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INSTITUTO
TECNOLÓGICO DESAN LUIS POTOSÍ
ING. ELÉCTRICA
CENTRALES ELÉCTRICAS
PROFR. RAÚL MONTANTE
SALAZAR
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RIVERA DE SANTIAGO
GERARDO ARTURO
22 de Febrero de 2016Introducción:
A continuación se presenta un trabajo de investigación en el que se explicaran
los aspectos generales que forman parte de una central termoeléctrica
generadora de electricidad; aspectos tales como los elementos que las
conforman y el papel que estos llevan a cabo en el proceso de la transformaciónde energía que se ve involucrado en este tipo de centrales.
Así también se hará mención de cuáles son las centrales termoeléctricas que
existen en nuestro país, mencionando su capacidad de generación y ubicación.
Otro aspecto que se dará a conocer será el ciclo Rankine mencionando sus
características generales así como la definición de las etapas propias del ciclo,
con el objetivo de relacionar este proceso termodinámico con el de las centrales
termoeléctricas.
Finalmente se hablara del concepto de balance energético, fundamentado en las
centrales termoeléctricas.
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Todo lo anterior se hará con la finalidad de profundizar en el tema de las
centrales termoeléctricas convencionales.
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Central Termoeléctrica Convencional:
¿Qué es?
En las centrales térmicas convencionales (otermoeléctricas convencionales) se produce
electricidad a partir de combustibles
fósiles como carbón, fuel-oil o gas natural,
mediante un ciclo termodinámico de agua-
vapor. El término .
‘convencionales’ sirve para diferenciarlas
de otras centrales térmicas, comolas
nucleares olas de ciclo combinado.
Componentes:
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Descripción de elementos:
Caldera:
En este espacio el agua se transforma en vapor, cambiando su estado. Esta
acción se produce gracias a la combustión del gas natural (o cualquier otrocombustible fósil que pueda utilizar la central), con la que se generan gases a
muy alta temperatura que al entrar en contacto con el agua líquida la
convierten en vapor.
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El agua que se transforma en vapor circula por unas cañerías
llamadas serpentines, donde se produce el intercambio de calor entre los gases
de la combustión y el agua.
Sobrecalentador:Es básicamente un intercambiador de calor gases-vapor, diseñado teniendo en
cuenta las particularidades de su trabajo con gases de combustión. El objetivo
es conseguir un vapor a alta temperatura que no sufra problemas de
condensación en su camino desde la caldera hasta el proceso.
Recalentador:
Es un dispositivo instalado
en unacalderaque recibe
vapor súper calentado queha sido parcialmente
expandido a través de la
turbina. La función del
recalentador en la caldera
es la de volver a súper
calentar este vapor a
unatemperatura deseada.
Calentador de aire:
Los calentadores de aire se
utilizan para calentar el
aire comburente y mejorar el proceso de la combustión en las plantas
generadoras de vapor. Los humos constituyen la fuente energética, y el
calentador recoge y utiliza el calor residual de los mismos, lo que incrementa la
eficiencia global de la caldera un 5÷ 10%.
Economizador:
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Un economizador de calderas es un intercambiador de calor que captura “el
calor perdido o desperdiciado” de los gases de chimenea.
Típicamente, el economizador transfiere este calor residual al
agua de alimentación de la caldera o al circuito de agua de
retorno, pero también puede ser usado para calentar aguadoméstica u otro fluido de proceso. Capturar este calor, que
normalmente se desperdicia, reduce los requerimientos
globales de combustible para la caldera. Un menor consumo de
combustible equivale a un ahorro de dinero así como menores
emisiones atmosféricas, debido a que la caldera opera con una
mayor eficiencia.
Precipitador:
La función del Precipitador electrostático o electrofiltro, consiste en la retención
de las partículas en suspensión que existen en los gases resultantes de la
combustión, para evitar que estas partículas salgan con los gases a través de la
chimenea a la atmósfera.
Estas partículas en suspensión existentes en los gases y separadas de los
mismos en el electrofiltro se conocen como cenizas volantes.
El precipitador electrostático se basa en el principio de ionización, es decir, en
el hecho de que en el interior de un campo eléctrico las partículas de ceniza se
cargan eléctricamente.
Para ello, los gases se hacen pasar por el interior de una cámara donde se crea
un campo electrostático establecido entre los electrodos emisores o de
descarga (negativos) y los electrodos colectores o placas (positivos), conectados a
tierra. Los gases al pasar por los electrodos emisores se cargan negativamentegracias al principio de ionización y al pasar por los electrodos colectores son
atraídos debido a su distinta carga eléctrica. El máximo campo electrostático se
genera en la proximidad de los electrodos de descarga o emisores, ionizando a
las partículas de ceniza
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Chimenea:
Dispersa los
contaminantes en las
capas altas de la
atmósfera.
