examen final de plantas termicas
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CUESTIONARIO DE PREGUNTAS
112. Establecer una analogía entre una central termoeléctrica y un ciclo Rankine y explique la
función de cada una de sus partes mediante su representación en un diagrama
termodinámico.
En vez de condensar hasta un vapor de baja calidad, el proceso de condensación se lleva a cabo de
tal manera que el vapor húmedo que sale de la turbina se condensa hasta líquido saturado a la
presión de salida de la turbina. El proceso de comprensión lo efectúa en este caso una bomba para
líquidos, la cual comprime isentropicamente él líquido que sale del condensador hasta la presión
deseada en el proceso de adicción de calor. Este modelo de ciclo de potencia de vapor recibe el
nombre de ciclo Rankine. El ciclo básico se presenta en forma esquemática en un diagrama Ts en
la figura, por tanto, el ciclo ideal de un ciclo de potencia de vapor de Rankine simple consiste en:
Compresión isentrópica en una bomba.
Adicción de calor a presión constante en una caldera.
Expansión isentrópica en una turbina.
Extracción de calor a presión constante en un condensador.
Figura 1. Diagrama TS de un ciclo de Rankine con sobrecalentamiento.
En la figura 1 el área sombreada en el diagrama Ts representa el trabajo neto adicional y el área
debajo de la curva 3-3’ representar calor agregado en la sesión del sobre calentador, observe que la
temperatura promedio a la cual suministra calor durante el proceso 3-3’ es mayor que la
temperatura existente durante el proceso adición de calor en la sección de la caldera, mientras que la
temperatura de condensación sigue siendo la misma. El otro punto importante es que la calidad del
estado 4’ es considerablemente mayor que la del estado 4. Por tanto, el problema de la humedad de
la turbina se ha atenuado.
El ciclo práctico de trabajo de centrales eléctricas de turbinas de vapor es el ciclo ideal de vapor de
Rankine en el cual el suministro y extracción del de calor se efectúan a presión constante del
cuerpo de trabajo; mientras que en una central eléctrica real el suministro de vapor ya no se realiza a
presión constante, sino que se presentan pérdidas en los diferentes dispositivos que forman la
instalación, tales como: bombas, válvulas, ductos, en la turbina, etc.
En el proceso de trabajo ideal, el trabajo de un kilogramo de vapor en la turbina corresponde a la
caída de calor disponible Ho = i0 – icon.ad (Figura 6). En el proceso real, a causa de las pérdidas de
energía, en la turbina sólo se utiliza una parte de la caída de vapor disponible Hi = i0 – icon.
Figura 2. Proceso convencional de trabajo de una turbina de condensación en el diagrama i-s
114. Se tiene una planta térmica cuya generación de vapor se desarrolla a partir de calderas
acuotubulares que trabajan con petróleo. Muestre mediante un diagrama de flujo la
organización del sistema de combustible y explique su operación.
i0, icon.ad : entalpía inicial y final del trabajo del vapor en el proceso ideal de trabajo de la turbina, en kJ/kg
icond : entalpía final del vapor en el proceso real de trabajo de la turbina.
Figura3. Esquema del sistema de mazut de una central termoeléctrica
1. carro cisterna 2. canales entre rieles
3. receptáculos 4. Bomba de inmersión
5. Calentadores de serpentín 6. Depósitos principales
7. Filtros burdos 8. Bomba de primera elevación
9. Calentadores de vapor 10. Filtros finos
11. Bombas de segunda elevación 12. Regulador de gasto
13. Medidor de gasto 14. Válvula reguladora.
De todos los combustibles líquidos en los generadores de vapor sólo se utiliza petróleo. Su
preparación se limita a: calentamiento, limpieza mecánica y atomización.
En los tanques de almacenaje (1) el petróleo se calienta por medio de serpentines de vapor (2) hasta
una temperatura determinada cercana a 70°C. En estos tanques transcurre además la separación del
agua la cual sedimenta en la parte inferior del tanque extrayéndose con las bombas de drenaje (Fig.
3).
De los tanques el petróleo pasa por las tuberías (3) a través de filtros (4) y llega a las bombas de
petróleo (5), pasando después por los calentadores (6) y por nuevos filtros para una limpieza
secundaria. Posteriormente el petróleo se calienta de nuevo y llega a la línea principal para de ahí
dirigirse a los quemadores (7) donde se pulveriza.
El gasto de petróleo se regula con un regulador (8) y se mide con un flujométro (9). En el esquema
se muestra además las válvulas de cuña (10) y las válvulas de no retorno (11). En los filtros el
petróleo se libera de partículas sólidas que si no son extraídas pueden bloquear los orificios del
quemador.
Para evitar las perdidas de calor, y por lo tanto dificultades en la circulación del petróleo, las
tuberías se aíslan convenientemente. Incluso las tuberías de vapor se instalan a veces junto a las de
petróleo para que no exista posibilidad alguna de que este deje de fluir.
116. Se tiene una planta térmica que ésta formada por tres calderas diferentes, pero que
producen vapor de iguales presión y temperatura, aunque con diferentes eficiencias térmicas
¿Cómo organizar la operación de las mismas para una demanda D si ocurre que D1 + D2 +
D3 = D.
La distribución de la carga entre calderas que trabajan en paralelo es de gran importancia para la
economía del trabajo de la estación y del sistema. Frecuentemente trabajan en paralelo calderas de
distintas capacidades, con eficiencias diferentes, tanto brutas como netas. Distribuir correctamente
la carga entre ellas de manera de lograr un consumo mínimo de combustible, no resulta simple.
En principio la carga, se puede distribuir a partir de tres criterios: Proporcional a la carga nominal
de las calderas; De acuerdo con los valores de sus eficiencias brutas o netas y finalmente por el
principio de la igualdad de los “incrementos relativos” del consumo de combustible.
