Universidad Tecnológica de Panamá

Facultad de Ingeniería Mecánica

Licenciatura de Ingeniería Naval

Termodinámica II

“Introducción a Termoeléctricas”

Profesor encargado: Jhanif Kara

Elaborado por: Rita Morice 8-866-2478

Grupo: 1NI-131

Panamá, 26 de Septiembre, 2014

Preguntas

Diferencias entre las Energías renovables y energías no renovablesLas energías renovables son todas aquellas energías que provienen de suministros naturales que no contribuyen con la contaminación ambiental y son repuestos fácilmente. Entre los más destacados puedo mencionar energía solar, eólica, geotérmica y marina. Por otro lado está la energía no renovable al igual que la renovable esta proviene de recursos naturales con la diferencia que no son repuestos fácilmente, por lo general demora miles o millones de años en volver reponerse. El impacto ambiental que tienen estas energías con el medio ambiente, son la mayor razón de la contaminación ambiental. Entre los más destacados puedo mencionar energía producida por el petróleo, gases naturales y diesel. A pesar de que ambas provengan de la naturaleza su diferencia es notable. Algunas diferencias pueden ser:

- La energía renovable es fácil de generarse ya que puede venir de fuentes como el solo o el viento pero la transformación o el transporte de las mismas es un poco complejo y expenso. A diferencia de esto la energía no renovable viene de fuentes que no son fáciles de encontrar, pero una vez esta se obtenga la transformación y el transporte es sencillo y no representa un alto costo.

- A medida de que los años pasan el efecto invernadero ha ido aumentando, y uno de los grandes culpables de esto es la energía no renovable debido a los gases que emiten. La energía renovable es una energía que no afecta al medio ambiente.

- La energía más utilizada a nivel mundial es la energía no renovable, se debe a que la producción de energía se da a gran cantidad. Esta podría ser la mayor desventaja que tiene la energía renovable con la no renovable, porque la energía renovable no produce gran densidad de energía.

- La energía renovable se puede usar todos los días sin el miedo de que se pueda acabar muy al contrario de la energía no renovable.

Diferencias entre las Energías convencionales y energías no convencionalesLas energías convencionales en una forma técnica son todas aquellas energías tradicionales que se comercializa entrando a formar parte del cómputo del producto interno bruto. En otras palabras las energías más utilizadas a nivel mundial. Se tiende a confundir la energía convencional con la energía no renovable, pero no son lo mismo. Energías como el petróleo, carbón, gas, combustibles fósiles y agua. Todas con excepción del agua son contaminantes ambientales. Hay energías que no tienen un uso tan común que actualmente según revistas ambientales podrían llegar a hacer tan solo un 20% de la energía que se produce, estas son las energías no convencionales. Se puede definir a la energía no convencional como la energía en proceso de desarrollo y cuyo uso masivo aún es limitado debido a los costos para su producción y su difícil forma para captarlas y transfórmalas a energía eléctrica. Al igual que la energía convencional tienden a confundirla, pero se confunde con la energía renovable. Es cierto que la mayoría de las formas de energía que constituyen esta clase de energía son fuentes renovables hay otras que no son renovables como la

energía nuclear y la energía química. La mayor diferencia entre ambas es que una daña potencialmente al ambiente (convencional) mientras la otra es menos dañina al medio ambiente (no convencional).Diferencias entre las Energías limpias y energías contaminantesDentro de la energía renovable, no renovable, convencionales y no convencionales se puede seguir clasificando las energías como limpias o contaminantes. No necesariamente las energías renovables son energías limpias, ni las no renovables contaminantes. El gas natural pertenece a la energía no renovable y dentro de esta categoría entraría como energía limpia. Se puede definir como energía limpia a toda aquella que no genera residuos que dañen al medio ambiente. Y se puede definir a la energía contaminante como toda aquella energía que para poder generarse deja residuos de contaminantes. Lamentablemente la mayoría de la energía utilizada es contaminante.

Es fácil establecer diferencia entre estas energías, algunas de ellas son:

- La energía limpia no deja residuos contaminante.- La energía limpia es más difícil de extraer que la energía contaminante. - La energía contaminante es más económica que la limpia.

