinas de combustión interna y externa

En propulsiones navales

Campos de utilización

En un principio, cuando comenzó la era industrial, en particular en los establecimientos textiles, la distribución de la energía se efectuaba en forma mecánica dentro del mismo ámbito:

Cuando el aumento en la escala hizo necesario mejorar el rendimiento, se desestimó la transmisión mecánica, dando lugar a la transmisión eléctrica