Universidad de Chile.

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.

Departamento de Ingeniería Mecánica.

Laboratorio de Máquinas ME53B.

Informe Laboratorio 2.

Balance Térmico de una Central Termoeléctrica.

Profesor: Ricardo Díaz S.

Ayudante: Sandro Garrido E.

Alumno: Ociel Gutiérrez G.

Semestre Primavera 2007.

1. Introducción.

En esta experiencia, para la central termoeléctrica disponible en el Laboratorio, se

calculará el porcentaje de la energía total absorbida, proveniente de la oxidación del

combustible, que es transformada en potencia eléctrica. Este porcentaje representa el

rendimiento global de la central. Para calcularlo se deberían determinar los rendimientos

parciales, es decir, los de cada uno de los equipos constituyentes de la central.

2. Objetivos.

Determinar el rendimiento global de la central termoeléctrica del Laboratorio. Para

lograr esto sería necesario determinar los rendimientos parciales siguientes:

a) Rendimiento del ciclo ideal de Hirn.

b) Rendimiento de la caldera.

c) Rendimiento del sobrecalentador.

d) Rendimiento de la turbina.

e) Rendimiento del generador.

Efectuar un análisis del agua de la caldera, con el fin de conocer el procedimiento y

los criterios de manera general.

3. Antecedentes.

3.1. Ciclo de Hirn.

Es un ciclo de vapor diseñado para la generación de energía mecánica a partir de la

oxidación de algún combustible. En un principio se utilizó carbón principalmente, pero hoy

en día el ciclo de Hirn se alimenta principalmente con Diesel o con el calor proveniente de

los gases de escape de una turbina de gas, que se encuentran a alta temperatura,

funcionando en ciclo combinado. El ciclo de Hirn es básicamente un ciclo de Rankine al

que se le agrega un sobrecalentador o intercambiador de calor.

Figura 3.1. Esquema bloques de ciclo de vapor de Hirn.

La bomba recolecta condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión

menor a la atmosférica, estado (4) y comprime el agua hasta la presión de la caldera(5).

Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturación en la caldera es

inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturación y luego

se inicia la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy

cercano a 1) y luego se conduce el vapor al sobrecalentador. Este elemento es un

intercambiador de calor (similar a un serpentín) al que se le entrega calor a alta

temperatura. Por lo tanto el vapor se calienta (aumentando su temperatura) hasta salir como

vapor sobrecalentado en el estado (2). El vapor que sale del sobrecalentador se lleva al

expansor o turbina. Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión

asociada a la temperatura de condensación (3). El vapor que descarga la máquina entra al

condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que

están refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo

del condensador, donde se extrae (4) prácticamente como líquido saturado.

Allí la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.

Figura 3.2. Diagrama T-S de ciclo de vapor Hirn.

Donde es la temperatura del sobrecalentador, es la temperatura de la caldera

y es la temperatura del condensado.

En la figura 3.2., el diagrama T-S el ciclo Hirn se describe como sigue: El vapor está

inicialmente con título 1, como vapor saturado  (1), luego se sobrecalienta en el proceso

(1)-(2) el vapor se expande en la turbina, generando trabajo, evolución (2)-(3). Esta

evolución es, en principio, isentrópica.  A la salida de la turbina el vapor tendrá título

inferior a 1, pero saldrá mucho más seco que en el ciclo de Rankine. Incluso nada impide

que el vapor saliera como vapor sobrecalentado.

El vapor que descarga la turbina es admitido al condensador, donde condensa totalmente

a temperatura y presión constantes, evolución (3)-(4). Sale del condensador en el estado (4)

como líquido saturado (título x=0). Ahora el condensado es comprimido por la bomba,

evolución (4)-(5), aumentando su presión hasta la presión de la caldera. En el estado (5) el

líquido está como líquido subsaturado. Este se inyecta a la caldera, con un importante

aumento de temperatura y entropía, hasta alcanzar la saturación. Allí comienza la

ebullición. Todo el proceso (5)-(1) ocurre dentro de la caldera. En 5´ comienza el cambio

de fase.

