6centrales de Vapor

7/23/2019 6centrales de Vapor

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CENTRALES ELCTRICAS 181

CAPTULO VI

CENTRALES DE VAPOR

6.1 INTRODUCCIN

Una turbina de vapor es una turbomquina motora, que transforma laenerga del flujo de vapor en energa cintica de vapor para impulsar laturbina y accionar el generador que produce energa elctrica.

En las centrales trmicas de vapor se utilizan como mquinas motrices lasmquinas de vapor, o las turbinas de vapor o, en algunos casos, ambostipos de mquinas simultneamente; adems de accionar los generadores

elctricos principales, en las centrales trmicas de vapor, tambin seutilizan las mquinas anteriormente citadas, para el accionamiento deequipos auxiliares, tales como bombas, hogares mecnicos, ventiladores,excitatrices, etc. El vapor necesario para el funcionamiento de lasmquinas motrices, se produce en calderas, quemando combustible en loshogares que forman parte integrante de las propias calderas; desde stas, elvapor a presin, se conduce por medio de canalizaciones hasta lasmquinas o turbinas de vapor.1

Fig. 6.1 Turbina de vapor

1 Enciclopedia CEAC de Electricidad, CENTRALES ELCTRICAS, Pag.273 1995


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CENTRALES DE VAPOR182

6.2 GENERADORES DE VAPOR2

Los generadores de vapor son cuerpos que contienen cierta cantidad deagua la que, al recibir el calor producido por la combustin de ciertas

substancias dentro de un hogar, determinan la vaporizacin del aguacontenida en el recipiente.

El vapor producido en una caldera est individualizado por la presin ytemperatura que posee a la salida de la misma. La presin se la expresageneralmente en atmsferas. Este valor de la presin se lo conoce como

presin absoluta. Muchas veces se indica el valor de la presin por mediode la presin relativa, considerndose para tal caso que cuando la presindel vapor es igual a la atmosfrica, su valor relativo es cero. Se puede

decir entonces, que la presin relativa de un vapor es la diferencia entre lapresin absoluta y la presin atmosfrica existente. As por ejemplo, siuna caldera est generando vapor a 7 atmsferas absolutas, y la presinatmosfrica es igual a 1, la presin relativa resultar ser igual a 6atmsferas.

La eleccin del tipo de caldera, depende de varios factores como ser:

a) Cantidad necesaria de vapor:En la eleccin entre un tipo de caldera

u otro, es factor fundamental la cantidad de vapor que debe producirpor hora. El suministro de vapor que nos debe proporcionar la calderaelegida, debe ser capaz de satisfacer las necesidades de la instalacin.La produccin especfica de cada tipo de caldera, permite establecer uncampo de trabajo o utilizacin para cada clase de generador. Seestablece una diferencia entre las calderas con gran produccinespecfica de vapor y las calderas con baja produccin de vapor.

b)

Formas de consumo de vapor: Las condiciones y caractersticas de

una caldera, son completamente distintas cuando la misma debe hacerfrente en todo instante a un consumo fijo de vapor, o cuando esteconsumo vara con el tiempo.

En el primer caso el rgimen de produccin es fijo y la cantidad de vapor

2 Del Fresno Ramn A. MQUINAS MOTRICES, Edit Mitre 1974


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que debe suministrar la caldera debe ser siempre la misma. El campo devariacin del rgimen de produccin es chico. No es necesario en estascondiciones que la caldera produzca grandes acumulaciones de vapor.

En cambio, cuando una caldera debe suministrar una cantidad variable devapor, la misma poseer una produccin especfica variable entre doslmites ms o menos amplios. Las calderas de este tipo deben ser capacesde aumentar o disminuir casi en forma instantnea la produccinespecfica, de manera de poder hacer frente en todo momento a lavariacin de consumo. Debe poseer amplios recipientes, capaces desuministrar instantneamente el exceso de vapor requerido o dealmacenar el exceso de vapor producido cuando disminuye el consumo enun determinado momento. La puesta en marcha y el paso al estado de

rgimen deben realizarse lo ms rpidamente posible.

c)

Combustibles utilizados: Cuando se trata de combustibles slidos,se construyen calderas con parrillas horizontales o de muy pocainclinacin, sobre las que se quema el combustible.

