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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CÁTEDRA: CONVERSION DE ENERGIA ING. CARACCIOLO GÓMEZ TEMA 4 PLANTAS DE FUERZA

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

FRANCISCO DE MIRANDA

COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO

PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

CÁTEDRA: CONVERSION DE ENERGIA

ING. CARACCIOLO GÓMEZ

TEMA 4

PLANTAS DE FUERZA

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PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR

Definición:

Son instalaciones térmicas donde se transforma la energía en forma

de calor en trabajo.

Características:

La principal característica de estas instalaciones, es la

producción de energía eléctrica, a partir de la combustión de

carbón, fuel-oil, gas natural entre otros; en una caldera

diseñada al efecto. Para producir vapor a partir del agua que

circula por una red de tubos en la caldera, Este vapor hace

girar los alabes cuyo eje rotor gira unido a un generador para

producir energía eléctrica. El vapor se enfría en un

condensador, convirtiéndose otra vez en agua que vuelve a la

caldera, para comenzar un nuevo ciclo.

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PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR

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PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR

Esquema de las Plantas de Fuerza:

Las plantas de fuerza se constituyen de una serie de sistemas esenciales

tanto para los procesos, como para los equipos que lo conforman.

1) Sistema de abastecimiento de Agua:

Para las plantas de vapor, el principal fluido de trabajo es agua, bien

sea para la generación de vapor o para los procesos de enfriamiento.

Las principales fuentes de abastecimiento de agua son: Océanos, ríos,

estanques, reservorios, aguas tratadas entre otros, La selección del

tipo de abastecimiento dependerá de las características geográficas y

ambientales, en las cuales trabaja la planta.

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PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR

Fuente de abastecimiento

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SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA

Descripción:

El agua como se encuentra en la naturaleza no es apta para su

empleo como agua de alimentación para las calderas y

sistemas de enfriamiento. Pero se puede usar después de un

tratamiento adecuado, es decir evitar los depósitos de lodos e

incrustaciones en la superficie interior de la caldera.

La forma de expresar la concentración de impurezas es en términos

de partes en peso del constituyente por millón de partes del

agua (ppm)

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SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA

El tratamiento más apropiado y económicamente justificable

depende de las características del suministro de agua.

Entre los tipos de tratamientos tenemos:

Eliminación de sólidos suspendidos.

Tratamiento químico para eliminación de dureza.

Eliminación de dureza por intercambio cationico.

Desmineralización por eliminación completa de los sólidos disueltos.

Evaporación.

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SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA

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DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS PARA EL

ABASTECIMIENTO DE AGUA

Bombas:

Son dispositivos mecánicos, que ceden energía al fluido de trabajo

para incrementar la presión del mismo. Se utilizan para llevar o

impulsar el agua hacia la caldera.

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DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS PARA EL

ABASTECIMIENTO DE AGUA

Tanque de Agua:

Son contenedores metálicos, que se encargan del almacenaje del

agua tratada, que será suministrada hacia la caldera.

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SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR

Objetivo:

Tiene por objetivo suministrar tanta energía, al fluido detrabajo (agua), para la obtención de vapor.

Generadores de vapor:

Son unidades que se utilizan para colocar adisponibilidad de un fluido, el calor de uncombustible (fuel-oil, carbón, gas) y todos loselementos necesarios para transferir tanto calorcomo sea comercialmente factible.

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SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR

Accesorios de los Generadores de vapor:

El generador de vapor, consiste de una caldera ohervidor, un hogar y puede incluir equipos derecuperación de calor como: Sobrecalentadotes,Sistema de Tiro, Economizadores, Precalentadoresde Aire, Sistema de refrigeración de agua por aire yagua por agua.

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Generadores de vapor.

Caldera o Hervidor:

Área donde se transfiere calor al agua para transformarlo en vapor.

Clasificación:

Las calderas generalmente son clasificadas en dos (2) grandes grupos,

destacando que de hacer un análisis más riguroso este número puede

aumentar:

Tubos de Humo o Pirotubulares.

Tubo de agua o Acuotubulares.

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Generadores de vapor.

