Informe de Ciclo de Controles Termicos

Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Buenos Aires

Ingeniería Mecánica II

Informe deCiclos de Controles Térmicos

DocenteIng. Ferré, Néstor.

JTPIng. Haim, Alejandro.

ATPGallo, Federico.

Alumnos Integranteso Abreu, Joanna E Lima Ormeneze

146.444-9o Chaves, Joséo Juliá, Paula Gabriela 142.094-0o Receloglu Khastayian, Gabriel Aram

146.437-1CursoS-2031

Año Lectivo2012

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INDICE: 1. Introducción.

1.1. Materia prima para la generación de energía eléctrica.2. Grupo electrógeno.

2.1. Partes del grupo electrógeno.3. Caldera.

3.1. Funcionamiento.3.2. Caldera Humotubular.3.3. Caldera Acuotubular.3.4. Riesgos en una caldera.3.5. Esquema básico de instalación.3.6. Información adicional.

4. Turbomáquinas.4.1. Turbina de vapor.4.2. Turbina de gas.

5. Ciclos.5.1. Ciclos de vapor.5.1.2. Ciclo de Carnot.5.1.3. Ciclo de Rankine.5.1.4. Simple5.1.5. Con recalentamiento.5.1.6. Con regeneración. 5.1.7. Ciclo de refrigeración.5.2 Ciclo de Gas. 5.2.1. Ciclo de Brayton ideal.5.2.2. Ciclo de Brayton real.5.3. Ciclo combinado.5.3.1. Cogeneración.

6. Conclusiones del informe (cuadro comparativo).

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1. Introducción.

1.1. Materias Primas de la generación eléctrica.

La generación de energía eléctrica se puede hacer mediante diferentes tipos de energías, tales como la mecánica, la química, la térmica o la luminosa.En este trabajo se encarará la generación de energía eléctrica mediante grupos electrógenos, turbinas de vapor y turbinas de gas.Los grupos electrógenos de combustión interna pueden ser con motor a gas, a gasolina, a diesel o sistema bi-fuel (diesel/gas).Las turbinas de vapor se alimentan de vapor de agua proveniente de la caldera, mientras que esta utiliza como materia prima para el calentamiento del agua, materiales como: combustible líquido (fuel-oil o gasoil), combustibles gaseosos (gas, GLP, gas propano u obtenido de gasificadores) y combustibles sólidos (leña o carbón).Las turbinas de gas utilizan como materia prima la mezcla de aire y combustible (en forma líquida o gaseosa), como gas natural.

Esquema de un alternador de corriente alterna.

Fuente http://www.kalipedia.com/ecologia

Energía solar térmica como materia primaOtro tipo de materia prima que se utiliza es la de energía solar térmica. Cuando nos encontramos con una zona de media temperatura (que oscila entre los 80º y 250º), podemos utilizar este tipo de energía para producir electricidad a pequeña escala; pero en cambio, cuando nos topamos en un lugar donde se pueden aprovechar temperaturas altas (más de 250º), esta se puede utilizar para generar electricidad a gran escala.Las centrales energéticas termosolares pueden ser híbridas, o sea, que utilizan energía solar térmica y la proveniente de combustibles fósiles.

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http://www.kalipedia.com/ecologia


2. Grupo electrógeno.

Un grupo electrógeno es una máquina que mueve un generador eléctrico a través de un motor de combustión interna. Es utilizado para generar un suministro ininterrumpido de electricidad y dicho grupo electrógeno está diseñado para proporcionar energía en el momento en el que se le instale, requiriendo solamente la adición de líquido refrigerante, combustible y ácido para la batería. El tipo de grupo electrógeno dependerá de las exigencias energéticas del lugar donde se ubicará, y de si éste funcionará de forma continua, o bien, sólo cuando haya interrupciones del suministro eléctrico, por lo cual pueden ser clasificados según sus aplicaciones: de emergencia o continua.Los grupos electrógenos para servicio continuo, se aplican en aquellos lugares en donde no hay energía eléctrica por parte de la compañía suministradora de éste tipo, o bien en donde es indispensable una continuidad estricta.Los grupos electrógenos para servicio de emergencia, se utilizan en los sistemas de distribución modernos que usan frecuentemente dos o más fuentes de alimentación, lugares donde se necesita una fuente de energía alterna a la energía eléctrica de red.Dependiendo del lugar en el que sea necesaria su instalación, el grupo electrógeno puede ser estático o móvil. Pueden ser operados de forma manual, semiautomática y automática. Los grupos electrógenos manuales son aquellos que requieren para su funcionamiento que se operen manualmente con un interruptor para arrancar o parar dicho grupo. Es decir que no cuenta con la unidad de transferencia de carga sino a través de un interruptor de operación manual (switch o botón pulsador).Los grupos electrógenos semiautomáticos son aquellos que cuentan con un control automático, basado en un microprocesador, el cual les proporciona todas las ventajas de un grupo electrógeno automático como: protecciones, mediciones, y operación, pero que no cuenta con un sistema de transferencia.Los grupos electrógenos automáticos cuentan con un control basado en un microprocesador, el cual provee al grupo electrógeno un completo grupo de funciones para operación, protección y supervisión. Contienen, además, funciones estándar y opcionales, en su mayoría programables. Los grupos electrógenos que funcionan en lugares donde hay interrupción de suministro eléctrico se conectan a la red con un conmutador de transferencia. La electricidad constante de la red principal llega al lugar por medio de cables eléctricos. Cuando se produce una interrupción del aporte de electricidad de la red principal a consecuencia de algún fallo, el conmutador de transferencia enviará una señal al grupo electrógeno, que se pondrá en funcionamiento y enviará la electricidad generada a las instalaciones. Cuando se restablezca el suministro de la red principal, el conmutador de transferencia bloqueará la salida de energía del grupo electrógeno y esta función volverá de nuevo a la red principal.

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2.1. Partes del grupo electrógeno.

Motor de combustión interna.El motor representa la fuente de energía mecánica, obtenida de la energía química que brinda el combustible, para que el alternador gire y genere electricidad. Generalmente los motores diesel son los más utilizados en los grupos electrógenos por sus prestaciones mecánicas, ecológicas y económicas. El motor Diesel que acciona el grupo electrógeno es del tipo industrial de gran rendimiento, puede ser de cuatro tiempos, o de dos tiempos e ignición por compresión. El motor está dotado con un regulador que es un sistema mecánico o electrónico, encargado de mantener la velocidad del motor constante (esta es directamente proporcional con la frecuencia de salida del alternador) con respecto a los requisitos de carga, siendo que una variación en la velocidad afecta la potencia de salida. El motor de combustión interna puede ser de inyección mecánica o electrónica.