Cuando se trata de calderas para ser utilizadas con combustibles enestado lquido o gaseoso, el tipo de parrilla mencionado no puede serutilizado y se recurre a instalaciones de quemadores adecuados.

En todos los casos debe existir la suficiente separacin entre la parrilla oquemador y el fondo del recipiente con agua, para evitar en todo momentoque la llama choque contra el fondo del recipente que contiene agua avaporizar. Al dar la llama contra las paredes de la caldera se produce unaconsiderable perdida en la cantidad de calor generada, existiendo adems,el peligro de que por estar en contacto directo la llama con la chapametlica, esta se funda y se produzca la explosin de la instalacin. Ladistancia de la parrilla al fondo de la caldera, es funcin del largo de llama

del combustible utilizado.Por otro lado, quemar combustibles que generen grandes cantidades degases de combustin, permitir la colocacin de tubos de mayor longitud,

por el interior de los cuales se har recorrer a los gases, aumentando deesta manera la superficie de contacto de los gases calientes de combustincon el agua a vaporizar.


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d) Naturaleza y temperatura del agua de alimentacin: Lapresencia de sales dentro del agua de alimentacin de la calderapresenta el peligro de que stas, al depositarse sobre las paredes de las

chapas, dificulten las condiciones de transmisin de calor. Cuando setiene agua con gran cantidad de sales en suspensin, no es aconsejableel empleo de calderos con tubos de agua, ya que al depositarse stassobre las caras internas de los tubos, va ha dificultar la circulacin delagua por su interior. Adems, la acumulacin de sales va a aumentarel espesor de las paredes, lo que har disminuir, por consiguiente, elcoeficiente de transmisin de calor por conductibilidad.

6.3

PARTES PRINCIPALES DE LAS CALDERAS

Fig. 6.2 Diagrama general de un caldero 3

6.3.1 HOGAREs el sitio donde tiene lugar el proceso de combustin. Constituye lafuente transmisora de calor. El tamao del hogar depende nicamente dela cantidad u naturaleza del combustible que se quema. Cuando se utiliza

3 Del Fresno Ramn, MQUINAS MOTRICES, Edit. Mitre 1974


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un combustible que quema con llama corta, debido a que desprende pocacantidad de materias voltiles, no existe ningn inconveniente en que elhogar sea de baja altura, ya que no existe peligro de que la llama choquecontra el techo del recinto o, lo que es lo mismo, contra el fondo de la

caldera.

Si por el contrario, el combustible quema con llama larga, arrastrando losgases gran cantidad de materias voltiles, el choque de la llama contra lachapa del fondo de la caldera, que se encuentra a mucho menortemperatura que la llama, har que se precipiten, sin quemar, grancantidad de hidrocarburos, sobre todo los ms pesados, debido a que latemperatura de inflamacin de esos hidrocarburos menos voltiles, es muysuperior a la temperatura en que se encuentra la chapa. Esto representa

una prdida de cantidad de calor generada por la combustin. Cuando seutilizan hidrocarburos que contienen gran cantidad de materias voltiles,la altura de la parrilla al techo del hogar debe ser ms o menos grande.Cuando la altura del hogar resulta baja por la volatilidad de loscombustibles que se estn quemando, es aconsejable, de ser posible,desplazar a la parrilla hacia abajo o bien, en caso de no ser posible esto,sustituir el combustible utilizado por otro menos voltil, que queme conllama ms corta. El desplazamiento de la parrilla hacia abajo se consiguehacindola deslizar sobre guas verticales que se colocan especialmente

para tal fin.

Las paredes del hogar se hallan revestidas interiormente de materialrefractario, es decir, con cuerpos que poseen un bajo coeficiente detransmisin y de absorcin de calor y que son capaces de resistirtemperaturas superiores a los 1000C sin deformarse ni perder suscualidades de aislamiento. De esta forma la superficie refractaria refleja lacasi totalidad del calor que recibe, convirtindose en una nueva fuenteradiante de calor dentro del hogar.