Turbina de vapor:
Máquina que recoge el
vapor de agua y que, gracias a un complejo sistema de
presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje
que la atraviesa. Esta turbina normalmente tiene varios
cuerpos, de alta, media y baja presión, para aprovechar
al máximo el vapor de agua.
El eje que atraviesa los diferentes cuerpos está
conectado con el generador.
Condensador:
Un condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido
que lo recorre cambie a fase líquida desde su
fase gaseosa mediante el intercambio de calor
(cesión de calor al exterior, que se pierde sin
posibilidad de aprovechamiento) con otro
medio.La condensación se puede producir bien
utilizando aire mediante el uso de un
ventilador (aerocondensadores) o con agua
(esta última suele ser en circuito semicerrado con torre de refrigeración, o en
circuito abierto proveniente de un río o del mar).
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Torre de enfriamiento:
Se encargan de mantener baja la temperatura del condensador, garantizando el
correcto funcionamiento de la central.El agua que refrigera el condensador es
enfriada en las torres de enfriamiento al
entrar en contacto con el aire frío que
circula a través de ellas.
Generador:
Máquina que recoge la energía mecánica generada en el eje que atraviesa la
turbina y la transforma en eléctrica medianteinducción electromagnética. Las
centrales eléctricas transforman la energía mecánica del eje en una corriente
eléctrica trifásica yalterna.
Transformador y líneas de transmisión:
El transformador se encarga de elevar el voltaje producido por el generador
para poder ser transportado a través de las líneas de transmisión de altatensión hacia el consumidor
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“Sección” eléctrica del proceso de generación:
Ejemplificación de proceso de generación en central
termoeléctrica convencional a base de carbón:
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Descripción del proceso:
El carbón almacenado en el parque (1) cerca de la central es conducido
mediante una cinta transportadora hacia una tolva (2) que alimenta al molino
(3). Aquí el carbón es pulverizado finamente para aumentar la superficie de
combustión y así mejorar la eficiencia de su combustión. Una vez pulverizado,
el carbón se inyecta en la caldera (4), mezclado con aire caliente para su
combustión.
La caldera está formada por numerosos tubos por donde circula agua, que es
convertida en vapor a alta temperatura. Los residuos sólidos de esta
combustión caen al cenicero (5) para ser posteriormente transportados a un
vertedero. Las partículas finas y los humos se hacen pasar por los
precipitadores (6) y los equipos de desulfuración (7), con el objeto de retener un
elevado porcentaje de los contaminantes que en caso contrario llegarían a laatmósfera a través de la chimenea (8). .
El vapor de agua generado en la caldera acciona los álabes de las turbinas de
vapor (9), haciendo girar el eje de estas turbinas que se mueve solidariamente
con el rotor del generador eléctrico (12).En el generador, la energía mecánica
rotatoria es convertida en electricidad de media tensión y alta intensidad. Con
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el objetivo de disminuir las pérdidas del transporte a los puntos de consumo, la
tensión de la electricidad generada es elevada en un transformador (13), antes
de ser enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta
tensión (14).
Después de accionar las turbinas, el vapor de agua se convierte en líquido en el
condensador (10). El agua que refrigera el condensador proviene de un río o del
mar, y puede operar en circuito cerrado, es decir, transfiriendo el calor extraído
del condensador a la atmósfera mediante torres de refrigeración (11) o, en
circuito abierto, descargando dicho calor directamente a su origen.