Sistema eléctrico del motor.El sistema eléctrico del motor es de 12 ó 24 volts CC, con el negativo a masa, y dependiendo del tamaño o especificación del grupo, éste puede contener uno o dos motores de arranque eléctrico. El sistema incluye una/s batería/s, un soporte de batería que puede colocarse en el suelo al lado del grupo en el caso de grupos electrógenos de mayor tamaño, sensores y dispositivos de alarmas de los que disponga el motor. Normalmente, un motor dispone de un manocontacto de presión de aceite, un termocontacto de temperatura y de un contacto en el alternador para cargar la batería auto-excitado, autoregulado y sin escobillas. En su mayoría los grupos electrógenos van equipados con acumuladores ácido/plomo, sin embargo, se pueden instalar otros tipos de baterías si así se especifica (baterías libres de mantenimiento, NiCd, etc.).

Sistema de refrigeración.El sistema de refrigeración consta de un radiador, un ventilador de gran capacidad y un termostato, y se puede utilizar como refrigerante el agua, aceite o aire.El sistema a base de agua o aceite usa un radiador y un ventilador interior para enfriar los componentes, mientras que en sistema de refrigeración por aire se genera por la sola utilización de un gran ventilador (que pasa el aire frío por el motor caliente). El aire es empujado a través del radiador, luego es aspirado a lo largo del alternador, después a lo largo del motor y por último empujado a través del radiador.

Alternador.El alternador es otro elemento del sistema eléctrico, éste va montado en el mismo cuerpo del motor de combustión interna y es accionado por el cigüeñal a través de una transmisión flexible (banda-polea), teniendo como finalidad recargar la/s batería/s cuando el grupo electrógeno se encuentra en operación. La energía eléctrica de salida se produce por medio de un alternador, acoplado con precisión a la salida del grupo electrógeno, aunque también se pueden acoplar alternadores cuyo funcionamiento vaya a ser limitado. Encima del alternador se halla montada una caja metálica de bornes.

Chasis de base y depósito de combustible.El motor y el alternador están acoplados y montados sobre un bastidor de acero de gran resistencia (chasis). A excepción de los grupos más grandes, este bastidor incluye un depósito de combustible con una capacidad mínima de 8 horas de funcionamiento a plena carga. El sistema de combustible debe ser capaz de entregar un suministro de combustible limpio y continuo, y debe estar respaldado por un depósito de combustible de acuerdo a la potencia del grupo, además se sugiere tener un depósito de uso diario y uno de mayor capacidad para evitar paros por falta de combustible.

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Aislamiento de la vibración Sistema de control (panel).El grupo electrógeno está dotado de unos aisladores de vibración (tacos antivibrantes), diseñados para reducir las vibraciones transmitidas por el grupo, motor/alternador, a los cimientos sobre los que está instalado el grupo electrógeno. Estos aisladores están colocados entre la base del motor, del alternador, del cuadro de mando y el bastidor.

Silenciador y sistema de escape.El sistema de escape consiste en sacar de un modo apropiado los gases que son producto de las explosiones que genera la combustión del motor hacia el exterior.El silenciador y el sistema de escape reducen la emisión de ruidos producidos por el motor y la contaminación conduciendo los gases de escape hacia salidas que no produzcan peligro.

Sistema de control.Se puede instalar uno de los diferentes tipos de paneles y sistemas de control para controlar el funcionamiento y salida del grupo y para protegerlo contra posibles fallos en el funcionamiento. El panel de control en un grupo electrógeno puede contar, sin estar restringido sólo a eso, con:

o Llave.o Medidor de presión de aceite.o Medidor de temperatura de refrigerante.o Medidor de amperes de batería.o Medidor de combustible.o Selector para la medición de voltaje por fase.o Fusibles.o Medidor de voltaje.o Medidor de frecuencia, etc.

Disyuntor de línea (Interruptor automático de salida).Existe un interruptor que, se monta en una caja de acero, para proteger el alternador y va de acuerdo al modelo y régimen de salida del grupo electrógeno, aunque algunos grupos electrógenos se protegen mediante contactores. En algunos casos, este interruptor puede incorporarse en sistema automático de transferencia o en el panel de control.

• Placa de datos.Es la descripción y la identificación del grupo electrógeno. Esta placa contiene la información necesaria para identificar el grupo electrógeno, sus características y su capacidad de operación. Esta información puede incluir las características de salida, tales como voltaje, fase y frecuencia, régimen de salida de kVA y Kw, el número de modelo, el número de serie, fabricante, etc.

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http://generacionelectricastmeu.blogspot.com.ar

3. Calderas.3.1. Funcionamiento básico.El agua que ingresa a la caldera es calentada hasta su punto de ebullición y esta produce vapor, cuando el agua se evapora el nivel de la misma baja por lo que hay que suministrarle agua para mantener un nivel dado el mismo este es un ciclo repetitivo el cual puede ser sensible a cambios pero ya que la reposición ocurre en un intervalo de tiempo mas largo la disminución en la entrega de vapor es menos evidente en este proceso ocurren diversas cosas en el interior de la caldera pero esto se puede evitar precalentado el agua antes de suministrársela a la caldera recuperando mas rápidamente la tasa de ebullición, siendo mas viable suministrar continuamente el suministro para garantizar un nivel constante de agua y vapor (conocido como control modulado). Como un aumento en la demanda de vapor unas de las cosas que se controlan primero es mantener los límites del agua dentro de los limites superiores e inferiores, si desciende mas de lo permitido la caldera podría recalentarse y si es demasiado alto el agua podría ser aspirada con el vapor y como resultado del mismo un vapor muy pobre, hoy en día esto es muy estricto ya que podrían dañarse los alabes de la turbina y demás componentes.

Fuente: http//www. es.scribd.com

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Resumiendo el tema: La caldera es un aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de energía térmica, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

ESQUEMA ELEMENTAL DE UNA CALDERA

Fuente (Ing. Walter Barreto),http//www. es.scribd.com

Clasificación de calderas por la circulación del agua y gases: existen muchos tipos de calderas solo explicaremos los siguientes dos temas.

Fuente: http//www. todocalderas.com.ar

Esquema básico donde se muestra a las paredes de la misma como fuente de presión.

Existen dos tipos de calderas que vamos a explicar son:o Humotubulares.o Acuotubulares.

A las calderas se las puede clasificar de diversas maneras: uso, presión, materiales, tamaños, contenidos de tubos, sistema de fogón, fuente de calor, tipo de combustible estas son algunas de las tantas cosas por las que se las puede clasificar. Nosotros vamos a tratar solo por su uso y presión.