La distribución de carga de acuerdo al último criterio es la forma más correcta, con lo que se logra
la máxima economía de combustible en la estación. Por incremento relativo del consumo de
combustible, para un valor dado de carga, se define a la primera derivada del consumo de
combustible con respecto a la carga de la caldera, osea:
dD
dBb
(1)
No debe confundirse Δb con el valor absoluto del consumo de combustible para generar energía
eléctrica, ya que por ejemplo puede presentarse el caso en que η1 > η2 y para tal rango de carga
resulta que Δb1 > Δb2. La distribución óptima de carga entre calderas que trabajan en paralelo, es
decir, la distribución más económica, corresponde a aquella para la cual los incrementos relativos
del consumo de combustible de todas las calderas son iguales, es decir:
nbbb .......21 (2)
o
n
n
dD
dB
dD
dB
dD
db ......
2
2
1
1
(3)
O sea, la distribución óptima de carga entre calderas que trabajan en paralelo corresponde a aquélla
para la cual los incrementos relativos de consumo de combustible son iguales para todas las
calderas. La distribución de las calderas para cubrir con la demanda, se hace en paralelo debido a
los gastos y condiciones de presión y temperatura por cumplir.
El efecto de la eficiencia en cada una de las calderas nos representan un aumento en le consumo de
combustible y un aumento en el cuidado y mantenimiento de la misma, si esta es mínima, y si la
eficiencia es mayor nos representa tener un menor cuidado de ella si en algún momento la demanda
disminuyera y esta se pudiera cubrir con dos calderas, las evaluadas serían las que tienen mayor
eficiencia.
118. Explique las características de los sistemas de calentamiento de petróleo para plantas
térmicas de calderas acuotubulares.
De todos los combustibles líquidos en los generadores de vapor solo se utiliza el petróleo. Su
preparación se limita a calentamiento, limpieza mecánica y pulverización. En los tanques de
almacenaje el petróleo se calienta por medio de serpentines de vapor, hasta una temperatura
determinada a los 70 0C; en esos tanques transcurre además la separación del agua la cual sedimenta
en la parte inferior del tanque extrayendo con las bombas de drenaje de los tanques. El petróleo,
pasa por las tuberías a través de los filtros y llega a los bombas de petróleo pasando después por los
calentadores y por nuevos filtros para una limpieza secundaria. Posteriormente el petróleo se
calienta de nuevo y llega a la línea principal para de ahí dirigirse a los quemadores, donde se
pulveriza el gasto de petróleo se regula con un regulador y se mide con un flujómetro. En los filtros
el petróleo se libera de partículas sólidas que si no son extraídas pueden bloquear los orificios del
quemador. En la sección de las bombas se instalan filtros gruesos y la descarga filtros más finos que
provocan una mayor caída de presión.
Para evitar las pérdidas de calor, y por lo tanto dificultades en la circulación del petróleo las tuberías
se aíslan convenientemente.Las líneas de petróleo se conectan a los tanques con una línea de retorno
que evita su estancamiento y por lo tanto su enfriamiento.
El calentamiento del petróleo se realiza para disminuir su viscosidad lo que aligera su filtrado,
transporte y pulverización. Los petróleos de caldera son generalmente muy viscosos y dejan de fluir
a temperaturas relativamente altas (20 a 40 0C).
Frecuentemente el petróleo se calienta hasta 70 0C o 90 0C dependiendo de su marca, los petróleos
parafínicos son particularmente muy viscosos y requieren ser calentados a mayores temperaturas a
veces hasta 105 a 130 0C.
120. Se tiene una caldera acuotubular para una planta térmica. Explique el circuito de agua
de dicha caldera si la misma es de dos domos o tambores. Auxíliese de un diagrama.
Las calderas de dos domos están formadas por domos interconectados mediante tubos curvos.
Los tubos tiene la función de conducir el agua hasta las zonas de transferencia de calor, estas
reciben el nombre de tubos descendentes, y después de conducir la mezcla agua - vapor hasta el
domo superior para su separación, estas reciben el nombre de tubos ascendentes. Los tubos dan
diferentes giros y toman diversas formas, esto da gran flexibilidad al diseño del generador de vapor
por el cual, además, puede ser dotado de paredes de agua en el horno.
Los domos acumulan el agua y el vapor. Los domos inferiores reciben el nombre de domos de
fango, pues en ellos se acumulan los lodos de donde son extraídos para ser expulsados de la caldera,
estos domos están completamente llenos de agua. Los lodos son las sales que acompañan el agua las
que por tener mayor peso se acumulan en los puntos más bajos. Los domos superior contiene agua y
vapor, pero solamente de uno de ellos se extrae el vapor para el sistema consumidor.
Las calderas acuotubulares pueden ser equipadas con sobrecalentadores de vapor con gran facilidad
y por lo general suministran el vapor sobrecalentado, además, el límite al sobrecalentamiento está
dado por la resistencia de los tubos pues no hay límites para su superficie, por lo que pueden
alcanzar los máximos sobrecalentamientos permisibles en la actualidad. Estas calderas también
pueden tener calentadores de aire y economizadores.
La circulación del agua y los gases en estas calderas es mucho más compleja. La circulación del
agua y los gases en estas calderas es natural mientras que los giros de los gases se logran mediante
deflectores de material refractario colocados entre las fluserias; los gases pueden dar varios pases
barriendo los tubos longitudinales como transversalmente.
La caldera de dos domos, es una caldera muy difundida, se utilizó en centrales termoeléctricas a
principios de siglo, permite la colocación de paredes de agua y economizadores y calentadores de
aire.
122. Explique las características del horno de una caldera acuotubular que quema petróleo
mediante un diagrama.
Las paredes de los hornos de los generadores de vapor potentes, que queman petróleo, se
encuentran cubiertos con los tubos evaporativos, formando las paredes de agua.
El piso del horno es inclinado para permitir la circulación de la mezcla de agua y vapor por los
tubos del fondo, y éstos se encuentran recubiertos con material refractario para mejorar las
condiciones de la combustión y preservar los tubos de recalentamiento pues ellos se encuentran
sometidos a una alta radiación.