En la parte inferior del hogar se debe colocar la entrada de aire. Si esta seproduce en forma natural, se acostumbra a dejar un hueco del tamaoadecuado en la parte delantera de la caldera, por debajo de la parrilla, pordonde penetrar el aire necesario para la combustin. En los casos en queel aire penetra en forma forzada, se utiliza el orificio de entrada de aire

para colocar en l el inyector.


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En todos los casos, a la cantidad de aire necesaria para la combustin,obtenida por el clculo terico, se le debe agregar un exceso de aire,variable segn el combustible utilizado, con el objeto de lograr la

combustin de todos los hidrocarburos que constituyen el combustible,inclusive los ms pesados, aprovechando de este modo el mximo de lacapacidad calorfica del mismo e impidiendo que los gases escapen alexterior arrastrando gran cantidad de hidrocarburos que no tuvierontiempo suficiente para quemar.

Existen dos tipos de hogares para combustibles slidos: los hogaresexteriores y los hogares interiores. Los hogares exteriores son aquellos quese encuentran fuera del recipiente que contiene el agua a vaporizar. Sus

paredes deben estar revestidas interiormente con material refractario.

Los hogares interiores se encuentran dentro del recipiente que contiene elagua a vaporizar. En este tipo el agua rodea completamente a las paredesdel hogar, las que dejan de ser de material refractario, construyndoselas,en cambio, de chapa, ya que dejan de ser cuerpos reflectores del calor,

para convertirse en cuerpos transmisores.

Cuando se utilizan combustibles en estado lquido, gaseoso, o

combustibles slidos pulverizados, se requiere la construccin de hogaresespeciales.

Las dimensiones de los hogares dependen, nicamente, de la cantidad ynaturaleza del combustible que se est quemando.

6.3.2 RECEPTOREsta constituido por el agua que contiene la caldera, la que al recibir elcalor producido por el hogar, se va a vaporizar. El cuerpo receptor de calor

es el cuerpo fro. Se coloca el agua en recipientes cilndricos, construidosde chapa, por un lado se encuentran en contacto con el agua y por el otrocon los gases de combustin.

En calderas modernas se acostumbra a sustituir el cuerpo cilndrico poruna serie de tubos de pequeo dimetro, por dentro de los cuales se hacecircular el agua. Esto constituye el principio de las calderas acuotubulares.


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6.3.3 CHIMENEAEs un conducto de altura considerable necesario en toda caldera, por elcual se hacen escapar los gases de la combustin, envindolos a una altura

tal, que no ocasionen molestias a las personas o construcciones ubicadasen las proximidades de ella

6.3.4 PARRILLAEs el lugar construido dentro del hogar, sobre el cual se coloca elcombustible slido a quemar, el que debe ser introducido divididoconvenientemente en trozos pequeos a efecto de facilitar el proceso de lacombustin.

Las parrillas estn constituidas por una serie de barrotes de fundicindispuestos en forma paralela entre si, con una leve inclinacin haciadelante. Los extremos de los barrotes se construyen ms anchos que la

parte central, facilitando su apoyo sobre unos largueros. Vistos de costado,presentan en la parte central una mayor altura que en los apoyos, lo quepermite soportar de mejor manera el fuego, que es ms intenso en la partecentral.

La seccin de los barrotes es trapezoidal alargada con la base ancha

dispuesta hacia arriba. La colocacin de un barrote junto al otro deja unvaco que facilita la entrada de aire y permite que los residuos caigan atravs de la parrilla.

La cantidad de combustible que se debe quemar, para una superficie deparrilla determinada, es funcin de la cantidad de vapor que debe producirla caldera en una hora y del poder calorfico del combustible utilizado.Para cada combustible existe una cantidad ptima a quemar por cadametro cuadrado de superficie de parrilla, como as tambin un espesor

ptimo, para que la combustin se realice en mejores condiciones. Si elespesor del combustible resulta excesivo. El anhdrido carbnico formadoen la parte inferior, al quemar las primeras capas de combustible, reducira xido de carbono, al atravesar las capas superiores. Si, por el contrario,el espesor del carbn resulta muy chico, el aire encontrar poca resistenciaa su paso, penetrando en gran exceso, lo que har disminuir la temperaturadel cuerpo receptor.