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3.2. Caldera Humotubular: Aptas para combustibles: Fuel-oíl, Gas-oíl o Gas.Son calderas pequeñas, comúnmente utilizadas para producir agua caliente para calefacción y proceso, aunque las hay productoras de vapor de relativamente baja presión (hasta 12 atm). La misma recibe este nombre porque principalmente está formada por un hogar interno o externo y tubos por donde pasan los gases (retorno). Además el costo de instalación es relativamente menos a una caldera Acuotubular.

Esquema básico


Foto de una caldera Humotubular.

Fuente http://www.esimet.com.ar/vapor.htm

Gráfico donde se pueden apreciar cada una de las partes de la caldera.


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http://www.esimet.com.ar/vapor.htm



Otras imágenes

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1. Fuente http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/calderas2. Fuente http://grupos.emagister.com/imagen/caldera_humotubular_de_3_pasos/7069-7764333. Fuente http:// galdara.Blogspot.com

Esquema donde se aprecia cada una de sus partes

Caldera Humotubular con Hogar Presurizado - Modelo CHVPI


3.3. Caldera Acuotubular:Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamado de paredes de agua. El recinto posee aberturas para los quemadores y la salida de gases de combustión.

Esquema básico


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http://grupos.emagister.com/imagen/caldera_humotubular_de_3_pasos/7069-776433

http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/calderas


Fuente: http://pdf.nauticexpo.es/

Fuente: http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/sistemas-de-calefaccion-calderas-y-equipos-terminales

Caldera Acuotubular

Fuente: http://www.eisa.cl/images/noticias/Caldera_Acuotubular.gif

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http://www.eisa.cl/images/noticias/Caldera_Acuotubular.gif

http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/sistemas-de-calefaccion-calderas-y-equipos-terminales

http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/sistemas-de-calefaccion-calderas-y-equipos-terminales

http://pdf.nauticexpo.es/


Fuente: http://commons.wikimedia.org/

La circulación del agua puede ser natural, debida a la diferencia de densidad entre agua fría y caliente. El agua en ebullición se acumula en un recipiente llamado domo donde se separa el vapor del agua.Estas calderas son económicas por la ausencia de las bombas de líquido pero de baja producción de vapor por la baja velocidad de circulación del agua.Para obtener mayores caudales de vapor y mayores presiones se utilizan bombas de alimentación de agua, pudiendo operarse incluso por encima del punto critico de la campana de vapor (21.7 Mpa = 220 atm)

Circuito de gas-agua

3.4. Riesgos en una caldera.1. Por la presión interna, que puede provocar su rotura en caso de diseño o fabricación defectuosos.2. Por el almacenamiento de energía térmica, que en caso de liberación por rotura tiene efectos destructivos.3. Por la existencia de una fuente de calor de alta temperatura.

Por lo visto la una de las diferencias entre ellas es a la presión a la que trabajan eso me determinara para que usare c/u de ellas, la caldera Humo tubular trabaja a una presión baja tan solo 12 atm y la Acuotubular llegaría hasta los 220 atm. La otra será el uso que se le dará a c/u de ellas las Humotubulares Son calderas pequeñas, comúnmente utilizadas para producir agua caliente para calefacción y proceso y las Acuotubulares generalmente para las industrias ya que las Humotubulares son insuficientes en cuanto presentan las capacidades de necesidad y presión necesitarían paredes mas gruesas p/soportar mayores esfuerzos por lo que se registraron muchas explosiones.

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http://commons.wikimedia.org/


Por eso a menores dimensiones de elementos y componentes y su facilidad de contrarrestar los elementos de la presión la caldera Acuotubulares es más conveniente para grandes capacidades y mayores presiones dentro de su diseño.

Fuente: http://curso-calderas-nextera-energy.blogspot.com.ar/2012_05_01_archive.html

3.5. Esquema básico de instalación.Funcionamiento: lo primero que pasa en este esquema como se ve en la siguiente figura, el agua que en este caso esta almacenada en una pileta ingresa a la caldera con la ayuda de una bomba al cual le sigue un filtro p/evitar que entren impurezas a la caldera este es un ciclo repetitivo, luego se ve como el combustible en este caso (gas) provee de calor a la caldera y por lo que se detallo anteriormente se produce vapor.

Fuente: http://www.jitcalderas.com.ar/images/

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http://www.jitcalderas.com.ar/images/

http://curso-calderas-nextera-energy.blogspot.com.ar/2012_05_01_archive.html


Esquema de instalación energética para carbón pulverizado con equipos de control medioambiental.

3.6. Información adicional.

Fuente: http://libros.redsauce.net/

Las calderas industriales tienen, en general, características de diseño distintas de las calderas energéticas; se construyen en un amplio campo de tamaños, presiones y temperaturas, desde las de vapor saturado a 218ºF (103ºC), 2 psi (1,2 bar), que se utilizan para caldeos de todo tipo, hasta las de 1000ºf (538ºc), para plantas generadoras de electricidad.Las calderas industriales suministran vapor para más de una aplicación; en determinadas circunstancias la demanda de vapor puede ser cíclica o fluctuante, de modo que el funcionamiento de la unidad generadora de vapor y su equipo de control, se pueden complicar.En las calderas industriales, el flujo de la mezcla agua-vapor suele ser en circulación natural, con excepción de las viejas unidades remodeladas con lechos fluidificados burbujeantes y las grandes calderas con gran capacidad de generación de vapor.Las grandes calderas para generación de electricidad, se diseñan para quemar carbón pulverizado o troceado, aceite, gas o una combinación de aceite o gas con un combustible sólido determinado.Las calderas industriales se diseñan para los combustibles anteriores y también para quemar en hogares mecánicos, carbón groseramente troceado.Muchos procesos industriales generan subproductos que pueden servir como combustibles, contribuyendo significativamente al rendimiento operativo de la planta, y reduciendo el coste del producto, como:

o Gases derivados de la industria del acero, como el gas de horno alto y el gas de batería de coque

o Productos clásicos de la industria del petróleo, como CO, gas de refinería y coque de petróleo

o Productos de la agricultura como el bagazo de los molinos de azúcar, cáscaras de cacahuete, posos de café, etc.