Clasificación:

Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares: En esta caldera circulan

los gases calientes de la combustión a través de los tubos y el líquido del

cual se desea obtener vapor circula en la parte exterior de los mismos.

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Generadores de vapor.

Clasificación:

Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:

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Generadores de vapor.

Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:

Tipos:

Tubos Horizontales

Tubos Verticales

De Barco

De Locomotora

Compactas

Ventajas:

Costos Relativamente bajos.

Ocupa poco espacio

Facilidad de transporte

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Generadores de vapor.

Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:

Desventajas:

Lenta circulación

Contenido de agua pequeño en relación a la producción de vapor.

Debe operarse con precaución para evitar explosiones

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Generadores de vapor.

Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares: En esta caldera el líquido

del cual se desea obtener vapor circula a través de una gran cantidad de

tubos y rodeando a estos se encuentra los gases calientes de combustión.

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Generadores de vapor.

Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares:

Tipos:

Tubos Rectos

Tubos Doblados

Tubos Rectos (Ventajas)

Son simples, idénticos y fáciles de quitar

Facilidad de mantenimiento por métodos mecánicos

Mayor área de trasmisión de calor a una altura dada

Puede tener varios tambores

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Generadores de vapor.

Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares:

Tubos Doblados (Ventajas)

Mayor economía, en cuanto a fabricación, debido a soldaduras, aceros

mejorados y nuevas técnicas de fabricación.

Mayor accesibilidad, para inspección, limpieza y mantenimiento.

Adaptabilidad para operar a mayores tasas de evaporación y producir vapor

mas seco.

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Generadores de vapor.

Caldera unitaria de tubos de agua; paso único del gas

Caldera de tipo de dos domos diseñada para quemar carbón pulverizado

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Generadores de vapor.

Caldera radiante de circulación

natural, alimentación con

combustoleo y gas; 4200000 lb

(1900t) de vapor por h; presión de

2600 lb/pulg2 (183 kgf/cm2); 1005

ºF (540 ºC) de temperatura del

vapor; recalentado

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Generadores de vapor.

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Generadores de vapor.

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Generadores de vapor.

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Generadores de vapor.

1.2 Componentes de un Generador de Vapor:

Hogar: Área donde se quema el combustible y se generan los gases

calientes de la combustión.

Fuente de calor

Tubos de

Enfriamiento

Pared

Refractaria

Están ubicados

frente a una pared

refractaria ordinaria,

la cual protegen

parcialmente y de la

cual los tubos

reciben calor

reflejado y radiante.

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Generadores de vapor.

HOGARESGeneralidades:

El hogar de una unidad generadora de vapor, tiene como finalidad

proporcionar:

• Un lugar para que funcione los quemadores y para alimentar el aire.

• Un lugar para que se complete el proceso de combustión.

• Los medios para utilizar, tan completamente como sea posible, la

energía dentro del mismo.

• Una salida para descargar los productos de la combustión.

• El medio para eliminar los residuos.

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Generadores de vapor.

HOGARESLas consideraciones principales que influyen en el diseño de un hogar:

1. La clase, condición, preparación y características del combustible.

2. Las propiedades de las cenizas o escorias que puedan formarse.

3. Las cargas normales, mínimas y máximas que se mantendrán y sus

respectivas duraciones.

4. El tamaño y la relación del hogar respecto a la caldera.

5. El tipo de parrilla o quemadores a usarse y el método de encendido.

6. El coeficiente de exceso de aire que se desea usar.

7. El arrastre permisible de carbón en las cenizas volantes y los depósitos.

8. Los costos iniciales.

9. Los costos de operación.

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Generadores de vapor.

SOBRECALENTADORES

Definición: Consisten de tubos a través de los cuales se hace pasar

vapor saturado que sale del tambor para que se calienten con los gases

de escapes que pasan sobre su superficie.

Objetivo: La función de un sobrecalentador es levantar la temperatura

del vapor por encima de su temperatura de saturación con la menor

caída de presión posible.

TIPS: Por cada 100 ºF de aumento de la temperatura de sobrecalentamiento se logra un

3 % de disminución en el consumo específico de calor de la caldera.

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Generadores de vapor.