3.2. Central Térmica.

Una central térmica permite, mediante un proceso de conversión, generar energía

eléctrica a partir de combustibles como el carbón o petróleo. Este proceso de conversión

está gobernado por el ciclo de Rin y consta de las siguientes etapas:

Liberación de energía, en forma de calor, mediante la oxidación de combustibles.

Transferencia de calor de los gases de combustión al agua, para generar vapor.

Conversión de energía térmica a mecánica.

Conversión de energía mecánica a eléctrica.

3.2.1. Componentes Principales de la Central Térmica Experimental

Caldera: Una Caldera es un dispositivo cuya función principal es calentar

agua. Cuando supera la temperatura de ebullición, genera vapor. El vapor es

generado por la absorción de calor producido de la combustión del

combustible. La caldera se encarga de absorber el calor proveniente del

quemador.

Ablandador de Agua: Es un dispositivo que tiene como objetivo

desmineralizar el agua que alimenta a la caldera mediante el reemplazo de

sales duras por blandas en una primera etapa y luego mediante la utilización

de zeolita hidrogenada eliminar las sales de sodios que se incrustan en los

conductos.

Condensador: Es un elemento intercambiador térmico, en cual se pretende

que cierto fluido que lo recorre, cambie a fase líquida desde su fase gaseosa

mediante el intercambio de calor (cesión de calor) con otro medio. La

condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un

ventilador (que es el caso de esta experiencia) o con agua (esta última suele

ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar). La

condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo

termodinámico.

Sobrecalentador: Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un

serpentín) al que se le entrega calor a alta temperatura. Primero se extrae el

vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1) y luego se conduce el

vapor al sobrecalentador. Por lo tanto el vapor se calienta (aumentando su

temperatura) hasta salir como vapor sobrecalentado.

Turbina de Vapor: Es una turbomáquina que transforma la energía de un

flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de

la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la

turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que,

típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En

una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está

formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil

de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje

sino a la carcasa de la turbina.

3.3. Calorímetro de Estrangulación.

Cuando se hace pasar un vapor saturado por un orificio muy peque˜no

(estrangulación), se produce una caída de presión, debida a una expansión del vapor, un

aumento de la velocidad, la cual disminuye a poca distancia del orificio, se reduce el caudal

y, por efecto de la fricción, se produce un sobrecalentamiento del vapor sin que haya

trabajo involucrado. Si se tiene un calorímetro de estrangulación bien aislado, es posible

considerar este proceso como adiabático, de modo que no haya variación de la entalpía del

vapor. En resumen, el proceso es irreversible e isoentálpico.

La entalpía del vapor, denominada “entalpía de tubería”, es igual a la entalpía del

vapor sobrecalentado al pasar por el orificio del calorímetro.

Figura 3.3: Proceso de estrangulación. Fuente

El calorímetro de estrangulación está diseñado para producir expansión de vapores

saturados, dando lugar a vapores sobrecalentados, cuya temperatura y presión son medibles.

Estas, a su vez, permiten determinar las otras propiedades, por ejemplo, la entalpía.

Al usar el calorímetro de estrangulación, la entalpía del vapor en el calorímetro, tal

como queda determinada por la presión y la temperatura, es igual a la del vapor en la

tubería.

Dado que es relativamente fácil determinar la presión en la tubería, es posible

conocer, en consecuencia, dos propiedades independientes del vapor en la tubería. Estas

son la presión y la entalpía, y determinan las otras propiedades. Es conveniente determinar

el contenido de humedad o título del vapor. Para ello se utiliza la siguiente expresión:

Donde

- hcal : entalpía luego de la estrangulación,

- htub : entalpía del vapor en la tubería,

- hf : entalpía del líquido saturado,

- xv : título del vapor en la tubería, y

- hfg : variación de la entalpía entre fases.

Cuando el contenido de humedad del vapor es muy alto, puede resultar imposible

sobrecalentar el vapor por estrangulación. En tales condiciones no puede usarse el

calorímetro de estrangulación.