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o Residuos de la industria de la pulpa y papeleras, como madera, cortezas, productos químicos de proceso, sedimentos, etc.

o Residuos sólidos municipales, basuraso parámetros que especifican las calderas industriales son:o Presión de vaporo Temperatura e intervalo de controlo Flujo de vapor: punta, mínimo, curva de cargao Temperatura y calidad del agua de alimentacióno Capacidad de reserva y número de unidadeso Combustibles y sus propiedadeso Características de las cenizaso Preferencias en métodos de combustióno Límites de emisiones medioambientales SO2, NOx, partículas sólidas, otraso Espacio del emplazamiento y limitaciones en accesoso Auxiliares, requisitos de operadores y base de evaluación

Equipo generador de vapor.Una de las características constructivas que distingue a la mayoría de las calderas industriales, es la gran superficie del banco de caldera de agua saturada (superficie vaporizadora), dispuesta entre el calderín superior y el calderín inferior. El objetivo del banco tubular de la caldera radica en calentar el agua de alimentación que entra en la caldera hasta la temperatura de saturación y, a continuación, vaporizarla al mismo tiempo que enfría los humos hasta una temperatura de salida económicamente razonable.En las calderas de baja presión, en el interior del recinto del hogar no existe la suficiente superficie de caldeo para que se pueda absorber la energía necesaria para llevar a cabo el calentamiento y la vaporización, por lo que se dispone otro banco de caldera, en el seno del flujo de humos, aguas abajo del hogar y del sobre calentador (si existe), que se encarga de ofrecer la superficie termo intercambiadora que se precise.Cuando la presión en el generador de vapor aumenta la absorción de calor requerida para la vaporización del agua disminuye, al tiempo que aumenta la absorción de calor por parte del sobre calentador.

Agua de alimentación de la caldera. Al aumentar la presión y temperatura de las unidades, conforme progresan los diseños, se tiene que incrementar también la calidad del agua del sistema, estando relacionada la vida de la caldera con la misma; la necesidad de una adecuada calidad del agua se suele subestimar con demasiada frecuencia, siendo el resultado las costosas retiradas de servicio para sustituir las partes a presión afectadas.Una calidad superior en el agua conduce siempre a un vapor de mayor calidad, lo cual es necesario para una adecuada protección de los sobre calentadores y turbinas.La utilización de un condensador vertical de agua como atomizador constituyó un paso fundamental para utilizar agua de alta calidad, evitando la contaminación que se producía en el vapor cuando se usaba el agua de alimentación del ciclo para atemperar el vapor mediante la atomización. La máxima concentración de sólidos permisible en el agua de la caldera, en relación con la presión de vapor a la salida de la unidad generadora.

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4. Turbomáquinas.

Las turbinas de vapor (de ahora en adelante TV) y las turbinas de gas (TG) se clasifican en turbo máquinas motora (TMM), o sea que el fluido cede energía a la maquina.Las TV y TG también se clasifican en turbo máquinas térmicas (TMT), ya que utilizan un fluido que ha de considerarse como compresible. Elementos de la turbina.. Rotor (o rodete): es el órgano más importante de las turbo máquinas (TM). Consta de discos o tambor, álabes, eje y otros elementos, tales como collarines diversos de los laberintos, transmisiones al regulador, acoplamientos, etc.. Álabes: los álabes fijos van ensamblados en los diafragmas que forman parte del estator, y sirven para darle la dirección adecuada al vapor y que este empuje sobre los álabes móviles.. Discos o Diafragmas: son discos semicirculares que van dispuestos en el interior de la carcasa perpendicularmente al eje y que llevan en su periferia los álabes fijos.. Estator (o carcasa): es el cuerpo, armazón o parte fija que constituye las TM, sirviendo al mismo tiempo como sustentación a la turbina.. Toberas: se encargan de suministrar vapor a la turbina, intentando conseguir una correcta distribución del vapor entrante o saliente.. Difusor: se utiliza para cambiar la velocidad de la corriente de aire que viene del compresor para aumentar la presión.. Cojinetes: son los elementos que soportan los esfuerzos y el peso del eje de la turbina. Los cojinetes pueden ser radiales, que son aquellos que soportan los esfuerzos verticales y el peso del eje, o axiales, soportan el esfuerzo en la dirección longitudinal del eje.. Sistemas de estanqueidad o sellador del rotor: son aquellos sistemas de cierre situados a ambos extremos del eje de la turbina que evitan que escape el vapor de la turbina. Pueden ser de metal o de grafito. Normalmente en las máquinas de gran potencia los cierres son metálicos de tipo laberinto.. Estanqueidad interior: son los mecanismos que evitan la fuga de vapor entre los álabes móviles y fijos en las etapas sucesivas de la turbina.

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4.1. Turbina de vapor (TV).

La turbina de vapor (TV) es una máquina que convierte la energía de vapor proveniente de la caldera en trabajo mecánico. En una central termoeléctrica se emplea este trabajo para mover un generador eléctrico que transforma el trabajo en energía eléctrica.

Fuente: Rotor de una turbina producido por Siemens Alemania

Fuente: Siemens

Una turbina de vapor (TV) es una turbo máquina térmica motora, que transforma la energía potencial del vapor a alta presión y temperatura en trabajo mecánico en el eje.La teoría estudiada, si bien orientada a aplicaciones con TV, es válida también para turbinas de gas.El vapor sobrecalentado se comporta aproximadamente como el gas que trabaja en la TG.

Fuente http://www.emc.uji.esPágina 17 de 39

http://www.emc.uji.es/


Explicación del esquema detallado: como se ve en la figura la bomba impulsa el agua líquida dentro de la caldera la caldera genera vapor de donde sale vapor a alta presión el mismo es dirigido directamente a la turbina de vapor chocando con los alabes de la turbina la cual por medio de trabajo mecánico mueve un eje que está conectado a un alternador de corriente, luego como se observa este es un ciclo repetitivo por lo que el vapor que ingresa a la turbina sale como vapor de baja presión el cual entra a un condensador y vuelve a su estado inicial como agua luego la operación se repite indefinidamente.

Fuente: UNT FRBA

Funcionamiento de una turbina: para lograr que la energía del vapor se convierta en trabajo mecánico el vapor es alimentado a la maquina a través de una tobera donde se expande obteniéndose un chorro de vapor a gran velocidad la tobera se encuentra fija en la carcasa de la turbina y el chorro del vapor se dirige en contra de una paleta montada sobre una rueda la fuerza del chorro actúa sobre la paleta y la impulsa lo que produce movimiento en la rueda el rotor es la parte móvil de la turbina que lleva montada las ruedas con paletas y toberas llamadas también alabes las toberas fijas están montadas sobre la carcasa que es una cubierta envolvente que actúa como barrera de presión y minimiza la perdida de vapor al mismo tiempo que conduce el flujo de la energía de una manera eficiente la carcasa porta anillos de alabes estacionarios que sirven para dirigir el flujo de vapor en la dirección adecuada contra los alabes rotatorios por lo que aprovechando la fuerza del vapor para mover un generador de energía eléctrica conectado a la turbina y así se produce la generación de energía eléctrica.

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Fuente: http://www.uco.es/termodinamica

CLASIFICACIÓN DE LAS TUBINAS DE VAPORLas turbinas se pueden clasificar según varios criterios entre los que mencionamos los siguientes 2:

1. NÚMERO DE CUERPOS O CILINDROSLas turbinas pueden ser de un único cuerpo, dos cuerpos como se observa en la Figura 2, de tres cuerpos como se ilustra en la Figura 1, o de mas cuerpos como en las aplicaciones de turbinas de vapor para centrales nucleares.