¿Qué es una central termoeléctrica? Una central termoeléctrica utiliza energía que se libera en forma de calor, se genera por medio de la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón, con el objetivo de producir energía eléctrica. Se puede dar la generación de energía eléctrica ya sea por medio de plantas convencionales o no convencionales.

¿Cuáles son las centrales térmicas convencionales y no convencionales?Una central térmica puede llegar a confundirse con una planta termoeléctrica ambas usan el calor para producir energía la diferencia es que la central térmica no está hecha para producir energía eléctrica. Las centrales térmicas se pueden dividir en dos clases:

- Convencionales: utilizan combustibles o carbón para quemarlos en una caldera y así producir el calor necesario para calentar el agua y que esta se pueda convertir en vapor. Se utiliza una turbina de vapor de agua que produce potencia. Otro tipo de central convencional es aquella que utiliza derivado del petróleo y gas para accionar un cigüeñal que hace girar el rotor de un generador produciendo así energía eléctrica.

- No convencionales: se refiere a ciclos combinando como el de los ciclos termodinámicos

Brayton y Rankine simple que combinan la turbina de vapor con la turbina de gas.

Explique la diferencia entre una central termoeléctrica convencional y una no convencional.Convencional: utilizan carbón, madera o fuel oil como combustible. Las turbinas de vapor son utilizadas para accionar un generador que genera electricidad. Tiene una eficiencia de un 37%

No convencionales: usan el gas natural como combustible. Utilizan un ciclo combinado que involucra una turbina de vapor y una de gas, también llamado ciclos combinados. Tienen una mayor eficiencia. Mencione y describa los componentes principales de una central térmica convencional

1. Torre de refrigeración: son estructuras para refrigerar agua y otros medios a temperaturas muy altas. El uso principal de grandes torres de refrigeración industriales es el de rebajar la temperatura del agua de refrigeración utilizada en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales.

2. Bomba hidráulica: es una máquina generadora que transforma la energía mecánica con la que es accionada en energía del fluido incompresible.

3. Línea de transmisión: es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a través de grandes distancias la energía eléctrica generada en las centrales eléctricas.

4. Transformador: dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia

5. Generador eléctrico: es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos transformando la energía mecánica en eléctrica.

6. Turbina de vapor baja presión: es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético.

7. Bomba de condensación: una máquina que transfiere energía térmica desde una fuente fría a otra más caliente.

8. Condensador: Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor en vapor en estado líquido, también conocido como fase de transición.

9. Turbina de media presión: es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete

10. Válvula de control de gases: controla la presión de entrada de gases, debido a que las válvulas reducen las presiones.

11. Turbina de vapor de alta presión: es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético.

12. Desgasificador: en una caldera se refiere al tanque desaireador de alimentación de esta. Este tanque tiene 3 funciones principales en una caldera: extraer el oxígeno disuelto, calentar el agua de alimentación, almacenar agua de alimentación.

13. Calentador: es un dispositivo termodinámico que utiliza energía para elevar la temperatura del agua.

14. Cinta transportadora de carbón: es un sistema de transporte continuo formado básicamente por una banda continua que se mueve entre dos tambores.

15. Tolva de carbón: a un dispositivo similar a un embudo de gran tamaño destinado al depósito y canalización de materiales granulares o pulverizados, entre otros. En ocasiones, se monta sobre un chasis que permite el transporte.

16. Pulverizador de carbón: es un recipiente donde se almacena un líquido, que tiene un dispositivo en la parte superior que permite expulsar ese líquido en forma vaporizada

17. Tambor de vapor: El tambor de vapor es la interface primaria entre el agua y el vapor.18. Tolva de cenizas: a un dispositivo similar a un embudo de gran tamaño destinado al

depósito y canalización de materiales granulares o pulverizados, entre otros. En ocasiones, se monta sobre un chasis que permite el transporte.

19. Supercalentador: es un dispositivo que se encuentra en un motor a vapor que calienta el vapor generado por la caldera nuevamente, incrementando su energía térmica y haciendo decrecer la posibilidad de condensación dentro del motor.

20. Ventilador: es una máquina de fluido, más exactamente, una máquina neumática, concebida para producir una corriente de aire.

21. Recalentador: es un dispositivo instalado en una caldera que recibe vapor súper calentado que ha sido parcialmente expandido a través de la turbina. La función del recalentador en la caldera es la de volver a súper calentar este vapor a una temperatura deseada.