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CANTIDAD DE COMBUSTIBLE A QUEMAR POR METROCUADRADO Y POR HORA Y ESPESOR DE MANTO

Combustible Cantidad a quemar

Kg/m2

hr.

Espesor cm.

Hulla 48 7Coque 170 22Lignito 137 16Turba 220 43

Madera 250 40

6.3.5 ALTAREl altar es un muro de material refractario que se coloca casi siempre en la

parte posterior de la parrilla. El objeto del altar es provocar un movimientodesordenado o remolino de los gases de combustin, con el fin de evitaralgo que sucede muy frecuentemente en numerosas calderas, ya que porfalta de tiempo suficiente para entrar en contacto el aire con elcombustible, los gases de combustin arrastran cantidades variables deoxigeno y componentes gaseosos que no tuvieron el tiempo suficiente

para combinarse con el oxgeno. El objeto del altar es precisamente hacerque los gases de combustin choquen contra l, y se produzca el contactode los componentes menos voltiles del combustible con el aire,

aprovechndose de esta manera la mxima capacidad calorfica delcombustible que se esta quemando. Generalmente el altar tiene una alturade 20 a 30 cm. Suficiente para producir el objeto deseado.

6.3.6 CENICEROEs la parte de la caldera construida debajo de la parrilla, donde caen lascenizas y escorias del combustible que se est quemando, como astambin, las pequeas partculas de carbn que quedan cuando su tamaose reduce ms que la separacin existente entre barrotes. El piso del

cenicero se halla revestido de material refractario.

6.3.7 CMARA DE HUMOSEs el lugar donde se alojan los humos o gases de la combustin. En la cajade humos nacen los conductos de humos, por donde circulan los gases decombustin, con el objeto de calentar el agua de la caldera por conveccin


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Las paredes de esta cmara son revestidas con material refractario a objetode impedir que los gases de combustin, al chocar contra ellas, pierdancalor.

6.3.8 CMARA DE AGUAEs el espacio ocupado por el agua que se quiere vaporizar dentro de lacaldera, cuya cantidad puede variar de un nivel mnimo a un nivelmximo.

El nivel mximo de agua que puede contener la caldera, se lo determinaen razn de que una cantidad mayor dentro del vaporizador reducir elespacio que queda entre este nivel y el techo de la caldera, volumen quedebe ser ocupado por el vapor que se forma. Adems al estar el nivel de

agua ms cerca de la parte superior del vaporizador, produce el peligro deque el vapor sea hmedo, con el consiguiente peligro que se origina por laentrada de esta clase de vapor a las mquinas.

El nivel inferior dentro de la caldera se lo establece, en razn del peligrode explosin que existira, si el agua desciende ms all del valor mnimo.En este caso, al no existir cuerpo receptor de un lado de la chapa, todo elcalor transmitido por la combustin, sera absorbido ntegramente por lachapa, con el grave peligro de que sta se recaliente y funda,

producindose la explosin de la caldera.

6.3.9 CMARA DE VAPOREs el volumen comprendido entre el nivel superior del agua dentro de lacaldera y el techo del vaporizador. Es conveniente que sta cmara tengauna altura no muy reducida, ya que cuanto mayor resulte sta, mayor serla distancia existente entre el techo de la caldera donde se coloca la tomade vapor y el nivel del agua, siendo ms seco el vapor obtenido.