3.4 Tratamientos de Agua.

Existen diversos procesos de tratamientos de agua con la finalidad de disminuir o

eliminar las impurezas existentes en el agua utilizada en la caldera para evitar problemas de

incrustaciones perjudiciales en la caldera y el sistema de tuberías. Entre ellos destacan:

Filtrado: consiste en eliminar los sólidos en suspensión por medio de un filtro.

Desaireación: proceso de eliminación de gases disueltos en el agua por aumento de

temperatura, dado la baja solubilidad de los gases en el agua.

Ablandamiento: El proceso de ablandamiento consiste en precipitar la dureza del

agua. Esto es, eliminar los iones que hacen a un agua ser dura.

Desmineralización: La desmineralización es un proceso mediante el cual se

eliminan sólidos disueltos en el agua. El proceso mediante intercambio iónico

emplea resinas catiónicas y aniónicas, que pueden ser base fuerte o base débil

dependiendo la calidad del agua a obtener y los contaminantes que se requiera

remover.

Destilación: La destilación es la operación de separar, comúnmente mediante calor,

los diferentes componentes líquidos de una mezcla, aprovechando las diferencias de

volatilidades de los compuestos a separar.

Tratamientos Internos: Estos consisten ene eliminar todas las impurezas que no

fueron extraídas por los procesos anteriores. Dentro de estos destacan: Eliminación

del oxigeno residual por medio del sulfito de sodio o hidracina dependiendo de las

presiones de trabajo, Dureza residual que es elimina mediante la adición de fosfato

de sodio, y la alcalinización mediante la incorporación de hidróxido de sodio.

3.5. Rendimientos.

3.5.1. Rendimiento Global.

Se define como la razón entre la energía eléctrica disponible a la salida del

generador y la energía total absorbida por el sistema. Este depende de los

rendimientos de cada uno de los equipos de la central, pudiéndose calcular como:

3.5.2. Rendimiento del Ciclo.

Este rendimiento está dado por :

Donde las entalpías se pueden apreciar en la figura 3.4.

Figura 3.4. Ciclo de Rin, h v/s s.

3.5.3. Rendimiento de la Caldera.

Se define como la razón entre el calor absorbido por el líquido y el vapor, y el calor

entregado por el combustible.

El calor absorbido por el líquido y vapor se calcula como

donde es flujo másico de vapor, es el flujo másico de combustible en la caldera y

PCI el poder calorífico inferior del combustible (1000 kcal/kg).

3.5.4. Rendimiento del Sobrecalentador.

Este rendimiento está dado por:

El calor absorbido por el vapor se calcula como:

Es posible expresar el rendimiento de la caldera y del sobrecalentador en un solo

rendimiento. Esto es:

donde es el flujo másico de combustible en el sobrecalentador.

3.5.5. Rendimiento de la Turbina.

Se define como la razón entre la potencia en el eje y la energía disponible en el

vapor.

La potencia se calcula como

·

donde T es el torque, y corresponde a la fuerza ejercida por las masas F multiplicada por el

brazo de aplicación b, y N es la velocidad angular del eje. La energía disponible para la

expansión se calcula como

3.5.6. Rendimiento del Generador.

Se define como la razón entre la potencia eléctrica producida por el generador y la

potencia en el eje de la turbina.

donde V es el voltaje medido en el voltímetro e I la corriente medida en el estator y las

resistencias.

4. Descripción de la experiencia

4.1. Equipo e instrumentos de medición

El equipo principal lo constituye la instalación presente en el Laboratorio, es decir,

la Central Termoeléctrica.

Algunos instrumentos de medición son:

Calorímetro de estrangulación.

Termocuplas.

Cronómetro.

Balanza.

Los quemadores de la caldera y del sobrecalentador son alimentados con

combustible Diesel N° 2.

4.2. Método experimental

1. Poner en servicio la caldera y esperar a que alcance una presión de 8 atmg. No

se deben realizar mediciones antes de que la temperatura del vapor en el

sobrecalentador sea mayor que 300_C. Esto con el fin de obtener un rendimiento

mayor de la central.