22. Toma de aire de combustión: absorbe los aires producidos por la combustión. 23. Economizador: es un dispositivo mecánico de transferencia de calor que calienta un fluido

hasta su punto de ebullición, sin pasar de él. Hacen uso de la entalpía en fluidos que no están lo suficientemente calientes como para ser usados en una caldera, recuperando la potencia que de otra forma se perdería, y mejorando el rendimiento del ciclo de vapor.

24. Precalentador de aire: son unidades que transportan calor desde los productos de combustión hacia el empleado como comburente.

25. Precipitador electrostático: son dispositivos que se utilizan para atrapar partículas mediante su ionización, atrayéndolas por una carga electrostática inducida. Se emplean para reducir la contaminación atmosférica producida por humos y otros desechos industriales gaseosos, especialmente en las fábricas que funcionan con combustibles fósiles.

26. Ventilador de tiro inducido: es una máquina de fluido, más exactamente, una máquina neumática, concebida para producir una corriente de aire.

27. Chimenea: es un sistema usado para evacuar gases calientes y humo de calderas, calentadores, estufas, hornos, fogones u hogares a la atmósfera.

Mediante un diagrama explique el funcionamiento básico de una central térmica.

El carbón almacenado en el parque (1) cerca de la central es conducido mediante una cinta transportadora hacia una tolva (2) que alimenta al molino (3). Aquí el carbón es pulverizado finamente para aumentar la superficie de combustión y así mejorar la eficiencia de su combustión. Una vez pulverizado, el carbón se inyecta en la caldera (4), mezclado con aire caliente para su combustión.

La caldera está formada por numerosos tubos por donde circula agua, que es convertida en vapor a alta temperatura. Los residuos sólidos de esta combustión caen al cenicero (5) para ser posteriormente transportados a un vertedero. Las partículas finas y los humos se hacen pasar por los precipitadores (6) y los equipos de desulfuración (7), con el objeto de retener un elevado porcentaje de los contaminantes que en caso contrario llegarían a la atmósfera a través de la chimenea (8).

El vapor de agua generado en la caldera acciona los álabes de las turbinas de vapor (9), haciendo girar el eje de estas turbinas que se mueve solidariamente con el rotor del generador eléctrico (12).En el generador, la energía mecánica rotatoria es convertida en electricidad de media tensión y alta intensidad. Con el objetivo de disminuir las pérdidas del transporte a los puntos de consumo, la tensión de la electricidad generada es elevada en un transformador (13), antes de ser enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta tensión (14).

Después de accionar las turbinas, el vapor de agua se convierte en líquido en el condensador (10). El agua que refrigera el condensador proviene de un río o del mar, y puede operar en circuito cerrado, es decir, transfiriendo el calor extraído del condensador a la atmósfera mediante torres de refrigeración (11) o, en circuito abierto, descargando dicho calor directamente a su origen.

Investigue y explique los métodos para mejorar la eficiencia de una central térmica (utilizar formulación matemática).

Investigue sobre los impactos medioambientales de las centrales térmicas convencionales y no convencionales.ConvencionalesLa incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce de dos maneras básicas:

- Emisión de residuos a la atmósferaEste tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que utilizan las centrales térmicas convencionales para funcionar y producir electricidad. Esta combustión genera partículas que van a parar a la atmósfera, pudiendo perjudicar el entorno del planeta. Por eso, las centrales térmicas convencionales disponen de chimeneas de gran altura que dispersan estas partículas y reducen, localmente, su influencia negativa en el aire. Además, las centrales termoeléctricas disponen de filtros de partículas que retienen una gran parte de estas, evitando que salgan al exterior.

- Transferencia térmicaAlgunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar el calentamiento de las aguas del río o del mar. Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas de refrigeración, cuya tarea principal es enfriar el agua a temperaturas parecidas a las normales para el medio ambiente y así evitar su calentamiento.

No convencionales:

Se reducen considerablemente las emisiones debido a la mayor eficiencia energética del ciclo. El gas natural es un combustible más limpio que el carbón o el petróleo y sus derivados. Al utilizar gas natural, se emiten menos gases contaminantes a la atmósfera: se reducen los niveles de CO2 y NOx (un 50% menos y 10 veces menos, respectivamente, con relación a las centrales térmicas convencionales). También se reduce considerablemente el nivel de ruido. Además, las Centrales de Ciclo Combinado sólo requieren, para la condensación del vapor, un tercio del agua necesaria en las centrales térmicas convencionales.

Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más eficientes que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía eléctrica generada La eficiencia energética se sitúa en torno a un 56%. La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 37 por ciento normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año.

¿Hay centrales térmicas que no contaminen?

Puedo mencionar 3 centrales térmicas no contaminantes:

1- Solar: aprovecha la energía solar como fuente de calor2- Central de biomasa: biomasa es un combustible ecológico renovable puede estar hecho de

madera, bagazo, caña o biogás.

3- Nuclear: utiliza átomos de uranio para liberar una gran cantidad de energía y operar el ciclo de vapor de agua.

¿Piensas que las centrales que no usan calor producen algún tipo de contaminación?Opino que no, debido a que utilizan energías limpias como lo es el agua, viento, sol, mar entre otros.Luego de haber investigado sobre centrales no convencionales, explicar el funcionamiento de cada una de estas, ilustre e identifique sus componentes.

La turbina de gas consta de un compresor de aire, una cámara de combustión y la cámara de expansión. El compresor comprime el aire a alta presión para mezclarlo posteriormente en la cámara de combustión con el gas. En esta cámara se produce la combustión del combustible en unas condiciones de temperatura y presión que permiten mejorar el rendimiento del proceso, con el menor impacto ambiental posible.

A continuación, los gases de combustión se conducen hasta la turbina de gas (2) para su expansión. La energía se transforma, a través de los álabes, en energía mecánica de rotación que se transmite a su eje. Parte de esta potencia es consumida en arrastrar el compresor (aproximadamente los dos tercios) y el resto mueve el generador eléctrico (4), que está acoplado a la turbina de gas para la producción de electricidad. El rendimiento de la turbina aumenta con la temperatura de entrada de los gases, que alcanzan unos 1.300 ºC, y que salen de la última etapa de expansión en la turbina a unos 600 ºC. Por tanto, para aprovechar la energía que todavía tienen, se conducen a la caldera de recuperación (7) para su utilización.

La caldera de recuperación tiene los mismos componentes que una caldera convencional (precalentador, economizador, etc.), y, en ella, los gases de escape de la turbina de gas transfieren su energía a un fluido, que en este caso es el agua, que circula por el interior de los tubos para su transformación en vapor de agua.

A partir de este momento se pasa a un ciclo convencional de vapor/agua. Por consiguiente, este vapor se expande en una turbina de vapor (8) que acciona, a través de su eje, el rotor de un generador eléctrico (9) que, a su vez, transforma la energía mecánica rotatoria en electricidad de media tensión y alta intensidad.A fin de disminuir las pérdidas de transporte, al igual que ocurre con la electricidad producida en el generador de la turbina de gas, se eleva su tensión en los transformadores (5), para ser llevada a la red general mediante las líneas de transporte (6).

El vapor saliente de la turbina pasa al condensador (10) para su licuación mediante agua fría que proviene de un río o del mar. El agua de refrigeración se devuelve posteriormente a su origen, río o mar (ciclo abierto), o se hace pasar a través de torres de refrigeración (11) para su enfriamiento, en el caso de ser un sistema de ciclo cerrado.

II. Parte

Componentes:

1. Torre de refrigeración: son estructuras para refrigerar agua y otros medios a temperaturas muy altas. El uso principal de grandes torres de refrigeración industriales es el de rebajar la temperatura del agua de refrigeración utilizada en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales.

2. Bomba hidráulica: es una máquina generadora que transforma la energía mecánica con la que es accionada en energía del fluido incompresible.

3. Línea de transmisión: es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a través de grandes distancias la energía eléctrica generada en las centrales eléctricas.

4. Transformador: dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia

5. Generador eléctrico: es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos transformando la energía mecánica en eléctrica.

6. Turbina de vapor baja presión: es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético.

7. Bomba de condensación: una máquina que transfiere energía térmica desde una fuente fría a otra más caliente.

8. Condensador: Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor en vapor en estado líquido, también conocido como fase de transición.

9. Turbina de media presión: es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete

10. Válvula de control de gases: controla la presión de entrada de gases, debido a que las válvulas reducen las presiones.