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Fig. 6.3 Turbina de vapor

Fig. 6.4 Turbina de vapor Ingenio Guabir


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6.4 REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE UNA CENTRALTRMICA DE VAPOR SIN CONDENSADOR4

Fig. 6.5 1. Cargador de carbn 2. Rejilla 3.Hogar. 4. Cenicero 5.Conducto de humos. 6. Chimenea 7. Caldera 8. Recalentador 9.Turbina de alta presin 10 Salida de vapor a contrapresin, paracalefaccin u otros casos 11. Bomba de alimentacin de la caldera12. Economizador de agua de alimentacin 13. Turbogenerador 14Excitatriz de turbogenerador 15. Circuito de energa elctrica de

media tensin 16. Transformador elevador 17. Circuito de energaelctrica de alta tensin

4 Enciclopedia CEAC de Electricidad, Centrales Elctricas, Edit. CEAC S.A. Pag.279


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6.5 REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE UNA CENTRALTERMICA DE VAPOR5

Fig. 6.6 1. Cargador de carbn 2. Rejilla 3. Hogar 4. Cenicero 5.Conducto de humos 6. Chimenea 7. Caldera 8. Recalentador primario9. Turbina de alta presin 10. Recalentador secundario 11. Turbina demedia presin 12. Turbina de baja presin 13. Condensador 14. Bombade extraccin del condensador 15-16 Precalentadores del agua dealimentacin 17. Bomba de alimentacin agua de refrigeracin 18.Economizador del agua de alimentacin 19. Torres de refrigeracin 20.Bomba de circulacin del agua de refrigeracin 21-22 Extracciones devapor para los circuitos primarios de los precalentadores de agua dealimentacin 23 Turbogenerador 24. Excitatriz del turbogenerador 25.Circuito de energa elctrica a media tensin 26. Transformadorelevador 27. Circuito de energa elctrica de alta tensin

6.6 CICLO TERMODINMICO DE LAS TURBINAS DEVAPOR

El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene sufundamento en el ciclo termodinmico conocido como Ciclo Rankine, alfinal del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composicin inicial.Cuatro procesos se distinguen en un Ciclo Rankine ideal:

5 Enciclopedia CEAC de Electricidad, Centrales Elctricas, Edit. CEAC S.A. Pag.277


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1-2. Proceso de bombeo adiabtico y reversible

2-3. Transferencia de calor al fluido de trabajo en una caldera a presinconstante.

3-4. Expansin adiabtica y reversible del fluido en la turbina.

4-1. Transferencia de calor desde el fluido de trabajo a presin constanteen el condensador.

Fig. 6.7 Diagrama T-s del ciclo termodinmico de las turbinas de vapor.

Si los cambios en la energa cintica y potencial (presin y temperatura)del fluido de trabajo no son considerados, el calor transferido y el trabajo

pueden representarse por reas en el diagrama.

El rea comprendida por los puntos a-1-2-3-b-a representa el calortransferido al fluido de trabajo, mientras que el rea comprendida por los

puntos a-1-4-b-a representa el calor transferido desde el sistema. El trabajoneto realizado est representado por el rea comprendida por los puntos 1-2-3-4-1 y es la diferencia entre el calor transferido al fluido de trabajo y elcalor transferido desde el fluido de trabajo.


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La relacin entre el calor transferido al fluido de trabajo (qA) por unidadde masa y el trabajo neto realizado (Wnet) por unidad de masa se conocecomo eficiencia trmica.

net A l ter ter

A A

W q qoq q

Fig. 6.8 Esquema del ciclo bsico de las turbinas de vapor.

6.7 MODIFICACIN AL CICLO BASICO DE LAS TURBINASDE VAPOR

6.7.1 CICLO DE RECALENTAMIENTO.

Si para aumentar la eficiencia del Ciclo Rankine se recurre a la posibilidadde aumentar la presin durante la adicin de calor, habr un aumento en elcontenido de humedad del vapor cuando este se expanda en las ltimas

etapas de una turbina

Para aprovechar el incremento en la eficiencia con presiones mayores yevitar la formacin de humedad al final de la expansin, el vapor esextrado en su totalidad en una etapa de presin intermedia y recalentadoen la caldera hasta una temperatura media llevndolo posteriormente a unanueva expansin.


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Fig. 6.9 Diagrama T-s del ciclo termodinmico de las turbinas de vaporcon recalentamiento.

