Clase gpu2c3
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Este documento describe los componentes y operación de centrales eléctricas de vapor. Explica el ciclo de Rankine, incluyendo los procesos en la caldera, turbina, bomba y condensador. También describe calderas, sus clasificaciones, y componentes internos como el tambor de separación y dispositivos de limpieza del agua.
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- 1. UNEFA Octubre 2014 Ing. Vicente Díaz P Generación de Potencia Unidad 2 Centrales Energéticas Centrales a Vapor Calderas REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZAARMADA NACIONAL BOLIVARIANA SAN TOME - ESTADO ANZOÁTEGUI
- 2. Contenido Centrales a vapor: •Componentes de una central a vapor. •El ciclo de vapor. •Calderas. •Principio de la circulación de agua de alimentación en las calderas. •Capacidad de una caldera. •Características de rendimiento en las calderas. •Superficie recuperadora de calor las calderas. •Sobrecalentador, economizador y calentador de aire. •Características principales. UNEFA REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZAARMADA NACIONAL BOLIVARIANA SAN TOME - ESTADO ANZOÁTEGUI
- 3. UNEFA Centrales a Vapor La mayoría de las centrales generadoras de electricidad son variaciones de ciclos de potencia de vapor en los que el agua es el fluido de trabajo. El vapor es el fluido de trabajo más usado en ciclos de potencia debido a las muchas y atractivas características, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpia de vaporización. Introducción Centrales a Vapor
- 4. UNEFA Centrales a Vapor Caldera Turbina Vapor Agua Generador Condensador Mezcla Combustible Bomba Esquema simple de ciclo de vapor
- 5. UNEFA Centrales a Vapor 5 1' 1 1 3 4 4 frío aire aire caliente la chimenea humos hacia refrigeración agua de condensador 2sobrecalentador de vapor generador alimentación bomba de economizador Central Simple de Vapor
- 6. UNEFA Centrales a Vapor Ciclo Rankine de potencia Para el análisis de los sistemas de generación de energía eléctrica se requiere de los fundamentos termodinámicos, tales como el principio de conservación de la masa y de la energía, el segundo principio de la termodinámica y la determinación de propiedades termodinámicas.
- 7. UNEFA Centrales a Vapor Ciclo Rankine de potencia Los principios pueden aplicarse a cada componente individual de una planta: bombas, turbinas, intercambiadores de calor, así como al conjunto de la central sin importar su tamaño y complejidad. Caldera Turbina Vapor Agua Trabajo Calor Bomba Condensador Calor Trabajo
- 8. UNEFA Centrales a Vapor Ciclo Rankine de potencia 1 2 3 4 Entropía Temperatura Caldera Turbina Vapor Agua Trabajo Calor Bomba Condensador Calor Trabajo 1 2 3 4 1 El fluido de trabajo sufre la siguiente serie de procesos internamente reversibles.
- 9. UNEFA Centrales a Vapor Ciclo Rankine de potencia Turbina Trabajo Condensador Calor 1 2 Proceso 1-2: expansión isoentrópica del fluido de trabajo a través de la turbina desde vapor saturado en el estado 1 hasta la presión del condensador. Proceso 2-3: Transferencia de calor desde el fluido de trabajo cuando fluye a presión constante por el condensador, siendo líquido en el estado 3. 2 3
- 10. UNEFA Centrales a Vapor Caldera Calor 4 1 Bomba Trabajo 3 4 Proceso 3-4: Aumento de presión isoentrópica en la bomba hasta el estado 4 dentro de la zona de líquido comprimido. Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia el fluido de trabajo cuando circula a presión constante a través de la caldera, saliendo vapor saturado, reiniciándose el ciclo. Ciclo Rankine de potencia
- 11. UNEFA Centrales a Vapor Irreversibilidad en la Turbina La principal irreversibilidad que experimenta el fluido de trabajo está asociada con la expansión en la turbina. El calor transferido al ambiente por la turbina representa una perdida, la expansión real a través de la turbina va acompañada de un incremento de entropía. El rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real con el trabajo isoentrópico.
- 12. UNEFA Centrales a Vapor Irreversibilidad en la Bomba El trabajo requerido para la bomba, para vencer los efectos del rozamiento, también reduce el trabajo neto producido por la planta. El rendimiento isoentrópico de la bomba toma en cuenta el efecto de las irreversibilidades dentro de la bomba relacionando las cantidades de trabajo real e isoentrópico.