2. Medir el tiempo que demora el generador de vapor en consumir 1 litro de

combustible. Hacer lo mismo para el sobrecalentador.

3. Medir el flujo másico de vapor del sistema.

4. Medir las temperaturas de entrada del agua a la caldera y salida del

sobrecalentador.

5. Medir las presiones de entrada y salida a la turbina. Además, la temperatura de

salida

1. de la turbina.

6. Medir el torque en el eje y anotar las revoluciones por minuto del mismo.

7. Registrar voltaje y corriente.

8. Realizar un análisis del agua de la caldera.

5. Resultados.

5.1. Datos Experimentales.

Datos Experimentales Nomenclatura Medición

Flujo másico combustible caldera

Flujo másico combustible sobrecalentador

Flujo másico vapor en la caldera

Presión de la caldera

Temperatura agua entrada caldera

Temperatura de vapor en la caldera

Temperatura vapor sobrecalentado

Temperatura salida turbina

Temperatura condensado en el calorímetro

Torque en el eje

Velocidad en el eje

Corriente en el estator

Corriente en las resistencias

Voltaje Generador

P

T1

T2

T3

T4

T5

T

N

V

9.42 kg/hr

4.50 kg/hr

120 kg/hr

8 bar

15 °C

127 °C

372.2 °C

103 °C

71.4 °C

3.659 Nm

1500 RPM

0.22 A

6.5 A

87 V

Nota: - La entalpía del agua es numéricamente igual la temperatura de esta.

- Para calcular los consumos de combustible (Diesel ciudad) se consideró una

densidad de combustible de 850 a 15 °C.

5.2. Cálculo Rendimientos Parciales.

5.2.1. Rendimiento Ciclo.

= 75.6 %

5.2.2. Rendimiento Caldera-Sobrecalentador

30.79 %

5.2.3. Rendimiento Turbina.

1.78 %

5.2.4. Rendimiento Generador.

= 98.31 %

5.2.5. Rendimiento Global.

= 0.407 %

5.2.6. Cuadro Resumen.

Rendimiento Ciclo

Rendimiento Caldera-Sabrecalentador

Rendimiento Turbina

Rendimiento Generador

76.5 %

30.79 %

1.78 %

98.31 %

Rendimiento Global 0.407 %

Cuadro 5.2.6.1. Resumen de Rendimientos.

5.3 Análisis Agua de Caldera.

Siguiendo los pasos establecidos por la empresa asesora en el tema, se obtuvo lo

siguiente:

Las pruebas realizadas para el análisis de cloruro arrojaron una presencia de 575

ppm de esta impureza, la cual está por debajo de lo indicado por norma (< 600

ppm).

Los niveles de causticidad libre presentes en la muestra se pueden estimar por

debajo de las 100 ppm de CaCO3 dado la no reacción del agua de la caldera frente a

la adición del reactante APM (1 gota APM = 33ppm de CaCO3), siendo el nivel a

mantener de 100 – 200 ppm de CaCO3.

El sulfito presente en la muestra resulto ser de aproximadamente 22 ppm de SO3, el

cual está en el rango correcto establecido por la empresa asesora (10 – 30 ppm).

La presencia de fosfato fue superior al los márgenes indicados (20 – 40 ppm), dadas

las comparaciones entre la muestra y los parámetros de medición.