En el ciclo Rankine ideal con recalentamiento, el vapor se expandeisentrpicamente de 3 a 4 y de 5 a 6 y se recalienta a presin constante de4 a 5El calor suministrado (qA) y removido (ql) del vapor de agua por unidadde masa ser respectivamente:

1 2

3 2 5 4

6 1

( ) ( )

( )

A A A

A

l

q q q

q h h h h

q h h

Siendo 1 2A Aq y q el calor suministrado en la caldera y en el

recalentador respectivamente.

El trabajo bruto por unidad de masa desarrollado en la expansin delvapor est dado por:

3 4 5 6( ) ( )bruW h h h h

Y el trabajo neto del ciclo por cada unidad de masa de vapor es:


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3 4 4 5

3 4 5 6 2 1

( ) ( )

( ) ( ) ( )

net

net

W h h h h Wb

W h h h h h h

La eficiencia trmica del Ciclo Rankine ideal dada por la relacin entre eltrabajo neto y el calor de adicin, puede calcularse como:

3 4 5 6 2 1

3 2 5 4

( ) ( ) ( )

( ) ( )

netter

A

ter

W

q

h h h h h h

h h h h

En un proceso de expansin real con recalentamiento es necesario tener encuenta que el vapor no se expande isentrpicamente y que ocurren

prdidas de presin en la tubera del recalentador. Estos fenmenos serepresentan en el diagrama T-s.

Fig. 6.10 Diagrama T-s del ciclo termodinmico real de las turbinas devapor con recalentamiento.

Debido a que la expansin del vapor es irreversible entre los puntos 3 y


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4, el vapor que es extrado de la turbina entra en el recalentador en elestado 4 y le suministra calor hasta dejarlo en el estado 5. El calor realsuministrado en el recalentador (qA) por cada unidad de masa de vaporser:

5 4'Aq h h

El proceso efectuado por la bomba para aumentar la presin del fluido detrabajo en condiciones reales es irreversible. A la salida de la bomba elfluido tendr una mayor entropa y el trabajo requerido (Wb) ser mayorque en condiciones ideales e igual a:

2' 1Wb h h

Por lo tanto, el calor real suministrado al vapor (qA) por cada unidad demasa ser:

3 2' 5 4'( ) ( )Aq h h h h

En condiciones reales el vapor se expande de (h3) a (h4') y despus derecalentado, se expande de (h5) a (h6'). Ambos saltos de entalpa son

menores que en condiciones ideales para las mismas presiones y sin dudael trabajo bruto desarrollado por la turbina por unidad de masa de vaporser menor e igual a:

3 4' 5 6'( ) ( )W h h h h

El trabajo neto del Ciclo Rankine en condiciones reales por cada unidadde masa ser:

( ) 3 4' 5 6' 2' 1( ) ( ) ( )netW h h h h h h

La eficiencia trmica real del Ciclo Rankine para condiciones reales podrcalcularse como:


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( )

( )

3 4' 5 6 ' 2' 1

( )3 2' 5 4'

( ) ( ) ( )

( ) ( )

net

ter

A

ter

W

q

h h h h h h

h h h h

El trabajo realizado por la bomba, sea real o ideal, es mucho menorcomparado con el trabajo producido por la turbina y puede serdespreciado.

6.7.2 CICLO REGENERATIVO.

Esta modificacin al ciclo bsico, consiste en extraer una parte del flujo detrabajo en varias etapas intermedias de la turbina y pasarla por

calentadores, en los cuales el vapor cede su calor al agua que sale delcondensador para elevar su temperatura.

En el ciclo regenerativo normalmente se emplean calentadores de tipoabierto y calentadores de tipo cerrado. En el de tipo abierto, el vapor y elagua se mezclan equilibrando su temperatura, es menos costoso y tienemejores caractersticas de transferencia de calor que el de tipo cerrado. La

principal desventaja del calentador abierto es la necesidad de utilizar unabomba para elevar la presin del lquido saturado que entra en el

calentador. Los calentadores abiertos se conocen como tanquesdesaireadores porque en ellos se expulsan los gases presentes.

En los calentadores cerrados el vapor extrado no se mezcla con el lquidoque viene del condensador y por lo tanto no requieren entrar al calentadorcon la misma presin. El lquido fluye por una tubera a travs de la cualrecibe el calor cedido por el vapor extrado de la turbina. El vapor que secondensa en las paredes externas de los tubos puede bombearse a la lneade agua lquida, llevarse a un calentador abierto de menor presin odirectamente al condensador.