2. PRESIÓN DE SALIDAEn función de la presión de salida de la turbina, se pueden clasificar en turbinas de condensación y turbinas de contrapresión.Cuando la turbina es utilizada en un ciclo de vapor, el vapor de salida de la turbina condensa en un condensador que se encuentra a presión inferior a la atmosférica, en esos casos la turbina se denomina turbina de condensación.Existen otras utilizaciones en las que el vapor no condensa, donde la turbina disminuye la presión del vapor de salida para su posterior utilización. Esta turbina se denomina turbina de contrapresión.

3. CONDICIONES DE TRABAJORecalentamiento: Las turbinas de menor potencia poseen un único cuerpo por el que entra y sale el vapor. Las turbinas de mayor potencia, pueden tener recalentamiento del vapor, y esto obliga a dividir los cuerpos de Alta Presión (AP) de los cuerpos de Media Presión (MP) y Baja Presión).

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http://www.uco.es/termodinamica


Estas turbinas presentan configuraciones especiales con utilización de válvulas de alta presión y media presión.Extracciones: En todos los ciclos de vapor se utilizan extracciones de vapor de la TV para precalentar el agua de alimentación de caldera. Esto obliga a que la turbina tenga un diseño especial que contemple la toma de vapor.

4. SENTIDO DEL FLUJOSe las puede clasificar según el sentido del flujo, considerando de flujo simple aquellas en la que el vapor viaja en un sólo sentido. El flujo doble se utiliza en las etapas de baja presión de TV de alta potencia.

Figura 2

Fuente web

PRINCIPIO OPERATIVODe acuerdo al principio operativo de funcionamiento de la turbina, la podemos clasificar en turbinas de acción y turbinas de reacción.Si la caída de presión del vapor se produce solamente en las toberas o ruedas fijas, se las denomina turbinas de acción, mientras que si la caída de presión del vapor se distribuye entre los álabes fijos y móviles se las denomina turbinas de reacción.

1. Turbinas de acción:a. Simple (Laval)b. Con escalonamientos de velocidad (Curtis)c. Con escalonamiento de presión (Ratteau)

2. Turbinas de reacción:a. Con escalonamiento de presión (Parsons)

1.a. Turbina de acción simple – Turbina de Laval.La turbina de Laval está formada por una etapa simple de acción.La etapa de acción está compuesta por una rueda de toberas fijas y una rueda de álabes móviles.

En las turbinas de acción, la presión cae solamente en los álabes fijos. El vapor ingresa a la rueda de álabes fijos y se acelera, disminuyendo su presión. La energía potencial de presión y temperatura se transforma en energía cinética para poder accionar sobre los álabes móviles.

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1.b. Turbina de acción con escalonamiento de velocidad – Turbina de Curtis.


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Fuente: http://html.rincondelvago.com/turbinas-de-vapor.html

La turbina de Curtis es una turbina de acción en la que la presión cae en los álabes fijos, pero la velocidad se absorbe en dos ruedas móviles. Es por eso que se habla de escalonamiento de velocidad.La disposición de Curtis consta de una rueda fija de toberas, al igual que la turbina de Laval, pero seguida de dos ruedas móviles de acción. Entre ambas ruedas móviles se sitúa una rueda fija de álabes directrices. En las toberas se acelera el vapor, produciéndose una caída de presión, mientras que en la rueda de álabes directrices el vapor modifica solamente su dirección, manteniendo constantes su presión y velocidad. La diferencia fundamental respecto a la turbina de Laval es que la primer rueda de álabes móviles no absorbe toda la velocidad sino que absorbe solamente una parte, dejando salir al vapor con una determinada velocidad. El vapor luego atraviesa los álabes directrices y pierde el resto de su velocidad en la segunda rueda de álabes móviles.

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http://html.rincondelvago.com/turbinas-de-vapor.html



1. c. Turbina de acción con escalonamiento de presión – Turbina de Rateau.Esta configuración se realiza colocando varias turbinas de Laval en serie, produciéndose de esta forma escalonamientos de presión. La caída de presión se realiza en varias etapas, por lo tanto el vapor se acelera menos, la velocidad absoluta del vapor es menor, y la turbina gira más lento. La turbina de Rateau tiene la ventaja de que todas las velocidades son bajas. Que se muestra continuación representa una turbina de acción de Rateau de dos etapas. Se observan dos ruedas de álabes fijos y dos de álabes móviles, dispuestas en forma alternada.En la primera etapa la presión no cae totalmente, de modo que se produce un aumento parcial de la velocidad. De haberse producido una caída total de presión, el aumento de velocidad hubiese sido mayor. La energía cinética se absorbe completamente en el álabe móvil. La tobera está diseñada de modo que modifique la presión entre determinados valores preestablecidos.En la segunda etapa ocurre un proceso similar. La presión cae en el álabe fijo hasta perder toda la presión que quedaba, manteniéndose luego constante en los álabes móviles. El vapor se acelera en los álabes fijos y pierde su velocidad en los móviles. De esta forma se parcializa el salto y se logra que la turbina gire más lento. Se obtiene un rendimiento alto porque corresponde al rendimiento de Laval, pero además gira a menores revoluciones.

Turbina con escalonamiento de velocidad y presión.Turbina con escalonamientos de velocidad y de presión. Se tiene una rueda de toberas, una rueda móvil doble y una rueda de álabes fijos directrices, configurando la disposición de Curtis. Es un escalonamiento de velocidad.Luego, se realiza el escalonamiento de presión con una configuración de Rateau, disponiendo varias etapas de Laval una al lado de otra. Se observa un escalonamiento de nueve etapas de Toberas y Rueda móvil.Siempre conviene poder absorber el mayor salto de entalpia con una velocidad de rotación de la turbina apropiada para la aplicación.Estas ruedas de toberas y alabes móviles son difíciles de fabricar, por eso se desarrollaron las turbinas de reacción.


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2. a. Turbina de Reacción con escalonamiento de presión – Turbina de Parsons.