SOBRECALENTADORESTipos de Sobrecalentadores:

Separados: requieren de una mampostería especial, espacio adicional y

atención frecuente.

Integrales: se instalan dentro de la mampostería del generador de

vapor, no requieren atención especial y son los que generalmente se

usan en centrales termoeléctricas.

Los sobrecalentadores integrales se dividen en dos grandes grupos: de

convección y de radiación.

Por Convección

Por Radiación

Combinado o Compensado

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Generadores de vapor.

SOBRECALENTADORESTipos de Sobrecalentadores:

Por Convección.

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Generadores de vapor.

SOBRECALENTADORESTipos de Sobrecalentadores:

Radiación.

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Generadores de vapor.

SOBRECALENTADORESTipos de Sobrecalentadores:

Combinado.

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Equipos de Recuperación de Calor

La recuperación de calor de los gases que

salen de un generador de vapor, puede

efectuarse por medio de unos

intercambiadores de calor llamados

economizadores o precalentadores de

aire o ambos en combinación.

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Equipos de Recuperación de Calor

ECONOMIZADOR

Definición: Este elemento consiste de tubos que se colocan en la

trayectoria de los gases de escape y a través de los cuales se hace

pasar el agua de alimentación en camino hacia la caldera.

Función: el calor recuperado reduce la cantidad requerida de

combustible para convertir el agua de alimentación en vapor, aumentado

así la eficiencia de la unidad.

PRECALENTADORES

Con la introducción del calentamiento regenerativo del agua de

alimentación por medio de vapor extraído de varias etapas de la turbina,

se redujo la efectividad del economizador, y los gases salían a la

chimenea a más alta temperatura. Por eso, a veces se añaden

precalentadores de aire con el objeto de recuperar parte del calor que se

hubiera perdido de otra manera.

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Equipos de Recuperación de Calor

PRECALENTADORES

Función: En tales aparatos el aire que se usa para la combustión se

calienta por contacto con las paredes de tubos o laminas. El calor así

devuelto al hogar reduce la cantidad de combustible quemado.

Ventajas y desventajas de los economizadores y precalentadores de aire:

La ganancia térmica con su resultante elevación de la curva de

rendimiento y ahorro en combustible.

El aplanamiento de la curva de rendimiento en la región de altas

capacidades o la posibilidad de las calderas y hogares de

trabajar a mayores capacidades manteniendo un alto

rendimiento.

Proveen una reserva de suministro de agua caliente para hacer

frente a fluctuaciones de demanda o fuertes demandas

repentinas.

Protegen a la caldera de recibir agua fría.

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Equipos de Recuperación de Calor

Desventajas:

Impiden el flujo de productos de combustión y disminuyen su

temperatura de la cual depende el tiro natural. Esto obliga a la

instalación de tiro mecánico con su consecuente costo inicial

extra, espacio necesario, costo de potencia absorbida, atención y

mantenimiento.

Corrosión que puede ocurrir si los gases se enfrían debajo del

punto de roció de los vapores de acido sulfúrico con contenido en

los mismos.

Costo extra del equipo, mantenimiento y reemplazo.

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Equipos de Recuperación de Calor

Tipos de Economizadores: En la práctica moderna de centrales

termoeléctricas se usan dos tipos principales de economizadores: El

integral y el unitario.

Integral:

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Equipos de Recuperación de Calor

Unitario.

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Equipos de Recuperación de Calor

Clasificación de los Precalentadores: Los

precalentadores de aire se clasifican en dos grandes grupos:

recuperativos y regenerativos.

Recuperativos:

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Equipos de Recuperación de Calor

Clasificación de los Precalentadores: Los

precalentadores de aire se clasifican en dos grandes grupos:

recuperativos y regenerativos.

Regenerativos:

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Sistema de Tiro

Tiro (Definición): Tiro es la diferencia en la presión absoluta del

gas en cualquier punto dado de un conducto y la de la atmósfera a la

misma cota (altura).

Función: Esta consiste esencialmente en suministrar la energía necesaria para

mantener el flujo requerido de aire y gas a través del sistema. Esta energía puede

provenir de los ventiladores o los gases calientes de la chimenea.