En la actualidad, las turbinas de altas presiones de entrada se construyencon 5 a 7 extracciones parciales en etapas intermedias y con 8 a 9 enaquellas con parmetros supercrticos. Las turbinas que trabajan en unrango de presiones medianas suelen construirse con 2 a 4 extracciones

parciales


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Fig. 6.11 Ciclo Regenerativo

Fig. 6.12 Ciclo Regenerativo con dos calentadores cerrados y uno abierto

Para determinar la eficiencia trmica de este ciclo, es necesario calcular eltrabajo neto desarrollado (Wnet) y el calor adicionado (qA) por unidad demasa de vapor.

El trabajo neto desarrollado por unidad de masa ser:


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WbWtWnet

siendo (Wt) el trabajo de la turbina y (Wb) el trabajo de las bombas porunidad de masa.

El trabajo producido por la turbina por unidad de masa puede calcularseas:

))(1(

))(1())(1()(

54321

432132121

hhmmm

hhmmhhmhhWt

y el trabajo de las bombas como:

BA WbWbWb

)())(1( 10116821 hhhhmmWb El trabajo neto tambin puede calcularse como la diferencia entre el calorsuministrado al sistema (qA) y el calor removido del sistema (qL ) porunidad de masa. El calor suministrado al sistema ser:

)( 121 hhqA

El calor removido del sistema ser:

))(1())(1( 61421145321 hhmmhhmmmqL

Por lo tanto,

))(1())(1()( 61421145321121 hhmmhhmmmhhWnet

La eficiencia trmica del ciclo est dada por:

121

61421145321121 ))(1())(1()(

hh

hhmmhhmmmhh

qW

net

A

netnet


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La cantidad de vapor que debe tomarse en cada extraccin parcial puededeterminarse a partir de la cantidad de energa trmica que requiere sertransferida en los calentadores al lquido que sale del condensador.

De acuerdo al principio de conservacin de energa, el calor cedido por elvapor es igual al calor absorbido por el lquido por cada unidad de masaen el primer calentador cerrado, es decir:

)()( 11121521 hhhhm

Aplicando el mismo principio para el segundo calentador cerrado y para elcalentador abierto:

))(1()( 89211343 hhmmhhm

))(1()()( 91021101611032 hhmmhhmhhm

Si se desprecia el hecho de que el lquido entra algo subenfriado a losrecalentadores y que es una buena aproximacin decir que:

13 9 12 15 11 10 8 6; ; ; ;h h h h h h h h

La cantidad de vapor tomada en cada extraccin parcial por cada unidadde masa de vapor puede calcularse con un sistema de ecuaciones:

)()( 10151521 hhhhm

))(1()()( 131021101611032 hhmmhhmhhm

))(1()( 613211343 hhmmhhm

6.8 TURBINA DE VAPOR6

Una turbina de vapor es una turbomquina motora, que transforma laenerga de un flujo de vapor en energa mecnica a travs de unintercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo(entindase el vapor) y el rodete, rgano principal de la turbina, quecuenta con palas olabes los cuales tienen una forma particular para poder

6 www.wikipedia
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_de_movimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labehttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labehttp://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_de_movimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Vaporhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quina


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realizar el intercambio energtico. Las turbinas de vapor estn presentesen diversosciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar defase,entre stos el ms importante es elCiclo Rankine,el cual genera elvapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada

temperatura y presin. En la turbina se transforma la energa interna delvapor en energa mecnica que, tpicamente, es aprovechada por ungeneradorpara producirelectricidad.En una turbina se pueden distinguirdos partes, el rotor y el estator. El rotor est formado por ruedas de labesunidas al eje y que constituyen la parte mvil de la turbina. El estatortambin est formado por labes, no unidos al eje sino a la carcasa de laturbina.

Fig 6.13 Rotor de una turbina de vapor producida por Siemens,Alemania.