Las turbinas de reacción están conformadas por varias etapas que realizan un escalonamiento de presión. Son denominadas turbinas de Parsons.A diferencia de las turbinas de acción, en las que la presión cae sólo en los álabes fijos, en las turbinas de reacción la presión cae tanto en los álabes fijos como en los álabes móviles.El álabe de reacción es un álabe no simétrico. Posee un cambio en la sección de pasaje que hace que la velocidad relativa w aumente, acelerando el vapor con respecto al álabe y actuando en parte como una tobera. El aumento de velocidad en los álabes móviles hace que el álabe reciba una reacción, que se transforma en movimiento y trabajo. Por lo tanto, las turbinas de reacción son en parte de acción (la presión cae en los álabes fijos) y en parte de reacción (la presión cae en los álabes móviles).Generalmente la turbina de reacción se construye de forma tal que el salto de presión en los álabes fijos y en los álabes móviles sea igual. Los álabes fijos y los móviles se construyen de forma similar, pero se disponen invertidos, de modo que presentan el mismo ángulo y producen la misma caída de presión.Una ventaja de la turbina de reacción es que se pueden poner una gran cantidad de etapas ocupando un pequeño espacio, y como su construcción es relativamente simple, se solucionan los problemas que existían en la turbina de Ratteau.El vapor se acelera en los álabes fijos, y pierde su velocidad C en los álabes móviles. Si graficáramos las velocidades relativas, w crecería desde el punto 1 al punto 2, como se observa en la figura siguiente.La energía disponible se absorbe en varias etapas fijas y en varias etapas móviles. La velocidad Cn representa la velocidad que se absorbe en cada una de las etapas.

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Figura donde se ve las dimensiones en comparación con un equipo.


Figura donde se ve las dimensiones en comparación con una persona.

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COMPARACIÓN DE RENDIMIENTOS.

Fuente autor Fabián Comentario: lo que se ve en el grafico anterior es una comparación entre cada tipo de turbina…

4.2. Turbina de Gas

Una Turbina de gas (TG) es una Turbomáquina Térmica Motora, su funcionamiento responde al teorema de Euler, y la densidad del fluido cambia notablemente en su paso por la máquina a la que entrega su energía para obtener energía mecánica en un eje. Además pertenece al grupo de las máquinas de combustión interna MCI que son aquellas en las que el fluido producto de la combustión (Combustible + aire = gases de combustión) es el que transfiere su energía al rotor. Una TG está compuesta principalmente de dos partes:- Compresor de aire: Normalmente es un compresor axial, aunque puede ser radial en pequeñas TGs. Su función es tomar el fluido (generalmente aire a presión atmosférica), y comprimirlo a una presión superior para que ingrese en la cámara de combustión. - Turbina: También denominada Turbina de Potencia, se encuentra vinculada al compresor por el eje. Recibe la energía del fluido de trabajo, los gases de combustión a alta temperatura y alta presión (la del compresor), y transforma esa energía en trabajo mecánico.

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Fuente Siemens

FUNCIONAMIENTOEl compresor toma aire de la atmósfera, lo comprime y lo dirige hacia las cámaras de combustión (CC). En las Cámaras de combustión el aire a alta presión se mezcla con el combustible que se inyecta a presión en forma líquida o gaseosa para establecer una llama. Los gases de combustión que se encuentran a alta presión y temperatura trabajan en la turbina entregando su energía. Las turbinas de gas trabajan con gases de combustión a altas temperaturas, por lo que requieren materiales y recubrimientos especiales que puedan resistir esas temperaturas. El rotor de la TG recibe del fluido una determinada cantidad de energía, parte del cual se utiliza para accionar al compresor mientras que el resto sirve para obtener un trabajo útil en el eje, que se utiliza para impulsar un generador eléctrico u otra máquina generadora (compresor, bomba, etc.).El compresor toma aire de la atmósfera, lo comprime y lo dirige hacia las cámaras de combustión (CC). En las Cámaras de combustión el aire a alta presión se mezcla con el combustible que se inyecta a presión en forma líquida o gaseosa para establecer una llama. Los gases de combustión que se encuentran a alta presión y temperatura trabajan en la turbina entregando su energía. Las turbinas de gas trabajan con gases de combustión a altas temperaturas, por lo que requieren materiales y recubrimientos especiales que puedan resistir esas temperaturas. El rotor de la TG recibe del fluido una determinada cantidad de energía, parte del cual se utiliza para accionar al compresor mientras que el resto sirve para obtener un trabajo útil en el eje, que se utiliza para impulsar un generador eléctrico u otra máquina generadora (compresor, bomba, etc.)

.5. Ciclos.

5.1Ciclos de Vapor. 5.1.2 Ciclo de Carnot.Funcionamiento: en el punto nº1ngresa el agua a la bomba la misma la envía hacia la punto nº2 la caldera en forma de liquido saturado en la caldera el liquido se calienta y sale como vapor saturado va hacia punto nº3 a alta presión este impacta con los alabes de la turbina la cual está conectada a un generador produciendo energía eléctrica luego al final va hacia el punto nº4 que es el condensador lo cual enfría el liquido (este ciclo es repetitivo)

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Fuente Web

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Rendimiento del Ciclo de Carnot:Este ciclo se suele considerar poco práctico. La calidad del vapor a la salida de la turbina es relativamente baja, lo cual acorta la vida útil de la turbina. La etapa de compresión isentrópica 1-2 es difícil de realizar con un fluido bifásico. Al salir vapor saturado (y no sobrecalentado) se limita la temperatura TH y por tanto la eficiencia.

5.1.3 ciclo de Rankine.El ciclo Rankine es una modificación del ciclo Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema térmico corrigiendo los problemas que este produce, entre estas modificaciones están:

Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor húmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el estado liquido saturado a la presión de la salida de la turbina.

Proceso de compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de líquido, que eleva isoentrópicamente la presión del líquido que sale del condensador hasta la presión deseada para el proceso 2-3.

Durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el fluido hasta una temperatura que es con frecuencia superior a la temperatura crítica.

Se considera todas estas modificaciones, para lograr un modelo practico de un ciclo de planta de potencia de vapor, estaremos en presencia del Ciclo Rankine, a continuación se realizará una descripción de los componentes del ciclo y el comportamiento termodinámico registrado en el diagrama Ts.Fuente: http://es.scribd.com

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http://es.scribd.com/


El sistema que funciona (ver figuras 1.2) según este ciclo consta de una caldera, donde el agua (que es el fluido más conveniente por ser abundante y barato) entra a la caldera en 2 como líquido y sale al estado de vapor en 3’ .Después de que el vapor saturado sale de la caldera en el estado 3’ pasa a través del sobre calentador recibiendo energía, incrementado la temperatura del vapor a presión constante hasta el estado 3 (Vapor sobrecalentado).Luego hay una máquina de expansión (turbina) donde el vapor se expande produciendo trabajo, saliendo en el estado 4. A continuación este vapor entra a un aparato de condensación de donde sale como líquido al estado 1. Este a su vez es tomado por una bomba de inyección necesaria para vencer la presión de la caldera, que lo lleva al estado 2 donde ingresa a la caldera

5.1.4 Ciclo Rankine simple.El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

Diagrama T-s del ciclo

El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicas y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicas (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):

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o Proceso 1-2: Expansión isoentrópicas del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.

o Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.

o Proceso 3-4: Compresión isoentrópicas del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.

o Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).1

Como mejorar la eficiencia?Bajar la temperatura TL en el condensador implica bajar P1 y reducir la calidad x4...no es conveniente.Sobrecalentar el vapor en la caldera implica subir la temperatura media _ TH y mejora la eficiencia, además tiende a aumentar la calidad x4 subir la presión de caldera mejora _ TH pero tiende a bajar x4. Se resuelve con recalentamiento.