- 13. UNEFA Centrales a Vapor 1 2S 3 4S Entropía Temperatura 4 2 Efecto de la irreversibilidad en la turbina y bomba
- 14. UNEFA Centrales a Vapor Ciclo Rankine con Sobrecalentador Isoentrópica 1-2 (teórica): expansión en la turbina Isoterma y/o isobara 2-3: cesión de calor en el condensador Isoentrópica 3-4 (teórica): compresión en las bombas Isobara 4-5 (teórica): precalentamiento en el economizador Isoterma y/o isobara 5-1’: vaporización en el hogar Isobara 1’-1 (teórica): calentamiento en el sobrecalentador 1’ 3 Entropía Temperatura 4 2 1 Q1 Q2 5
- 15. UNEFA Centrales a Vapor T 1 1' 4 3 2 5 s3 4s= 1s = s2 Q 1 Q 2 T2 h Wt 3 4 5 2 1' 1 34 12tW s s
- 16. UNEFA Centrales a Vapor Ciclo Rankine ideal con recalentamiento Otra modificación que se emplea normalmente en centrales térmicas de vapor es el recalentamiento. Gracias a este una central térmica puede beneficiarse del mayor rendimiento que resulta de una presión de caldera mas alta y también evitar el vapor de bajo título a la salida de la turbina.
- 17. UNEFA Centrales a Vapor Ciclo Rankine ideal con recalentamiento Sobrecalentador Recalentador 1’ 5 4 4 6 6
- 19. UNEFA Centrales a Vapor economizador precipitador recalentador sobrecalentador turbinascalentadores desgasificador calentadores condensador calentador de aire hogar
- 20. UNEFA Centrales a Vapor presión nº7 calent. alta 101 102 104 61 103 desgasificador alimentación tanque agua de 5 1 58 57 100 98 99 60 4 50 3 78 76 77 71 72 73 75 74 82 80 7970 81 43 39 83 84 89 91 90 86 85 6 7 88 87 8 92 93 95 97 9 10 30 11 333740 131517 161820 41 38 34 31 94 66 42 35 27 4651 4752 25 24 96 56 44 67 49 58 21 22 23 19 condensador caldera purga tanque continua 2 68 69 calent. alta presión nº6 presión nº4 calent. baja calent. baja presión nº3 calent. baja presión nº2 calent. baja presión nº1 condensador vapor cierres bomba dren. calent. baja presión nº2baja presión nº4 bomba dren. calent. de alta turbina de media turbina baja presión turbina de 62 economizador vapor cierres turbinas alimentación bomba agua extración condesado bomba 27 45 36 32 29 calderín
- 21. primer sobrecalentador hogar economizador CALDERA calentador aire segundo recalentador primer recalentador segundo sobrecalentador UNEFA
- 22. UNEFA Centrales a Vapor CALDERA hogar Calderín o Domo calentador de aire recalentador sobrecalentador hogar
- 23. UNEFA Centrales a Vapor CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Según su uso las calderas pueden ser: Estacionarias Móviles
- 24. UNEFA Centrales a Vapor CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Según la sustancia de trabajo a través de los tubos: Pirotubulares Acuotubulares Mixtas
- 25. UNEFA Centrales a Vapor CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Pirotubulares Horno Integral Separado Tiro Forzado Natural Posición Verticales Horizontales
- 27. UNEFA Centrales a Vapor CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Acuotubulares Circulación • Natural • Posición de los tubos • N° de tambores • Asistida o Controlada • Forzada • Combinada Tiro • Natural • Forzado • Inducido • Equilibrado Tipo de servicio • Móvil • Estacionario • Procesos • Generación de Potencia Tipo de Horno • Quemadores Frontales • Quemadores Tangenciales • Quemadores Verticales • Ciclónicos (Carbón triturado)
- 31. UNEFA Centrales a Vapor CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Según su forma y posición: La superficie de calefacción de los tubos se puede clasificar : • Por la forma : • Por su disposición: Rectos Curvos Sinuosos. Horizontal Vertical Inclinada.
- 32. UNEFA Centrales a Vapor CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Según la clase de combustible: Calderas de combustible sólido: Reciben el calor generado de la combustión de algún producto combustible sólido, tal como el carbón, coque, madera ó bagazo. Estas calderas deben controlar los gases de combustión en cuanto a desechos sólidos (cenizas) y hollín. Calderas de combustible liquido o gas: Existen diversos combustibles líquidos empleados en las calderas, alcohol, aceite, gas-oil, etc., son empleados también, gases combustibles tales como el propano, metano, etc.
- 33. UNEFA Centrales a Vapor CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Según su fuente de calor: • Combustión de combustibles (sólidos, líquidos o gaseosos). • Gases calientes de desperdicios de otras reacciones químicas (de regeneración). • Aplicación de la energía eléctrica. • Empleo de la energía nuclear.