Aparatos para producir Tiro: Estos se constituyen en gran variedad de

formas entre las cuales hay que seleccionar las apropiadas para cada

planta particular. Para tiro natural se emplean las chimeneas y para tiro

mecánico, los ventiladores de tiro forzado y lo de tiro inducido, según se

trate de suministrar aire para la combustión o extraer los gases de

escape, respectivamente.

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Sistema de Tiro

Tipos

Naturales

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Sistema de Tiro

Tipos

Tiro Forzado (Ventiladores): Cualquier aparato que produce una

corriente de aire, se podría llamar ventilador. Un ventilador consiste en

una rueda o impulsor giratorio rodeado de una envolvente estática o

carcasa. En los ventiladores se comunica energía al gas trasegado

mediante el impulsor o rodete, con lo cual se crea una diferencia de

presión y se produce una corriente de gas.

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Sistema de Tiro

Ventiladores

Clasificación: Una de las características para clasificar un ventilador es

la naturaleza del flujo por los conductos de las paletas del impulsor.

De tipo axial (de hélice, tubo-axial, deflector axial),

De flujo radial o centrífugos,

De flujo mixto y de flujo transversal.

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Sistema de Tiro

Ventiladores

Clasificación:

De tipo axial (de hélice, tubo-axial, deflector axial)

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Sistema de Tiro

Ventiladores

Clasificación:

De flujo radial o centrífugos.

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Turbomaquinas

Definición: El papel de la turbina de vapor consiste en transformar

en energía mecánica la energía contenida en el vapor de agua bajo la

forma de energía térmica y de energía de presión la suma de estas dos

formas de energía, expresada en kilocalorías por kilogramo de fluido, se

caracteriza por la entalpía del vapor, función de la presión y de la

temperatura.

El principio de funcionamiento de las turbomáquinas se basa en la

interacción entre un rotor o impulsor que está constituido por álabes (fijos

y/o móviles), y un fluido específico (compresible o incompresible).

Tipos

Turbomáquinas Hidráulicas

Turbinas Térmicas

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Turbomaquinas

TURBINA HIDRAULICA

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Turbomaquinas

TURBINAS KAPLAN

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Turbomaquinas

TURBINA PELTON

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Turbomaquinas

Turbina Pelton

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Turbomaquinas

Turbina de Vapor

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Turbomaquinas

Turbinas de Gas

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Turbomaquinas

Turbinas de Gas

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SISTEMA DE COMBUSTIBLE

Definición:Su función es suministrar combustible al quemador (Fuel oil, carbón, gas

natural), para producir vapor, que es el medio utilizado para generar

calor y transformar el agua de la caldera en vapor.

Quemador:

S función es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire al sistema, de

manera de asegurar el encendido rápido y la combustión completa.

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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Función:Se utiliza con la finalidad de disminuir la temperatura del fluido de trabajo y

refrigeración de los equipos.

Condensador:

Es un intercambiador de calor, que utiliza agua fría (de una corriente natural o

enfriada por una torre de enfriamiento) para enfriar y condensar el vapor

de escape de la turbina.

Tipos:

Superficie

Mezcla

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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Condensador Eyector

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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Tipos de Condensadores: Superficie: El agua fría circula por tubos y el vapor por el exterior de los

tubos (mayor área de transmisión de calor). El diseño busca minimizar las

pérdidas de carga debidas al paso del vapor y aprovechar el intercambio

entre el liquido ya condensado y el vapor. Parte del vapor puede utilizarse

para volver a calentar el condensado a la salida, creando así un poco de

regeneración ( el agua que retorna a la caldera esta menos fría que lo

estaba al condensar).

Mezcla: Cuando, aparte de la turbina, hay otros usos del vapor que hacen

necesario reponer una cantidad sustancial de agua, pueden utilizarse

condensadores de mezcla, en los que el vapor condensa por contacto con

el agua fría.

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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

CONDENSADORES

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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Torre de Enfriamiento:

Tiene como finalidad enfriar una corriente de agua por

vaporización parcial de esta con el siguiente

intercambio de calor sensible y latente de una corriente

de aire seco y frió que circula por el mismo aparato.

Pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque

se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo

de operación también reducido.