5.1.5. Ciclo Rankine con recalentamiento.

La eficiencia del ciclo Rankine puede incrementarse también aumentando la presión de operación en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presión del condensador. Un ciclo ideal con recalentamiento, y su correspondiente diagrama temperatura-entropía aparece en la siguiente figura. Obsérvese en esta figura que el ciclo Rankine con sobrecalentamiento solamente, sería más eficiente que el ciclo con recalentamiento, si en el primero fuera posible calentar el vapor hasta el estado 1' sin incurrir en problemas de materiales.

El ciclo Rankine con recalentamiento puede ayudar a elevar mínimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar el tiempo de vida de la turbina. Idealmente podríamos usar una cantidad 1 http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine

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http://www.monografias.com/trabajos901/evolucion-historica-concepciones-tiempo/evolucion-historica-concepciones-tiempo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/calidad-serv/calidad-serv.shtml#PLANT

http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/flujograma/flujograma.shtml

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine


infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en la practica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es muy pequeña.2

La expansión en la turbina se realiza en dos etapas, recalentando el vapor entre ellas:o aumenta la temperatura media a la cual se recibe caloro aumenta la calidad a la salida de la turbina

5.1.6. Ciclo Rankine con regeneraciónEn un ciclo Rankine, parte del calor se invierte en calentar el líquido sobre comprimido lo cual ocurre a relativamente baja temperatura...

Regeneración:Se puede precalentar el líquido que entra en la caldera usando uno (o más) intercambiadores (abiertos o cerrados) en los cuales entra en contacto térmico con un drenaje intermedio de la turbina.

Intercambiadores de alimentación ideales (OFH: open feedwater heater)En el intercambiador abierto ideal (cámara de mezcla) se mezclan los flujos que deben estar a igual presióno Adiabático

o Entra mezcla bifásica de la turbina (1) y liq. s/Comp. (2)

o Sale líquido saturado (3) a la presión de la mezcla

2 http://www.monografias.com/trabajos7/rank/rank.shtml#introPágina 32 de 39

http://www.monografias.com/trabajos7/rank/rank.shtml#intro


Rankine con regeneración.

o Requiere dos bombas

o División de flujo en la turbina: f = m6/m

o En OFH ideal f se ajusta para que =>3: líquido saturado

Pérdidas, irreversibilidades:o En ciclos reales ocurren pérdidas diversas

o Pérdidas de bombeo (eficiencia isentrópica):

o Pérdidas en turbina (eficiencia isentrópica):

o Pérdidas en cañerías: Caída de temperatura por pérdida de calor

o Fricción en cañerías: Caída de presión y aumento de entropía, por fricción

o Intercambiadores no son perfectamente adiabáticos Con suficientes datos, no es difícil

tenerlas en cuenta...

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5.1.7 Ciclo ideal de refrigeración.Por compresión de vapor

o la expansión en la válvula lo hace irreversible

o diversos refrigerantes: R-410a, amoniaco NH3, R-134a, etc...

o sale líquido saturado del condensador

o sale vapor saturado del evaporador

Coeficiente de performance: no descripto

Ciclo no ideal con pérdidas:El ciclo de refrigeración de la figura opera con R12 y hay:

o pérdida de presión en el vaporizador y condensador

o sobrecalentamiento a la salida del evaporador

o compresión no isentrópica

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5.2 Ciclos de Turbina de Gas.

5.2.1. Ciclo ideal de Brayton.El ciclo ideal de Brayton se compone de dos evoluciones isobaras y dos adiabáticas isoentrópicas y el fluido que evoluciona es un gas perfecto. Es un modelo ideal que aproxima cualitativamente la evolución del fluido dentro de la TG. El punto 1 es el inicio del ciclo y representa la entrada del fluido a la TM. En la práctica es aire a una temperatura ambiente (20°C - 30 °C). El compresor comprime el aire (1-2), suponiendo que la evolución es ideal, hasta alcanzar la presión 2 y aumentando también su temperatura (aprox. 250°C). En la evolución (2-3) se incorpora calor al sistema. En la práctica es a través de la combustión del combustible, produciéndose un aumento de temperatura a presión constante hasta alcanzar una temperatura de 950°C - 1100°C. A continuación

se produce la expansión de los gases en la turbina (3-4). La evolución 4-1 es la entrega de calor al medio, que en la realidad es la descarga de los gases de combustión. La turbina de gas libera una gran cantidad de gases calientes (450°C - 600°C) a la atmósfera a través de la chimenea, y se los representa con el calor Qout.

a) Se observa que el rendimiento del ciclo simple ideal aumenta constantemente al aumentar la relación de compresión. Mientras que en el ciclo ideal de rendimiento del 50%, para el ciclo real el rendimiento no supera el 36%, que alcancen valores más altos. b) Se observa además que el rendimiento del ciclo simple ideal solo depende de la relación de compresión, y depende de la temperatura más alta del ciclo T3, que es la temperatura de entrada de los gases a la turbina.

5.2.2. Ciclo real de Brayton.En el ciclo Brayton real se toman en cuenta las siguientes consideraciones:La compresión no es isoentrópicasLa evoluciones (2-3) y (4-1) no son isobaras debido a las pérdidas en conducto de compresor a cámara, y en cámaras de combustión y sistema de escape.La expansión en la turbina (3-4) no es isoentrópicasLa presión de salida de la turbina es mayor a la atmósfera para poder eliminar los gases

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Debido a las pérdidas que se producen en la evolución (2-3’) se encuentra una presión menor correspondiente a evolución (2-3). Además, debido a las pérdidas, la expansión en la turbina no es isoentrópicas y se produce con un aumento de entropía.El rendimiento del ciclo real de Brayton depende de: - Rendimiento de la turbina. Cuanto mayor sea el rendimiento de la turbina, mayor será el rendimiento general del ciclo. - Rendimiento del compresor. Cuanto mayor sea el rendimiento del compresor, mayor será el rendimiento general del ciclo. Es importante mantener limpio el compresor asegurando un buen filtrado del aire. Un compresor sucio disminuye mucho el rendimiento. - La relación de compresión: A mayor relación de compresión, mayor será el rendimiento. Requiere turbinas de gas de mayor tamaño con compresores de más etapas. - Temperatura del aire de entrada: La temperatura T1, que corresponde a la temperatura del aire que ingresa al compresor tiene una fuerte influencia en el ciclo. Cuanto menor sea su valor, mayor será el rendimiento del ciclo. Esto implica que el ciclo será más eficiente en invierno que en verano, y la TG será más eficiente trabajando en ubicaciones con climas fríos. - Temperatura de Gases: En cuanto a T3, debe ser lo mas alta posible para que mejore el rendimiento del ciclo. Las turbinas de mayor rendimiento son las mas modernas y costosas porque pueden trabajar con mayores temperaturas (1100°C-1300°C) en las toberas y álabes de primera fila. Para ello se utilizan sistemas especiales de refrigeración y álabes muy costosos construidos con aleaciones muy especiales.