Los quemadores se distribuyen generalmente en dos o más filas en una pared o en dos paredes
opuestas. El número de quemadores se escoge, en lo fundamental, de manera de tener la posibilidad
de regular la carga desconectando parte de ellos ya que los quemadores utilizados generalmente en
las calderas estacionarias, con sección de salida auto regulable, trabajan mal a cargas bajas. La
velocidad del aire en la sección más estrecha de la aspillera del quemador es del orden de los 20 ó
35 m/s. La profundidad mínima del horno para una distribución horizontal de los quemadores debe
ser mayor de 3m para quemadores pequeños (200 a 250 Kg/h) y de 4m para las mayores (500 a
1000 Kg/h).
Los quemadores no deben situarse demasiado cerca de las paredes laterales, para evitar que lleguen
a ellas gotas de petróleo sin evaporar. La distancia del eje de los quemadores hasta las paredes
laterales debe ser mayor de 1,5 a 2m tal requerimiento debe complementarse también para la
distancia entre el eje de la fila más baja de quemadores y el fondo.
Los hornos para combustible líquido son mucho más sencillos que los de carbón. Los mecheros,
como se ve en la figura 4, se colocan generalmente en una o más filas horizontales, estando la hilera
inferior cerca del fondo para obtener llama de gran longitud. No se deberán colocar cerca de las
paredes laterales, para evitar una intensa erosión en los refractarios. Cuando el hogar es de
refractarios, la forma suele ser rectangular, y las paredes laterales y posterior van refrigeradas.
Figura 4. Equipo auxiliar y horno para petróleo.
124. Explique mediante un diagrama de caldera las características de las superficies radiantes
de una caldera de una central termoeléctrica.
Las superficies de generación de vapor de caldeo se diferencian unas de otras en las calderas de
sistemas diferentes, pero, como regla, disponen, en lo fundamental, de una cámara de combustión y
perciben el calor por emisión, o sea, radiación. Las pantallas de las calderas con circulación natural
que funcionan con rarefacción en el hogar, se construyen de tubos lisos con diámetros interiores de
40 – 60 mm. Las cortinas representan en sí una serie de tubos elevadores verticales conectados en
paralelo y unidos entre sí mediante colectores. Ordinariamente el huelgo entre los tubos es de 4 – 6
mm. Ciertos tubos de cortina se introducen directamente en el colector de caldera y no tienen
colectores superiores especiales. Cada panel de cortinas junto con los tubos que se bajan que salen
fuera de los límites del revestimiento del hogar, forma un contorno de circulación independiente.
Los tubos de la cortina trasera en el lugar de la salida de los productos de combustión del hogar se
apartan, formando 2 ó 3 filas. Una semejante derivación de los tubos se llama festoneado; el último
permite aumentar la sección para dar paso a los gases, reducir su velocidad y previene el
atascamiento de los huelgos entre los tubos por las partículas de cenizas, fundidas y endurecidas
durante el enfriamiento, que se arrastran por los gases del hogar. En los generadores de vapor de
gran potencia además de las cortinas de paredes se emplean unas cortinas adicionales que dividen el
hogar en unas secciones separadas. Estas cortinas se iluminan con llamas por dos lados y se llaman
las de alumbrado doble. Estas perciben dos veces más de calor que las de paredes. Las cortinas de
alumbrado doble, al aumentar la percepción de calor general en el hogar, permiten reducir las
dimensiones de éste (Fig.5).
Figura 5. Unidad de caldera.
1. quemador de polvo de carbón 2. Parte radiante inferior
3. Parte radiante media 4. pantallas
5. Sobrecalentador de v primario 6. Sobrecalentador de vapor secundario
7.Paquete de salida del sobrecalentador de v.
primario.
8. Paquetes del sobrecalentador de v.
Secundario
9. Economizador acuoso
126. Características constructivas y de diseño de los diferentes calentadores de aire usados en
las plantas térmicas. Muestre diagramas.
Los calentadores de aire son dispositivos destinados al caldeamiento previo de este, estos se
construyen según tres estilos generales:
Tipo tubular.
Tipo de placas.
Tipo regenerativo.
En a figura 6 vemos uno tubular. La construcción es de tubos de acero de 3 a 10 m de altura, de 2½
a 3 pulgada de diámetro y con espesor del numero 10 al 14 (de 3,5 a 2 mm), son los más empleados.
Estos tubos se colocan verticalmente y se mandrinan en las placas tubulares superior e inferior.
Para la mejor distribución del aire, se colocan los tubos al tresbolillo, y la anchura del calentador de
aire se hace que corresponda con la del hogar. La separación entre tubos viene a ser igual al
diámetro de los mismos o algo menos. Los gases calientes circulan por el interior de los tubos en
sentido opuesto al del aire. Los paneles, al menos en un lado del calentador, son desmontables de
modo que los tubos queden accesibles y puedan desmontarse. Al igual que en el economizador, si
los humos invierten su recorrido en el fondo del precalentador, se coloca una tolva para hollín en la
parte inferior de la caja. En la figura pueden verse unos tabiques de dirección en los conductos de
aire, que son necesarios en especial en la entrada, porque el aire al doblar un ángulo tiene tendencia
a ir hacia el lado más alejado, y estos tabiques lo distribuyen mejor. El fin de la sección inferior es
el de localizar la corrosión y facilitar la limpieza. Únicamente esta sección inferior va equipada
con sopladores de vapor para el hollín.
Los calentadores de aire de placas se construyen de modo que el aire absorbe el calor de los humos
al ser lanzado a través del calentador a gran velocidad y barriendo una placa cuya cara opuesta es
barrida por los humos. La transmisión, por tanto, se lleva acabo por conducción.- El aire se inyecta
por los pasos entre placas, por la parte superior y llega a la superior con varios cambios de
dirección y atravesando cuatro veces el calentador en dirección perpendicular a la corriente
descendente de humos. Cada par de placas tiene bordes soldados para hermeticidad y son fáciles de
desmontar y limpiar. El barrido de los gases suele hacer innecesarios los sopladores de hollín. Este
tipo de calentador de aire ha sido muy popular, pero hoy se usan cada día más los calentadores
tubulares, probablemente porque son más fáciles de montar y cuestan menos.