6. Análisis de Resultados.

Observando el cuadro 5.2.6.1., es posible deducir cuales los equipos de la

instalación son mayoritariamente responsables del bajo rendimiento de la Central

Termoeléctrica. El bajo rendimiento caldera-sobrecalentador puede deberse a que la

caldera, al no ser mantenida regularmente, tenga una capa de sales adherida a las paredes

internas de los tubos de transferencia de calor (recordar que la caldera es acuotubular, es

decir, el agua pasa por el interior de los tubos), producto del contenido mineral del agua de

la caldera. Esta capa disminuye notablemente la transferencia de calor entre los gases

calientes que provienen del quemador y el agua, traduciéndose en que gran parte del calor

de la combustión se pierda. Por otro lado, se tiene que la caldera posee una muy mala

aislación, por lo tanto, gran cantidad de calor se pierde por transferencia de calor con el

ambiente (esto se puede notar al pararse cerca de la caldera). Las pérdidas por radiación son

considerables. El otro equipo que presenta un rendimiento muy desfavorable para el

rendimiento global es la turbina. Esto puede deberse a falta de mantención de los álabes. Se

tiene que en las turbinas de vapor hay desgaste debido a la erosión por partículas sólidas

provenientes de la caldera. Además, al trabajar con vapor de agua, los álabes sufren

desgaste ya que el vapor al final de la expansión posee un t´ıtulo menor que 1, es decir, hay

partículas de líquido saturado emulsionadas en el vapor. Los álabes de las turbinas antiguas,

al ser generalmente construidos con acero al carbono, presentan grandes niveles de erosión

y corrosión. Una solución para aumentar el rendimiento de una turbina con este problema

es cortar los álabes e implementar injertos de acero inoxidable, un material m´as durable y

resistente que el original. Con esto se tiene un menor gasto de combustible para producir la

misma potencia. Los materiales utilizados hoy en día para la construcción de álabes son

producto de un gran desarrollo tecnológico en materiales y fundición, por lo tanto,

presentan una mayor resistencia al desgaste. El generador, al ser un equipo que funciona en

base a un campo magnético bipolar, no presenta mayores pérdidas. Estas solamente son

debidas al roce entre cojinetes y el eje de la turbina-generador. Por lo anterior, su

rendimiento es bastante alto. Sobre el rendimiento del ciclo se tiene que está dado

únicamente por los puntos termodinámicos 1, 3 y 4 de la figura 3.4., los cuales son

producto del funcionamiento, diseño y estado de la Central, es decir, para aumentar dicho

rendimiento habrá que elevar la temperatura de salida del sobrecalentador esencialmente,

pasando esto por un rediseño del mismo. En relación a los resultados para el análisis del

agua, se tiene que ésta no tiene los niveles adecuados de partículas establecidos por la

empresa de tratamiento de agua. Lo más probable es que ésta sea una de las causas más

fuertes del bajo rendimiento caldera-recalentador y de la turbina, debido a lo que se explicó

anteriormente.

7. Conclusiones.

Se realizaron mediciones para calcular el rendimiento global de la Central Termoel´ectrica,obteni´endose tambi´en los rendimientos parciales de cada uno de sus equipos. Los resultadosse muestran en la tabla 7.1.Cuadro 7.1: Rendimientos parciales y global de la central termoel

´ectrica.

De acuerdo a los resultados obtenidos para los rendimientos se puede concluir lo siguiente:El bajo rendimiento caldera-sobrecalentador puede deberse a que la caldera, al no sermantenida regularmente, tenga una capa de sales adherida a las paredes internas de lostubos de transferencia. Por otro lado, se tiene que la caldera posee una muy mala aislaci´on,por lo tanto, gran cantidad de calor se pierde por transferencia de calor con el ambiente.El bajo rendimiento de la turbina puede deberse a falta de mantenci´on de los ´alabes. ´Estospodr´ıan estar desgastados debido a part´ıculas s´olidas provenientes de la caldera.El generador no presenta p´erdidas mayores y ´estas son debidas principalmente al roce deleje con los cojinetes.El rendimiento del ciclo es consecuencia de los puntos termodin´amicos 1, 3 y 4, por lo tanto,si se quisiera aumentar habr´ıa que elevar la temperatura de salida del sobrecalentadoresencialmente, pasando esto por un redise˜no del mismo.15CAP´ITULO 7. CONCLUSIONES 16El agua no tiene los niveles adecuados de part´ıculas establecidos por la empresa detratamiento de agua. Lo m´as probable es que ´esta sea la causa del bajo rendimientocaldera-sobrecalentador y de la turbina.