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5.3 Ciclo combinado.En un ciclo combinado se busca entrelazar los ciclos de gas con los de vapor, con el objetivo de aprovechar los gases calientes provenientes de la TG para calentar el vapor en una caldera de recuperación de calor, siendo que este es luego enviado hacia la TV.

Si se desea generar vapor a mayor temperatura, es necesario aumentar la temperatura de salida de los gases de la turbina de gas. Los gases a alta presión y temperatura se expanden en la turbina de gas, accionando un primer generador eléctrico y produciendo energía con eficiencia de 34 a 38% aproximadamente. Los gases luego se envían a una caldera de recuperación de calor, donde generan vapor para el segundo ciclo, y son eliminados a la atmósfera a una temperatura algo superior a los 100°C dependiendo del tipo de ciclo. En la caldera de recuperación de calor, se genera vapor sobrecalentado que luego se expande en una turbina de vapor, entregando un trabajo en el eje de la turbina que permite generar energía eléctrica. En este caso, el vapor describe un ciclo cerrado de Rankine con sobrecalentamiento y eventualmente recalentamiento. La combinación del ciclo de gas de Brayton y el ciclo de vapor, permite aumentar el rendimiento del ciclo combinado desde aproximadamente 37% a 57%. Siendo Q el calor que se entrega en la turbina de gas, que será igual al producto del caudal de combustible por su poder calorífico. Esta expresión surge de considerar que en un ciclo combinado la potencia de la turbina de vapor es aproximadamente1/3 de la potencia del ciclo combinado, teniendo en cuenta que la turbina de vapor recibe calor del gas residual de la turbina de gas. Por lo tanto, la potencia de la turbina de gas es 2/3 de la potencia del ciclo combinado, de donde se deduce que la potencia de la turbina de vapor es la mitad de la potencia de la turbina de gas. Para un ciclo con una TG de alta eficiencia podremos tener como valores aproximados los siguientes:

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Existen diferentes disposiciones de ciclos combinados. Las más comunes son:- Disposición 1x1: Una TG, una caldera y una TV.- Disposición 2x1: dos TG, dos calderas y una TV.- Disposición 3x1: tres TG, tres calderas y una TV.

Disposición 1x1

Otro tipo de clasificación es según sus niveles de presión, siendo:- Ciclo de una sola presión.- Ciclo de dos presiones.- Ciclo de tres presiones.Generalmente se utilizan ciclos de dos o tres presiones, contándose en la caldera con domos de alta, media y baja presión. La utilización de más de una presión en el ciclo permite aprovechar mejor el calor de la caldera y aumenta la eficiencia total.

5.3.1 Cogeneración.

Habitualmente la energía eléctrica se toma de la red, mientras que el vapor se genera en una caldera. La cogeneración es un sistema que permite generar energía eléctrica y vapor al mismo tiempo y en distintas cantidades, de acuerdo al sistema utilizado y al grado de necesidad. En lugar de tomar energía eléctrica de la red y generar vapor en una caldera, se incorpora una turbina de gas que genera dicha energía eléctrica y el calor residual de los gases de la turbina se utiliza para generar vapor.

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6- conclusionesCuadro comparativo

caldera con turbina de vapor turbina de gas ciclos combinadosGeneración eléctrica (grupos electrógenos)

combustible utilizados

combustibles líquidos, gaseosos, sólidos

gas natural y (combustibles refinados) gas natural

gas natural , gasolina, diesel, biodiesel, etc.

ventajas Alto rendimiento, eficienciabajos costos de instalación por Mw de salida

flexibilidad (una central puede operar a plena carga o cargas parciales)

se pueden utilizar en emergencias

Gran fiabilidad y disponibilidadbuen comportamiento en altos picos de consumo

eficiencia elevada (el ciclo comb. Por un margen alto de potencias) fáciles de maniobrar

Soluciones comprobadas a medida del cliente alta eficiencia a grandes consumos bajas emisiones

diversos tamaños (según consumo requerido)

larga duracióntiempo de arranque de 2 a 5 minutos

bajo coste de inversión por MW instalados se pueden trasladar

aprovechamiento de combustibles residuales bajo consumo de agua de refrigeración

rápida puesta en marcha en emergencias

no emite partículas al medioambiente ahorro energético (combustible)

(combustibles refinados) se usa p/uso intermitentes

desventajas tienen inconvenientes a bajas presiones

poca eficiencia a cargas parciales 1/2 carga < 25% rendimiento

las desventajas serian las de turbina de vapor y gas juntas

no son de bajo coste en largos tiempos de duración

giran en una sola direccióna menor potencia peores prestaciones

no generan grandes potencias

producen ruido ruidos mayores a los 60 db bajo rendimiento

no se pueden trasladar de un lado a otro

no se pueden trasladar de un lado a otro

sectores Empresas energéticasdemás industrias ya detalladas en (calderas con turbina de vapor)

ídem industrias ya detalladas en (calderas con turbina de vapor) hogares

Productores independientes de electricidad militares (aviación) empresas

Industria de alimentos y bebidas aviación comercial hospitales

Industria químicatuberías p/transmisiones de gas (turbinas impulsan gas) centrales

Petroquímica / refinerías aeromodelismo

Madereras, papeleras

Minería, metalúrgica y siderurgia, acerías

Industria procesadora, cementera

Industria azucarera, de etanol y de aceite de palma

campos de aplicación Plantas de ciclo combinado plantas de ciclo combinado plantas de ciclo combinado diversos

Plantas de cogeneración (electricidad y calor) plantas térmicas o de cogeneración centrales termoeléctricas

Plantas de recuperación de calor

Centrales energéticas de biomasa

Plantas incineradoras de basura

Centrales termo-solares

Plantas geotérmicas

Accionamientos mecánicos

Barcos / plataformas marítimas

potencia desde los 2 a 250 MW chicas y 250 a 1.200 MW. Grandes desde los 4 a 47 megawatios desde los 400 a 800 mw

220 v y 380 v (2kw hasta aprox 42 mw)

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Informe de Ciclo de Controles Termicos

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