Figura 6. Corte de un calentador de dos secciones
Los calentadores de tipo regenerativo se basan en otro principio y tienen distinta forma que los
anteriores. Hay un rotor movido por un pequeño motor de 3 o 4 HP con engranaje de reducción; el
rotor gira a 3 revoluciones por minuto y consume normalmente 1,5 caballos de vapor. Como se ve
en la figura 7, el cojinete superior es de guía y de empuje. El extremo inferior del árbol lleva otro
cojinete de guía; ambos cojinetes son de bolas y sumergidos en aceite. El corte-vista indica un
sector por encima y por debajo del rotor, que es fijo y separa las secciones de humos y de aire. El
rotor lleva varias empaquetaduras radiales que rozan contra las placas de fondo y de techo e
impiden la entrada de los humos en el sector de aire. Estos nuevos cierres han disminuido los
escapes de aire para la misma diferencia de presión entre las cámaras de humos y aire en una mitad,
de modo que en las mismas condiciones de funcionamiento las fugas en este calentador no son
mayores que en los de los tipos tubular y de placas. Los elementos del rotor son planchas con
grandes ondulaciones entre hojas onduladas, siendo perpendiculares ambas ondulaciones. Este tipo
de calentador de aire se construye en la actualidad para instalaciones a muy baja temperatura.
Comprende de 3 a 5 secciones verticales para localizar la corrosión en la sección inferior (gas frío).
Figura 7. Calentador de aire Ljungstrom con soporte central y motor para el rotor
129. Características constructivas y de diseño de los desaireadores usados en las plantas
térmicas. Muestre diagramas.
Para el funcionamiento normal del aparato productor de vapor de la central eléctrica, para disminuir
sustancialmente la corrosión de los materiales estructurales, lo que tiene especial importancia para
las CTE con los esquemas de circuito único, hace falta una desaireación altamente eficaz del agua
en el canal de condensado alimentación de agua. Además de los procedimientos de la desaireación
examinados en los condensadores y de la aspiración a que se somete la mezcla de vapor y aire desde
los calentadores regeneradores, se emplea habitualmente un escalón más de desaireación-
alimentación especial. La destinación de su elemento principal (el desaireador), consiste en eliminar
los gases que se condensan, los cuales, en función del tipo de la CTE, pueden ser CO2, O2,
productos gaseosos de la fisión de combustible nuclear.
Los desaireadores son intercambiadores de calor del tipo mezclador, los cuales sirven
simultáneamente en calidad de uno de los escalones en el calentamiento desde la toma de turbina.
Examinemos la estructura de un desaireador. En el cuerpo del desaireador a diferentes niveles se
ubican las bandejas horizontales 5, 20 y 1. Siendo parcial del condensado principal; que llega a
través de la tubuladura 2, el condensado pasa sucesivamente a través de los orificios en las bandejas
y cae por debajo de la hoja 16. Durante grandes consumos de condensado, su nivel en la bandeja 5
sube y por encima de los bordes del tubo 6 en la sección 7 el condensado cae en la bandeja 20. El
vapor de calentamiento 9 entra en el desaireador a través del racor, pasa por debajo de la hoja 16, a
través de sus orificios, formando por encima de la hoja una capa estable de vapor. El exceso de
vapor de calentamiento a través del tubo 11 se dirige al espacio entre las bateas, separado del vapor
que calienta, mediante el cierre hidráulico 10, baña los chorros corrientes del condensado, se
condensa y los calienta. El vapor que aquí se forma, se evacua a través del racor 4. El agua de
alimentación desaireada se vierte por encima del umbral 17 de la hoja 16 y por el tubo de empalme
(racor) 15 entra en el depósito de acumulación. Para calentar el condensado se emplea el vapor
formado en el CalAP sucesivo (con respecto al agua) que llega a través de la tubuladura 14 hacia la
caja 13. Además, por medio de la tubuladura se suministra adicionalmente el vapor desde los
vástagos de las válvulas de la turbina.
Figura 8. Estructura del desaireador:
1- cuerpo; 2- suministro del condensado principal; 3- suministro del vapor de la tubería de
recirculación de las bombas de alimentación; 4- salida del vapor formado en el desaireador; 5, 18 y
20 - bandejas; 6 - tubo de rebose; 7 - vaciado de éste; 8 - suministro del agua desde las
empaquetaduras de las bombas; 9 - suministro del vapor de calefacción; 10 - cierre hidráulico; 11 y
12 - salida del vapor y del agua sobrantes; 13 - caja; 14 - racor de suministro del vapor formado en
el desaireador; 15 - salida del agua de alimentación; 16 -hoja de burbujeo; 17 - su umbral; 18 -
suministro de vapor de los vástagos de las válvulas.
130. Sistemas de ablandamiento de agua para plantas térmicas. explique sus características
de operación y diagrama.
Los sistemas de ablandamiento de agua son los siguientes:
Ablandamiento de agua por precipitación: fuera de la solución de los compuestos que producen
la dureza del agua, el método más utilizado fue el de ablandamiento a la cal, método seguido por el
sistema de ablandamiento por zeolita. Hoy día este método se denomina método de carbono, a
causa de que el carbonato de calcio precipita fuera del agua.
El proceso de ablandamiento frío por cal y sosa: trata agua bruta con cal, hidróxido de calcio y
sosa o carbonato sódico, para reducir parcialmente la dureza.
El proceso de ablandamiento caliente por cal y sosa: opera a 200 F (100 C) y más, utiliza vapor
como fuente térmica. El calor produce una reacción química más rápida.
El proceso de ablandamiento por zeolita: usa una sustancia de tipo arenoso que puede ser de
origen natural o sintético. Esta sustancia se dispone en el interior de un dispositivo como si fuera
lecho filtrante. La zeolita tiene la propiedad de intercambio básico. Cuando el agua dura pasa a
través de un lecho de zeolita, los compuestos cálcicos y de magnesio pasan a la zeolita y son
sustituidos por el sodio de la zeolita. El bicarbonato cálcico se convierte en bicarbonato de sodio y
el sulfato de magnesio se convierte en sulfato de sodio. Estos compuestos sódicos no forman
incrustaciones; de este modo el intercambio iónico ablanda el agua al liberarla de sus compuestos
duros.