El trmino turbina de vapor es muy utilizado para referirse a unamquinamotora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar laenerga del vapor, tambin al conjunto del rodete y los labes directores.
http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Estados_de_la_materiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_%28artefacto%29http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Alemaniahttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Alemaniahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Generadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_%28artefacto%29http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Estados_de_la_materiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1mico


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6.9 CLASIFICACIN

Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaos, desdeunidades de 1 hp (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores yotro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 hp(1,500,000 kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversasclasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por serturbomquinas son susceptibles a los mismos criterios de clasificacin destas. Por otro lado, es comn clasificarlas de acuerdo a su grado dereaccin:

Turbinas de Accin: El cambio o saltoentlpico o expansin esrealizada en los labes directores o las toberas de inyeccin si setrata de la primera etapa de un conjunto de turbinas, estos

elementos estn sujetos al estator. En el paso del vapor por elrotor la presin se mantendr constante y habr una reduccin dela velocidad.

Turbinas de Reaccin: La expansin, es decir, el salto entlpicodel vapor puede realizarse tanto en el rotor como en el estator,cuando este salto ocurre nicamente en el rotor la turbina seconoce como de reaccin pura.

6.10 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La ecuacin general de las turbomquinas fue hallada porEuler.La formapara el trabajo por unidad de masa que atraviesa el rotor de lasturbomquinas motoras axiales es:

)coscos( 2211 ccuL

donde u es conocida como velocidad perifrica y es la velocidad lineal delrotor, c1 y c2 son las velocidades absolutas del fluido de trabajo antes y

despus de pasar por el rotor respectivamente, 1 y 2 son los ngulosentre la velocidad absoluta y la velocidad perifrica antes y despus depasar por el rotor. Si introducimos el concepto de velocidad relativa ,que es la velocidad del fluido respecto al rodete, y definimos el ngulo como aqul que existe entre la velocidad perifrica y podemosreescribir la ecuacin anterior, por propiedades del tringulo como:
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Eulerhttp://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_%28f%C3%ADsica%29http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_%28f%C3%ADsica%29http://es.wikipedia.org/wiki/Eulerhttp://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Grado_de_reacci%C3%B3n_en_turbom%C3%A1quinashttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quina


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22

2

1

2

2

2

2

2

1 wwccL

Ahora escribamos la primera ley de la termodinmica para un balance de

energa del fluido de trabajo en su paso por el rotor, suponiendo a ste unproceso adiabtico:

22

2

2

2

1 cchL

Recurdese que consideramos que L es definido positivo.

2222

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

2

1 cchwwcc

Encontramos as que el cambio entlpico es igual al cambio de loscuadrados de la velocidad relativa:

2

2

1

2

2 wwh

6.11 ABASTECIMIENTO DE VAPOR Y CONDICIONES DEESCAPE

Estas categoras incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, derecalentamiento, extraccin e induccin.

Las turbinas de No condensacin o de contrapresin son ms ampliamenteusadas para aplicaciones de vapor en procesos. La presin de salida escontrolada por una vlvula reguladora para satisfacer las necesidades de

presin en el vapor del proceso. Se encuentran comnmente en refineras,plantas de papel y pulpa y en instalaciones de desalinizacin, donde sedispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presin.

Las turbinas condensadoras se encuentran comnmente en plantas depotencia elctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente
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saturado, generalmente con calidad mayor al 90%, a una presin bastanteinferior a la atmosfrica hacia un condensador.

Las turbinas de recalentamiento tambin son usadas casi exclusivamente

en plantas de potencia elctrica. En una turbina de recalentamiento, elflujo de vapor sale de una seccin a alta presin de la turbina y esregresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vaporentonces regresa a una seccin de presin intermedia de la turbina ycontina su expansin.

Las turbinas de extraccin se encuentran en todo tipo de aplicaciones. Enuna turbina de extraccin, el vapor es liberado en diversas etapas yaprovechado en distintos procesos industriales, tambin puede ser enviadoa calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo.

Fig. 6.14 Partes de una turbina de vapor


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Fig. 6.15 Turbina de vapor descubierta

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