- 34. UNEFA CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Según su sistema de Circulación:
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- 36. UNEFA CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Según la posición del Hogar: Interior: Se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua. Exterior: Esta construido fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua
- 37. UNEFA CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR Según su tipo de Horno:
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- 42. UNEFA Tambor de Separación Tambor de Circulación Natural Es un recipiente cilíndrico largo, cuyo objetivo principal es permitir la separación del vapor saturado de la mezcla vapor-agua producida en las superficies de transferencia de calor de la caldera. Éstos pueden operar por circulación natural o por circulación asistida Tambor de Circulación Asistida
- 43. UNEFA Tambor de Separación El tambor de separación cumple otras funciones que se indican a continuación: • Recibe el agua de alimentación mezclándola con el agua saturada remanente luego de la separación. • Mezclar los aditivos de control de corrosión y del tratamiento químico del agua de la caldera. • Purificar el vapor eliminando las mezclas contaminantes y residuales. • Remover parte del agua para controlar el tratamiento químico de ésta en la caldera (partículas sólidas). • Proporcionar almacenaje limitado del agua para ajustarse a los cambios rápidos de carga en la caldera
- 44. UNEFA Limpieza del Agua Dispositivos separadores La separación efectiva del vapor en la mezcla vapor-agua depende de ciertos factores de operación y diseño. Uno de los más importantes se refiere a los tipos de mecanismos separadores utilizados y a su disposición dentro del tambor. Fundamentalmente, existen tres sistemas de separación, basados en:
- 45. UNEFA Limpieza del Agua La acción de la gravedad: El agua es varias veces más pesada que el vapor, por lo que tiende a escurrirse al fondo; mientras que el vapor ocupa las regiones más altas del recipiente.
- 46. UNEFA Centrifugación: Al hacer pasar una corriente de mezcla líquido-vapor por un dispositivo de este tipo, se cambia la dirección del flujo violentamente, 90º por ejemplo, y se incrementa la velocidad; las partículas más pesadas de agua tienden a chocar contra las paredes, son desaceleradas y se escurren; mientras que el vapor ocupa la región central y tienden a subir. Limpieza del Agua
- 47. UNEFA Impacto: Se hace pasar la mezcla líquido-vapor por un recorrido intrincado como una malla metálica, viruta metálica o láminas corrugadas estrechamente espaciadas, de modo que se rompe la tensión superficial de la película envolvente de líquido. Limpieza del Agua
- 48. UNEFA Calidad del Agua Sólidos Disueltos Totales (TDS) La concentración máxima de TDS en una caldera de baja presión es 3500 ppm Alcalinidad La concentración máxima de alcalinidad en una caldera de baja presión es 700 ppm Dureza La dureza máxima permitida en cualquier caldera , debe de ser prácticamente “cero” ppm.
- 50. UNEFA Sistema de Purga La purga representa un gasto considerable; pero necesario. Pues, generalmente esa agua se pierde, y con ella los químicos introducidos y la energía de esta agua. Por esta razón, se han diseñados sistemas con recuperación de energía y de masa. Para la recuperación de energía se utilizan intercambiadores de calor entre la purga y el agua de alimentación (agua más fría). Y para la recuperación de masa y de energía, se utiliza un tanque de evaporación instantánea, en el cual parte del agua caliente se evapora, este vapor, que puede ser utilizado en un desaireador o calentador de agua de alimentación, se caracteriza por no absorber los contaminantes del agua por la baja presión del tanque. El agua del vapor que no se evapora es desechada por contener niveles de concentración muy alta.
- 51. UNEFA Paredes del Horno Los diferentes tipos de paredes existentes son: Paredes de Membrana. Paredes de Membrana Refractaria. Paredes con Aletas. Paredes Tangenciales
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- 54. UNEFA entrada de agua flujo de humos salida Esquema de un economizador
- 55. UNEFA Calentador de aire tubular
- 56. UNEFA Calentador de aire tubular
- 57. UNEFA Calentador de aire rotativo
- 58. UNEFA tambor fijo de chapas onduladas Calentador de aire Rothemühle
- 59. UNEFA Componentes Auxiliares: Ventiladores: Son Turbomáquinas. Tipos: Según la presión: De baja presión: hasta una presión del orden 200 mm ca. De media presión: entre 200 y 800 mm c agua (sopladores) De alta presión: entre 800 y 2500 mm ca (turbosopladores) De muy alta presión: mas de 2500 mm ca (turbocompresores) Según el Flujo: Radiales o Centrífugos Semiaxiales o Helicoidades Axiales
- 60. UNEFA Componentes Auxiliares: Quemadores: Son equipos auxiliares que permiten mantener: Proporción entre aire combustible adecuada. Mezcla adecuada de aire combustible. Tipos: Según el combustible: Gaseoso: De flujo paralelo con mezcla por turbulencia Atmosféricos Sólido: De Carbón pulverizado Cámara tipo ciclón Parrillas Cámara de lecho fluido
- 61. UNEFA Componentes Auxiliares: Bombas: Máquina hidráulica. Tipos: Desplazamiento Positivo: Rotativas: (engranes, tornillos, etc) Reciprocantes: (Simplex, Duplex, etc) Centrífugas.
- 62. UNEFA Componentes Auxiliares: Desaireadores: Se conocen como desaireadores (desgasificadores) aquellos dispositivos mecánicos empleados para liberar los gases contenidos en el agua de alimentación (aire, oxigeno, anhídrido carbónico y otros gases). Tipos: De Cascada: De Pulverización.
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