Intercambio iónico: utiliza intercambiadores iónicos nuevos y más versátiles en el tratamiento de
agua. Está basado en el principio de que las impurezas que se disuelven en el agua se disocian en
partículas cargadas positiva y negativamente, conocidas como iones. Estos compuestos o
impurezas se denominan electrolitos, los iones positivos se denominan cationes y los negativos
aniones, los cationes emigran al electrodo negativo y los aniones al electrodo positivo.
Figura 9. Tipos de ablandadores de agua. a) Ablandador común frío por cal; b) Ablandador calienta
por cal.
131. Sistemas desmineralización de agua para plantas térmicas de alta presión. Explique sus
características de operación.
Los sistemas más utilizados para obtener agua en condiciones adecuadas para la alimentación de las
calderas son:
- Tratamiento por procedimiento químico.
- Tratamiento por procedimiento térmico.
- Desmineralización por membrana eléctrica.
-
Tratamiento por procedimiento químico. Consiste en añadir al agua que se trata, determinadas
sustancias que produzcan la precipitación de las materias incrustantes, los procedimientos más
utilizados son:
Proceso de la cal-sosa: consiste en añadir cal (hidróxido de calcio) para eliminar la dureza
temporal (retirar carbonos de magnesio y calcio), y sosa (carbonato sódico), para la
eliminación de la dureza permanente (sulfatos, cloruros y nitratos), pudiéndose separar
posteriormente los compuestos que se forman por filtración.
Proceso de la permutita (silicatos hidratados de aluminio y sodio): consiste en absorber el
calcio y el magnesio de las aguas, permutándolas con el aluminio y el sodio. Con este
sistema no se forman precipitados y cuando la permutita se vuelve inerte, puede generarse
mediante un lavado de salmuera (cloruro sódico) que restituye el sodio de la permutita.
En otros casos se utilizan permutitas artificiales (egolitas) las cuales soportan altas temperaturas y
la acción de los ácidos, el agua entra por un distribuidor de tubos en la parte alta, fluye en forma
descendente a través de un lecho de zeolita y partículas de cuarzo, que separa las materias en
suspensión y se extrae por el haz de tubos de la parte inferior. Para la generación se lava
previamente, luego se inyecta a la salmuera para regenerar el sodio perdido y por ultimo se enjuaga
para quitar el exceso de sal; todo esto se controla por medio de una sola llave de varios pasos
Tratamiento por procesos térmicos: Este procedimiento consiste en destilar el agua en
vaporizadores y así obtener agua casi pura.
Desmineralización por membrana eléctrica: Consiste en retirar aniones y cationes de minerales
disueltos en el agua, a través de láminas delgadas (cambiadores de iones) que se ubican entre placas
eléctricas y que reducen el nivel de sales. Cada una de estas láminas deja pasar solo un tipo de
carga de estos iones y entre ellas existen acumuladores que recogen el agua y se retira por el
cabezal.
132. Circuito de vapor para calderas acuotubulares de petróleo de plantas térmicas de alta
presión. Explique sus características mediante diagramas.
S es el recalentador por radiación que envuelve el hogar; C es un recalentador por convección; D es
un calderín situado en un punto conveniente fuera del hogar; la bomba de alimentación está
representada en P; el economizador en E y el calentador de aire en A.
Se usa una bomba de circulación de vapor para extraerlo del calderín y lanzarlo a través de los
recalentadores de radiación y de convección, montados en serie, hasta los puntos J y K, tras los
cuales una parte del vapor se destina al consumo y el resto se devuelve al calderín. El vapor
recalentado que ha pasado por J y K vuelve al calderín, Cede su recalentamiento y produce una
cantidad adicional de vapor saturado. El agua de alimentación es introducida por la bomba, pasando
previamente por el economizador y luego entra en la línea de vapor donde tiene lugar alguna
evaporación; entonces la mezcla de vapor y agua entra en el calderín por encima del nivel de agua
del mismo. Tan sólo una pequeña parte del vapor procedente del recalentado por convección pasa a
la corriente principal de vapor de consumo, volviendo el restante al calderín.
En estas calderas de alta presión, el vapor se genera en recipientes no expuestos directamente al
calor del hogar, conteniendo los tubos sólo vapor denso y seco.
133. Muestre un diagrama y explique las características de un sistema de recuperación de
condensado para una planta térmica.
En las plantas térmicas es de mucha importancia la recuperación del condensado, para luego
recircular el agua con ayuda de una bomba. En las centrales termoeléctricas, en la mayoría de las
veces se utiliza el sistema de suministro de agua por recirculación, a causa del gran agotamiento de
los recursos ácueos de toda una serie de países, y también por las condiciones que se plantean de
protegerla naturaleza. En las centrales eléctricas con instalaciones de condensación, se utilizan cada
vez mas los sistemas de recirculación con refrigerantes artificiales. Para este caso es de mucha
importancia el uso de los condensadores de vapor y el uso de las torres de enfriamiento, también
hay que pensar en un deposito para almacenar el agua recuperada. A continuación veamos los
diferentes tipos de condensadores existentes.
Figura 10. Esquema de principio de una instalación de condensación.
1. Turbina de vapor 2. Condensador
3. Bomba de circulación 4. Bomba de condensado
5. eyector de aire
En las instalaciones de turbinas de vapor se emplean los siguientes tipos de condensadores:
Condensador de superficies acuosas: Su principal ventaja consiste en la conservación del
condensado para la alimentación de las calderas. Están formados por un recipiente de forma
comúnmente cilíndrica, dentro del cual están localizados los tubos condensadores.
Condensadores aéreos: En ellos el condensado también se conserva, pero son más
voluminosos, pues tienen coeficiente de traspaso de calor menores desde la superficie de
enfriamiento hacia el aire. El campo de empleo de estos condensadores es muy limitado. Se
emplean en regiones donde no hay fuentes de aprovisionamiento del agua.
Condensadores mezcladores: Debido a la perdida de condensado con el agua de enfriamiento
no se emplean en instalaciones modernas. La ventaja de ellos, consiste en obtener un vacío más
profundo para una temperatura dada de agua de enfriamiento. El vapor de desecho de loa
turbina ingresa al condensador contactando directamente con el agua de enfriamiento.