Entrar a este link, para observar una simulación del proceso antes mencionado:http://www.unesa.es/sector-electrico/funcionamiento-de-las-centrales-
electricas/1351-central-termica
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Centrales termoeléctricas convencionales (Combustóleo) en
México:
Nombre Unidades Capacidad (MW) Ubicación
Altamira 4 800 Altamira,
Tamaulipas
Benito Juárez
(Salamayuca)
2 316 Cd. Juárez,
Chihuahua
Carlos Rodríguez Rivero
(Guaymas II)
4 484 Guaymas, Sonora
Felipe Carrillo Puerto
(Valladolid)
2 75 Valladolid, Yucatán
Francisco Pérez Ríos
(Tula)
5 1606 Tula, Hidalgo
Francisco Villa 5 300 Delicias, Chihuahua
General Manuel Álvarez
Moreno (Manzanillo I)
4 1200 Manzanillo, Colima
Guadalupe Victoria
(Lerdo)
2 320 Lerdo, Durango
José Aceves Pozos
(Mazatlán II)
3 616 Mazatlán, Sinaloa
Juan de Dios Bátiz
(Topolobampo)
3 320 Ahome, Sinaloa
Lerma (Campeche) 4 150 Campeche,
Campeche
Manzanillo II 2 700 Manzanillo, Colima
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Mérida II 2 168 Mérida, Yucatán
Nachi-Cocom 2 0 Mérida, Yucatán
Adolfo López Mateos
(Tuxpan)
6 2100 Tuxpan, Veracruz
Emilio Portes Gil (RioBravo)
1 300 Rio Bravo,Tamaulipas
Poza Rica 3 117 Tihuatlán, Veracruz
Presidente Juárez
(Rosarito)
6 320 Rosarito, Baja
California
Puerto Libertad 4 632 Piquito, Sonora
Punta Prieta II 3 113 La Paz, Baja
California Sur
Salamanca 4 866 Salamanca,
Guanajuato
Valle de México 3 450 Alcoman, México
Villa de Reyes 2 700 Villa de Reyes, San
Luis Potosí
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Centrales termoeléctricas convencionales (Carbón) en
México:
Nombre Capacidad (MW) Ubicación
Plutarco Elías Calles 2100 Peta Calco, Guerrero
Carbón II 1400 Nava, Coahuila
José López Portillo 1200 Nava, Coahuila
Ventajas y desventajas de las Centrales Termoeléctricas
Convencionales:
Ventajas
- Producen mucha energía
- Producción de energía relativamente rentable
- Las cenizas producidas durante la combustión pueden usarse en la
construcción
Desventajas:
- Los gases producidos en la combustión contaminan la atmósfera
- El agua usada para la refrigeración queda contaminada
- En los procesos de limpieza de la central se producen muchos residuos
- Uso de combustibles fósiles (no renovables)
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Este sería un pequeño resumen de las principales ventajas e inconvenientes de
este tipo de centrales.
Impactos Medioambientales de las Centrales
Termoeléctricas Convencionales:
Emisión de residuos a la atmósfera:
Este tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que
utilizan las centrales térmicas convencionales para funcionar y producir
electricidad. Esta combustión genera partículas que van a parar a la atmósfera,
pudiendo perjudicar el entorno del planeta.Por eso, las centrales térmicas convencionales disponen de chimeneas de gran
altura que dispersan estas partículas y reducen, localmente, su influencia
negativa en el aire.
Además, las centrales termoeléctricas disponen de filtros de partículas que
retienen una gran parte de estas, evitando que salgan al exterior.
Transferencia térmica:
Algunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar
el calentamiento de las aguas del río o del mar.
Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas
de refrigeración, cuya tarea principal es enfriar el agua a temperaturas
parecidas a las normales para el medio ambiente y así evitar su calentamiento.
Ciclo Rankine:
El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en lascentrales
termoeléctricas. Consiste en calentar agua en unacaldera hasta evaporarla
y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una
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turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo
hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo
en una bomba que de nuevo
aumentará la presión, y ser de nuevo
introducido en la caldera.
La representación en diagrama p-V de
ciclos en los que el fluido se vaporiza,
presentan una diferencia con respecto
a los ciclos de gas, ya que aparece una
campana, llamada de cambio de fase.
A la izquierda corresponde al estado
líquido, en el que prácticamente no hay modificaciones de volumen, cuando seaumenta su temperatura o su presión. Por ello las isotermas son prácticamente
verticales.
A la derecha corresponde al estado vapor, aquí el fluido se comporta como un
gas, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales.
Dentro de la campana, el fluido se está evaporando, y las isotermas son
horizontales. Esto es así porqué dada una presión, el calor que se le aporta al
fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporación.
El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot,
aunque no alcanza valores tan elevados.
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Análisis del ciclo por etapas:
En la transformación 1-2 aumenta la presión del líquido sin pérdidas de
calor, por medio de uncompresor, con aportación de un trabajomecánico externo.
En la transformación 2-3 se aporta calor al fluido a presión constante en
unacaldera, con lo que se evapora todo el líquido elevándose la
temperatura del vapor al máximo.
La transformación 3-4 es una expansión adiabática, con lo que el vapor a
alta presión realiza un trabajo en laturbina.
La transformación 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a
presión constante en elcondensador hasta volver a convertirlo enlíquido, y comenzar de nuevo el ciclo.
Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido
a ciertos procesos, para tratar de incrementar el área encerrada en eldiagrama p-V.
Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los
gases que salen por lachimenea de la caldera. Con esto no se aumenta
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el área del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al
ciclo.
Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 haciéndolo
pasar por la caldera y después por otra turbina de baja presión.
Balance térmico/energético en Centrales
Termoeléctricas:
Un balance de energía constituye un marco contable que integra la información
estadística relativa a la producción, transformación, y utilización de la energía
en un país en un proceso determinado, en este caso será en el de la generación
de electricidad a través de centrales termoeléctricas.
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Dónde:
Factor de crédito, fc
Al poder calorífico inferior Hu del combustible, mc * Hu hay que sumarle el
equivalente a la energía recibida de los ventiladores de entrada de aire y de
salida de humos, llamadocrédito Hc
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Rendimiento de la caldera, n(cald)
El calor recibido por el vapor es inferior al calor de combustión, pues los humos
salen de la chimenea a unos 130-170oC, dependiendo del azufre que tenga el
carbón. Éste, en la combustión, produce anhídrido sulfúrico (SO3), que en pre-
sencia de agua líquida se transforma en ácido sulfúrico (H2SO4), muy corrosivo.Por eso, el vapor de agua contenido en los humos ha de condensarse fuera. Así
pues,
Factor de generación, f g
Parte del “vapor bruto” generado en la caldera no llega a la turbina. Para el
“vapor neto” habría que descontar utilidades externas, como, “tanque de purga
continua”, “sopladores de cenizas” y “pérdidas incontroladas”:
Rendimiento bruto del ciclo,n(TBC)Cociente entre la potencia interior en el eje de la turbina y el calor neto
recibido.
Rendimiento neto del ciclo, n(TNC)Cociente entre la diferencia de la potencia interior en el eje de la turbina y la
de las bombas, y el calor neto recibido.
Rendimiento electromecánico, n emCociente entre la potencia exterior en el eje de la turbina (potencia en bornes de
alternador), y la interior en el eje.
Factor de auxiliares, fa
Es el cociente entre la potencia obtenida en bornes de alternador y la que se
envía a red. Una parte la emplea la propia central para su funcionamiento
(auxiliares).
Rendimiento bruto del grupo, n(BG)
Rendimiento neto del grupo, n(NG)
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Conclusión:
Con lo visto en el anterior trabajo de investigación, se logró profundizar un poco
más el cómo es que funciona una central termoeléctrica convencional y los
elementos que la conforman, comprendiendo que estos últimos, que a pesar de
no estar del todo enfocados a la ingeniería eléctrica, si cumplen un papel
bastante importante en la producción de energía eléctrica la cual ya es bien
sabido que es vital para el desarrollo en todos los aspectos del país y que sin
estos elementos la producción de electricidad seria casi nula.
De igual forma se logró comprender el como el ciclo Rankine está fuertemente
relacionado con el proceso de generación de tipo de central generadora aquí
mencionada, ya que según lo visto, el ciclo Rankine es básicamente el mismo
que se ve involucrado en el de las centrales termoeléctricas, esto debido a que
en el propio ciclo se ven involucrados elementos tales como bombas, turbinas,
condensadores y calderas, los cuales, según lo visto en esta misma
investigación, también están presentes en todo el sistema de este tipo de
central eléctrica.
Así también se entendió el concepto de balance térmico relacionado con las
termoeléctricas, llegándose a la conclusión de que es una relación que indaga
en la eficiencia de las centrales con respecto a todos los procesos
termodinámicos que se ven involucrados y como es que estos son tales que a
eficiencia de este tipo de centrales es relativamente baja, pero que a pesar de
eso es la principal opción de generación de electricidad en nuestro país.
No cabe duda que todo lo visto anteriormente se logró reforzar lo ya bastante
bien visto en clase con el profesor y en lo personal es un tema sumamenteinteresante en el cual me gustaría desenvolverme en una vida laboral futura ya
que como mencione anteriormente la generación de energía eléctrica es vital
inclusive para la vida propia de cada uno de nosotros, por lo que para mi es algo
de sumo interés.
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Bibliografía:
https://es.wikipedia.org/wiki/Recalentador
http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo7.html
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-
de-electricidad/viii.-las-centrales-termicas-convencionales
http://www.cerney.es/es/productos/10-sobrecalentadores-de-vapor
http://anodamine.com/economizerESP.html
http://files.pfernandezdiez.es/CentralesTermicas/PDFs/19CT.pdf
http://www.atmosferis.com/precipitador-electrostatico/
http://www.jenijos.com/CENTRALESTERMICAS/centrales_termicas.htm
http://www.uco.es/termodinamica/ppt_Oct2012/termo%206-3.%20Blances%20termico%20y%20termoeconomico%20en%20Centrales%20Termicas.ppt.
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