11. Turbina de vapor de alta presión: es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético.

12. Desgasificador: en una caldera se refiere al tanque desaireador de alimentación de esta. Este tanque tiene 3 funciones principales en una caldera: extraer el oxígeno disuelto, calentar el agua de alimentación, almacenar agua de alimentación.

13. Calentador: es un dispositivo termodinámico que utiliza energía para elevar la temperatura del agua.

14. Cinta transportadora de carbón: es un sistema de transporte continuo formado básicamente por una banda continua que se mueve entre dos tambores.

15. Tolva de carbón: a un dispositivo similar a un embudo de gran tamaño destinado al depósito y canalización de materiales granulares o pulverizados, entre otros. En ocasiones, se monta sobre un chasis que permite el transporte.

16. Pulverizador de carbón: es un recipiente donde se almacena un líquido, que tiene un dispositivo en la parte superior que permite expulsar ese líquido en forma vaporizada

17. Tambor de vapor: El tambor de vapor es la interface primaria entre el agua y el vapor.

18. Tolva de cenizas: a un dispositivo similar a un embudo de gran tamaño destinado al depósito y canalización de materiales granulares o pulverizados, entre otros. En ocasiones, se monta sobre un chasis que permite el transporte.

19. Supercalentador: es un dispositivo que se encuentra en un motor a vapor que calienta el vapor generado por la caldera nuevamente, incrementando su energía térmica y haciendo decrecer la posibilidad de condensación dentro del motor.

20. Ventilador: es una máquina de fluido, más exactamente, una máquina neumática, concebida para producir una corriente de aire.

21. Recalentador: es un dispositivo instalado en una caldera que recibe vapor súper calentado que ha sido parcialmente expandido a través de la turbina. La función del recalentador en la caldera es la de volver a súper calentar este vapor a una temperatura deseada.

22. Toma de aire de combustión: absorbe los aires producidos por la combustión. 23. Economizador: es un dispositivo mecánico de transferencia de calor que calienta un fluido

hasta su punto de ebullición, sin pasar de él. Hacen uso de la entalpía en fluidos que no están lo suficientemente calientes como para ser usados en una caldera, recuperando la potencia que de otra forma se perdería, y mejorando el rendimiento del ciclo de vapor.

24. Precalentador de aire: son unidades que transportan calor desde los productos de combustión hacia el empleado como comburente.

25. Precipitador electrostático: son dispositivos que se utilizan para atrapar partículas mediante su ionización, atrayéndolas por una carga electrostática inducida. Se emplean para reducir la contaminación atmosférica producida por humos y otros desechos industriales gaseosos, especialmente en las fábricas que funcionan con combustibles fósiles.

26. Ventilador de tiro inducido: es una máquina de fluido, más exactamente, una máquina neumática, concebida para producir una corriente de aire.

27. Chimenea: es un sistema usado para evacuar gases calientes y humo de calderas, calentadores, estufas, hornos, fogones u hogares a la atmósfera.

Referencias

1- http://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy#Overview

2- http://www.eia.gov/kids/energy.cfm?page=nonrenewable_home-basics

3- http://education.nationalgeographic.com/education/encyclopedia/non-renewable-

energy/?ar_a=1

4- http://science.kqed.org/quest/2014/02/13/nonrenewable-and-renewable-energy-

resources/

5- http://everydaylife.globalpost.com/renewable-vs-nonrenewable-energy-resources-

30981.html

6- http://www.conserve-energy-future.com/

7- http://renewablegreen.net/?p=124

8- http://www.seic.gov.do/energ%C3%ADa-no-convencional.aspx

9- http://erenovable.com/las-energias-convencionales/

10- http://erenovable.com/energias-limpias/

11- http://es.slideshare.net/joseriki1q/energias-contaminantes

12- http://www.endesa.com/en/aboutEndesa/businessLines/Electricity/

Thermal_Power_Plants

13- http://seccionmunicipiosciclocombinado.es/diferencias-convencionales/

14- http://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel

%C3%A9ctrica#Centrales_termoel.C3.A9ctricas_de_ciclo_convencional

15- http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-

electricidad/viii.-las-centrales-termicas-convencionales

16- http://www.unesa.es/sector-electrico/funcionamiento-de-las-centrales-electricas/1351-

central-termica

17- http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-

electricidad/vii.-las-centrales-electricas