De acuerdo con la construcción del condensador también podemos distinguir varios tipos.
De acuerdo con el uso del agua de circulación:
Los condensadores suelen ser de una, de dos, de tres, y de cuatro vías (pasos corrientes. En los
condensadores de dos vías el torrente de agua de circulación cambia el sentido en 180º en una de las
cámaras acuosas.
De acuerdo con la ubicación de sus tabiques:
Los condensadores se ejecutan dobles y sencillos. Los condensadores dobles además de tabiques
horizontales en las cámaras acuosas tienen también tabiques verticales, dividiendo así el flujo de
enfriamiento en dos tubos paralelos autónomos. La ventaja de los condensadores dobles consiste en
la posibilidad de limpiarlos durante el funcionamiento de la turbina.
De acuerdo con el curso del vapor y con la succión del aire:
Los hay de flujo central de vapor. En el condensador con flujo ascendente y de flujo central de
vapor. En el condensador con flujo ascendente del vapor, el vapor de desecho de la turbina se
dirige a su parte inferior. La succión del aire se da en la parte superior. En el condensador con flujo
central de vapor, la succión de la mezcla vapor-aire se efectúa a través de un tubo instalado en la
parte central a lo largo del condensador.
134. Características fundamentales de las trampas de vapor. Esquemas
Generalmente se utilizan seis tipos de trampas de vapor esta se instalan:
Antes de los motores primarios.
En las vueltas ascendentes o en los cabezales verticales de las líneas de vapor.
En los extremos de los tendidos de líneas.
En donde quiera que se necesite drenaje.
En la descarga del extremo de retorno de los intercambiadores.
Trampa de vapor de flotador: (Figura 11) Un flotador metálico va unida a una válvula. Cuando el
flotador sube, la válvula se abre para descargar el condensado. Cuando el flotador baja, la válvula se
cierra. A veces debe abrirse la válvula que ésta en la parte superior para sacar el aire. Para hacer
esta válvula completamente automática, se agrega una trampa termostática en la salida para ventilar
el aire. Tales válvulas se llaman "de flotador" y "termostáticas".
Figura 11. La trampa de vapor de flotador hace salir el aire, admite sólo retorno de condensado.
Trampa termostática: Un fuelle metálico se llena con un líquido volátil. Cuando el vapor calienta
el fuelle, el líquido se expande, la cual hace que la válvula se asiente. La presencia del condensado
más frío ocasiona que el fuelle se contraiga y se abra la válvula, lo que permite un ligero vacío en
los fuelles. Esto hace que la presión atmosférica comprima más el fuelle (Figura 12).
Figura 12. La trampa termostática tiene un fuelle lleno de un líquido volátil.
Trampa de oscilación: una trampa de oscilación tiene dos válvulas. La contigua a la atmósfera
permite que la trampa se llene. Cuando el cuerpo está lleno, la gravedad inclina la trampa y cierra la
ventila. La válvula de vapor abre y la presión interior de la trampa se iguala con la presión de la
caldera. La gravedad permite que el condensado fluya hacia la caldera. Estas trampas normalmente
reciben condensado de una o más trampas de flotador o termostáticas. Las trampas de oscilación o
basculantes deben montarse a mayor altura que la línea del nivel de agua de la caldera. Algunas han
sido diseñadas para accionar un inyector y se usan para calderas alimentadoras.
Trampas del tipo de cuchara vertical: (Figura 13) En este caso se usa una cuchara vertical en
lugar del flotador. Cuando la trampa está llena de aire, la cuchara se encuentra abajo y la válvula
está abierta, lo que permite que el aire escape en el primer arranque. El flujo entrante de condensado
llena parcialmente el cuerpo y va llenando la cuchara, con ello la hunde y abre la válvula. Cuando
entra el vapor, el condensado es forzado hacia arriba a través del tubo y hacia fuera a través de la
válvula, hasta que la cuchara se vacía y sube, lo cual hace que la válvula se cierre. Después de eso,
la válvula no soltaría aire a no ser que esté equipada con una ventila para aire, como se muestra, o
con una ventila termostática de aire que trabaje automáticamente.
Figura 13. La trampa de cuchara hacia arriba tiene una ventila de aire dentro del tubo de descarga.
Trampa de cuchara invertida: (Figura 14) Una cuchara invertida va unida a una válvula de
descarga en la parte superior del cuerpo de la trampa. Una pequeña ventila de aire está en la parte
superior de la cuchara. Una mezcla entrante de agua, vapor y aire es separada. El aire entra a la
cuchara, se fuga por la ventila y se junta en la parte superior de la trampa. El condensado sella la
cuchara, que cuando está llena de vapor sube y cierra la válvula para repetir el ciclo. Si se necesita
una mayor descarga de aire, se usa una ventila termostática en la parte superior de la trampa para
que pase el aire y se selle contra el vapor.
Figura 14. La trampa de cuchara invertida hace salir el aire cada vez que la válvula se abre.
Trampa de impulso: (Figura 15) Dos orificios en una válvula hueca están balanceados por la
presión que hay en un cilindro superior. Esta presión está controlada por un poco de condensado
que pasa a través de los orificios en tándem. Un cambio en la temperatura del condensado, lo que
acciona la válvula para que se abra.
Figura 15. La trampa de impulso es simple y compacta; tiene sólo una parte móvil.
135. Esquema de arranque para una caldera acuotubular de una planta térmica. Explicar
además la curva de arranque de la caldera considerando que la misma tiene una presión de 68
bar.
El encendido de una caldera es una operación de gran importancia y repercusión para su
explotación segura y propagada; durante el mismo los diferentes elementos sufrirán un proceso de
calentamiento, el cual, de no ser bien controlado, podrá provocar tensiones adicionales que
producen roturas.
Figura 16. Principales elementos que intervienen en el encendido de una caldera.
Figura 17. Curva de encendido de una caldera.
Los elementos que tienen mayor peligro durante el
encendido son los metálicos, especialmente el domo, los colectores y las tuberías de vapor de gran
espesor. El peligro radica en que si el calentamiento es muy brusco, producto de los espesores de
estos elementos, se provocan diferencias de temperatura en sus superficies exterior e interior, que
crean tensiones adicionales, que se suman a las producidas por la presión interior que están
sometidos y pueden sobrepasar la resistencia del material y hacerlo fallar. La velocidad de
crecimiento de la temperatura en las partes metálicas está determinada por la velocidad de
incremento de la presión durante el arranque; por ello los fabricantes para cada caldera estipulan
como una norma la razón de incremento de la presión.
La duración del encendido de una caldera depende de su potencia, pero por lo general demora entre
2 y 5 horas. Los pasos que se deben dar para el encendido de una caldera colocada en un sistema
centralizado son:
1. Se abren las válvulas de drenaje 1 y 2 con el fin de permitir cierta limpieza y la salida de
cualquier agua acumulada.
2. Se abren las válvulas de purga de aire 3 y 4; la primera colocada en el domo y la segunda a
la salida del sobrecalentador.
3. Se chequea que estén bien cerradas las válvulas de incomunicación 5 y6.
4. Se abre la válvula 7 de la línea de agua de alimentación y comienza a llenarse la caldera.
Se recomienda que el agua este a 60° – 80°C. Una vez que ha salido cierta cantidad de
agua se cierran las válvulas 1 de drenaje y la caldera se llena hasta que alcanza un nivel
ligeramente inferior al normal de operación, ya que cuando comience la ebullición se
incrementará por el volumen que desplacen las burbujas de vapor.
5. Se ponen en funcionamiento los ventiladores de tiro inducido o de tiro natural, para realizar
una limpieza del conducto de gases y evitar que puedan quedar acumulado gases que
provoquen una explosión cuando se enciendan los quemadores.
6. Se encienden el primer quemador, se conecta el tiro forzado, y comienza el calentamiento;
deberá hacerse por la carta de régimen, lo que poseerá la curva de presión contra tiempo
que deberá seguirse. El incremento de la presión se deberá controlar mediante el consumo
de combustible.
7. Cuando por la válvula de purga de aire 3 comience a salir vapor se espera un cierto tiempo
para garantizar que en el domo no queden aire y se cerrará.
8. Se continúa el incremento de la presión, y por lo tanto de la temperatura de los diferentes
elementos y se expulsa vapor por la válvula de drenaje de aire 4 a la salida del
sobrecalentador. El primer vapor que pasa por el sobrecalentador ayuda a evaporar el
condensado que haya podido quedar en él y posteriormente inicia su calentamiento
progresivo.
9. Durante el encendido debe realizarse en dos o tres ocasiones extracciones por las válvulas
de drenaje 1; esto para la necesaria uniformidad del calentamiento.
10. A una presión aproximada de 5 átm. se abre ligeramente la válvula 5 y se permite que el
vapor escape por la 2, con el objetivo de calentar la línea de suministro al cabezal.
11. A una presión ligeramente inferior a la del cabezal se abren completamente las válvulas 5 y
6 y se cierran las 4 y 2, lo que deja interconectada la caldera. Esta operación se hace a una
presión menor para evitar que si la caldera se interconecta a una presión superior que la que
tiene el cabezal, su presión podría caer bruscamente y producirse una intensificación de la
evaporación producto de su capacidad acumuladora y verse afectado su régimen de
circulación. Se recomienda que la presión de la caldera sea de 1 a 2 átm. menor que la del
cabezal.
12. Conectada ya la caldera al cabezal se incrementará el combustible según la carga que deba
tomar para satisfacer la demanda de los consumidores.
136.- Se tiene una planta térmica con una caldera acuotubular de presión alta. Explique las
características constructivas de los sopladores de hollín y su esquema de operación.
La eliminación de la ceniza de las superficies de transferencia durante la operación del generador de
vapor se realiza fundamentalmente mediante equipos conocidos con el nombre de sopladores.
En este caso la limpieza se efectúa a partir de chorros de vapor, aire o agua, que se suministran
periódicamente mediante toberas. Los sopladores que se utilizan tanto para las superficies
convectivas como radiantes son muy semejantes. El eje del aparato es accionado por un motor
eléctrico a través de un reductor y mediante una guía y una leva recibe un movimiento de avance de
manera que la boquilla, que posee dos toberas diametrales, se utiliza en el horno. Cuando el
movimiento de avance termina, el eje comienza a girar y la leva presiona el vástago de la válvula de
vapor, comenzando el suministro a las toberas, que trazan un círculo con los chorros. La limpieza
efectiva en un diámetro de 2 a 2.5 m, durando el proceso de 0,5 a 1,0 minutos, pasado lo cual se
cierra la válvula y la boquilla retorna a su posición inicial mediante el giro inverso del eje. De esta
forma se protege el soplador de la posibilidad de un recalentamiento. Los sopladores trabajan con
vapor saturado sobrecalentado, con temperaturas de hasta 400oC y presiones de 10 a 15 atmósferas.
El gasto de vapor requerido es de 4 a 6 T/h.
Los sopladores para las superficies convectivas son muy parecidos al anterior, pero en este caso el
tubo de soplado se encuentra situado permanentemente en el conducto, recibiendo sólo un
movimiento giratorio. Esto es posible porque se instalan en zonas donde la temperatura es inferior
a 75oC. El tubo posee dos filas de toberas, a una distancia una de otra de acuerdo al paso de los
tubos de la superficie de transferencia. Al girar el tubo de soplado, los chorros trazan un cilindro
que en un radio de un metro logran una limpieza efectiva.
138. Se tiene una central termoeléctrica con una caldera acuotubular que opera a una presión
de 90 kg/cm2. Explique las características constructivas y operacionales de los calentadores de
aire.
Un gran paso fue la aparición de la caldera acuotubular horizontal de secciones (figura 18) que
propició la creación de unidades de caldera de dimensiones relativamente pequeñas, con potencias
de vaporización en amplios límites, y que solucionó en principio el problema del paso a presión más
elevada del vapor. Un elemento de diseño que distingue a estas calderas son las cajas (secciones)
de acero estampadas, que tienen resistencia suficiente para el funcionamiento a elevadas presiones
hasta 100 kg-f/cm2.
Figura 18. Caldera acuotubular horizontal de secciones.
Los calentadores regeneradores se suministran en conjunto con las turbinas; no se prevén
calentadores de reserva. Los calentadores se eligen según el paso de condensado principal o de
agua de alimentación a través de ellos. Cuando el consumo de agua calentada es grande se instalan
dos o tres hilos paralelos de calentadores regeneradores.
Para el tipo de central mencionada se utilizan calentadores de tipo regenerativo. En la figura 19 se
aprecia el corte de un calentador regenerativo. Hay un rotor movido por un pequeño motor de 3 o 4
hp con engranaje de reducción, el rotor gira a 3 rpm y consume normalmente 1.5 cv. Como se
aprecia, el cojinete superior es de guía y empuje. El extremo inferior del árbol lleva otro cojinete de
guía; ambos cojinetes son de bolas y sumergidos en aceite. En el corte-vista se indica un sector por
encima y otro por debajo del rotor, que es fijo y separa las secciones de humos y de aires. El rotor
lleva varias empaquetaduras radiales que rozan contra las placas de fondo y de techo e impiden la
entrada de los humos en sector de aires.
Figura 19. Calentador de aire Ljungstrom con soporte central y motor para el rotor
Estos nuevos cierres han disminuido los escapes de aire para la misma diferencia de presión entre
las cámaras de humo y aire en una mitad, de modo que en las mismas condiciones de
funcionamiento las fugas en este calentador no son mayores que en los de los tipos tubular y de
placa. Los elementos del rotor son planchas con grandes ondulaciones entre ondas onduladas,
siendo perpendiculares ambas ondulaciones. Este tipo de calentador de aire se construye en la
actualidad para instalaciones en muy bajas temperaturas.
En funcionamiento normal el humo del hogar asciende a través de la parte del rotor a él destinada y
calienta las planchas. Al girar el rotor esta sección pasa ala zona de aire y entrega el calor
almacenado al aire que hace de refrigerante. Una comparación a bulto indicaría que un palmo d e
altura en el calentador regenerativo equivale a 12 palmos en cualquier otro calentador.
En grandes espacios, donde este es un factor de importancia, se prefiere el calentador regenerativo.
Puesto que los elementos del rotor son calentados y enfriados continuamente. Se puede trabajar con
una temperatura de 540ºC mientras que en otros, el límite es de 430ºC a 450ºC.
139. Explique el sistema de purgas de una caldea de alta presión para una planta térmica.
¿Cómo se mantiene el régimen de control químico del agua en el domo?
El sistema de purgas de una caldera de alta presión esta constituido por una purga de fondo que
retira los precipitados que se aglutinan y caen al fondo en la región mas fría de la caldera y así
evitar que se adhieran a la superficie de la caldera; y por una purga continua o intermitente que
retira los precipitados que se mantienen en suspensión, si el vapor que abandona a la caldera es
duro, todos los sólidos disueltos o suspendidos en el agua mas las sustancias químicas agregadas en
el tratamiento térmico interno se acumularan, y gradualmente se concentrarán, por lo tanto el
número de purgas debe ser lo suficiente y forzosamente debe estar en la parte de mayor
concentración, con el objetivo de evitar pérdidas de calor por purga. Es usual y de muy buena
práctica instalar línea de purga continua en el domo superior donde se libera el vapor.
Las válvulas de purga deben estar una tras otra y se recomienda que la válvula que se encuentra
hacia el exterior, sea la que se use para estrangular y regular el flujo; y la que esta cerca al domo sea
la de abrir y cerrar, para así reparar la válvula de estrangulación las veces que sea necesario.
El régimen de control químico del agua en el domo debe proteger la corrosión de la caldera en su
parte interior y evitar la cristalización del metal, debido que a medida que se incrementa la presión,
el nivel de operación es más peligroso, por lo que es mejor controlar las impurezas que eliminarlas
por purga.
141. Dificultades operacionales de los sistemas de condensados. Cuidados que deben
observarse en su operación.
En toda instalación comercial donde un condensador de superficie sirva a un turboalimentador,
encontramos los fenómenos de la diferencia de temperatura, variación del vacío en función de la
estación del año y baja temperatura en el pozo de condensado.
En grandes instalaciones condensadoras, la elevación de temperatura del agua puede ser tan
pequeña como de 3 a 9 C con un salto térmico de 6 a 11 C entre el condensado y el agua de
salida. Además habrá una pequeña caída de temperatura entre la del vapor de escape que entra
en el condensador y la del pozo de condensado.
Teniendo en cuenta que muchas centrales térmicas que usan condensadores toman su agua de
circulación de ríos o lagos cuyas temperaturas fluctúan según las estaciones del año, es evidente
que el vacío que se obtiene también variará siendo máximo con el agua más fría.
Es aconsejable separar del agua de alimentación las impurezas que luego pudieran atascar los
tubos del condensador.
Se usan bombas verticales y horizontales indistintamente. La bomba de corriente axial es una
última adaptación que permite colocarla a la vista del personal de servicio, pueden usarse tubos
de acero de fundición o túneles de hormigón para las canalizaciones de toma y descarga, según
las condiciones locales.
BIBLIOGRAFÍA
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CENTRALES ELECTRICAS. ENCICLOPEDIA CEAC DE ELECTRICIDAD. Dr. José
Ramírez Vásquez. Ediciones CEAC. Perú.
CENTRALES TERMOELECTRICAS. V. Ya. Rizhkin. Primera y Segunda parte. Editorial Mir
Moscú. 1979.
INSTALACIONES TERMOENERGETICAS DE LAS CENTRALES ELECTRICAS. D. P.
Elizarov.
CURSO GENERAL DE CENTRALES ELECTRICAS. Conferencias Ing. Iván Caneva Rincón
TERMOTECNIA pvT. Conferencias. Ing. Iván Caneva Rincón. Barranquilla, 1996.
CUESTIONARIO FINAL DE PLANTAS TERMICAS
Elaborado por:
JORGE TORRES MENDOZA
Código Estudiantil: 702032031
Presentado al profesor del área de Plantas Térmicas:
Ing. IVÁN CANEVA RINCON
UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BARRANQUILLA – COLOMBIA
2008