Post on 05-Jul-2015
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
53
CAPITULO III
DISEÑO DEL SISTEMA TÉRMICO
3.1 FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA A VAPOR
UTILIZANDO BIOMASA
Una central eléctrica de vapor consiste en una caldera, una turbina, un
condensador y un equipo de bombeo que utiliza el ciclo termodinámico de Rankine.
Una vez que el combustible está en la caldera, los quemadores provocan la
combustión de la biomasa (bagazo de caña, leña, etc.), generando energía calorífica.
Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperatura el agua que circula por una
extensa red formada por miles de tubos que tapizan las paredes de la caldera.
Este vapor entra a gran presión en la turbina de la central, la cual consta de
tres cuerpos de alta, media y baja presión, respectivamente unidos por un mismo eje.
En el primer cuerpo (alta presión) hay centenares de álabes o paletas de
pequeño tamaño. El cuerpo a media presión posee asimismo centenares de álabes
pero de mayor tamaño que los anteriores. El de baja presión, por último, tiene álabes
aún más grandes que los precedentes. El objetivo de esta triple disposición es
aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión
progresivamente, por lo cual los álabes de la turbina se hacen de mayor tamaño
cuando se pasa de un cuerpo a otro de la misma. Hay que advertir, por otro lado, que
este vapor, antes de entrar en la turbina, ha de ser cuidadosamente deshumidificado.
En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua en suspensión que transportaría
serían lanzadas a gran velocidad contra los álabes, actuando como si fueran
proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles.
El vapor de agua a presión, por lo tanto, hace girar los álabes de la turbina
generando energía mecánica. A su vez, el eje que une a los tres cuerpos de la turbina
(de alta, media y baja presión) hace girar al mismo tiempo a un alternador unido a
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
54
ella, produciendo así energía eléctrica. Esta es vertida a la red de transporte a alta
tensión mediante la acción de un transformador o distribuida a un consumidor.
Por su parte, el vapor debilitado y a su presión es enviado a unos
condensadores. Allí es enfriado y convertido de nuevo en agua. Esta es conducida
otra vez a los tubos que tapizan las paredes de la caldera, con lo cual el ciclo
productivo puede volver a iniciarse.
Figura 3.1 Circuito Vapor - Agua
El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas
convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen
carbón, bagazo de caña o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el
distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la
caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de
combustible empleado. Independientemente del tipo de combustible, hace evaporarse
el agua en los tubos de la caldera y produce vapor
El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de
obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la
caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor
recalentado).
Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de
tuberías. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la turbina, generando energía
mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de
rotación.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
55
El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al
condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se
convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de
reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es
absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres
de enfriamiento.
La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada
a su vez en energía eléctrica por medio de un generador síncrono acoplado a la
turbina.
Figura 3.2 Esquema General de una central Térmica
3.1.1 DISPOSICIÓN GENERAL DE LA CENTRAL
En una central térmica de vapor se obtiene la producción de energía eléctrica
partiendo de la energía térmica del combustible. Esta transformación de energía se
efectúa en cuatro etapas:
1. Transformación de energía latente del combustible en calor.
2. Transformación del calor en energía potencial del vapor.
3. Transformación de la energía potencial del vapor en energía mecánica.
4. Transformación de la energía mecánica en energía eléctrica.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
56
Las dos primeras transformaciones se realizan en la sala de calderas, donde la
combustión del carbón o biomasa (bagazo de caña), produce gases calientes que
hacen evaporar el agua, mientras que las dos últimas transformaciones ocurren en la
sala de máquinas y precisamente el calor se expansiona en la turbina que acciona el
alternador.
3.1.2 CIRCUITOS PARA LA ENERGÍA
En la central típica se distinguen siempre cinco circuitos, cuya combustión
permite la transformación de energía térmica del combustible en la energía eléctrica.
Estos circuitos son:
1. Circuito del combustible.
2. Circuito del aire de combustión.
3. Circuito del vapor.
4. Circuito del agua de refrigeración.
5. Circuito de la energía eléctrica.
1. Circuito del combustible
Este circuito difiere sobre todo en su primera parte según el tipo de
combustible utilizado, carbón o biomasa, etc. Consideraremos ahora una central que
utiliza como combustible el bagazo de caña.
Transporte del combustible: El bagazo es descargado en la inmediata cercanía
de la sala de calderas. Luego el bagazo es secado y llevado sobre cintas
transportadoras hasta la casa de trituración, donde una máquina trituradora reduce las
dimensiones de los trozos demasiado grandes.
Un sistema de cintas transportadoras lleva el combustible hasta una tolva,
ubicada delante de la caldera. Su capacidad es dimensionada de modo de poder
alimentar la caldera durante unas horas a plena carga.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
57
Combustión: Del molino el bagazo reducido fluye a los quemadores ubicados
en los frentes de la caldera.
Transporte de la ceniza: La ceniza cae en la parte inferior de la cámara de
combustión, que tiene la forma de embudo, y de ahí deriva a zanjas, donde una
corriente de agua la arrastra a un pozo.
2. Circuito del aire de combustión
El aire de combustión es enviado al hogar de la caldera por medio del
ventilador de tiro forzado a través del precalentador de aire que tiene por objeto
calentar el aire aprovechando parte del calor que contienen los gases entes de pasar a
la chimenea.
Una parte de este aire primario, sirve para secar el bagazo en el molino y para
la inyección del bagazo pulverizado en la cámara de combustión, mientras que la
parte restante del aire, llamado aire secundario, se suministra alrededor de los
quemadores para lograr un contacto íntimo con las partículas del bagazo. Así, se
obtiene una combustión rápida y una menor cantidad de productos no quemados.
3. Circuito del vapor
En la central de condensación, llega el vapor descargado por la turbina y, es
condensado en el condensador, por medio del agua de circulación. El condensado es
aspirado por la bomba de extracción y conducido al desgasificador. Del tanque, el
condensado fluye a la bomba de alimentación que manda el agua a la caldera. El
agua de alimentación evapora en la caldera y el vapor producido vuelve a la turbina
y, completando así el circuito cerrado del agua de alimentación.
4. Circuito del agua de circulación
La refrigeración de los condensadores exige una cantidad considerable de
agua fría. La refrigeración de condensador se efectúa en circuito cerrado. El agua de
circulación, que se calienta en el condensador condensando el vapor descargado por
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
58
la turbina y, es enfriada a su ves en la torre de refrigeración y luego impulsada por la
bomba de circulación.
5. Circuito de la energía eléctrica
El alternador accionado por la turbina, produce la energía eléctrica y la envía
por medio de los cables de conexión al transformador elevador instalado en la casa
de alta tensión. Después de la elevación de la tensión la energía eléctrica es enviada
desde la barras a los centros de consumo a través de los cables alimentadores o bien
por medio de líneas aéreas.
3.1.3 RENDIMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA
En una termoeléctrica convencional sólo 33% se convierte en energía
eléctrica, el resto se pierde a través del condensador, los gases de escape, las pérdidas
mecánicas, las pérdidas eléctricas por transmisión y distribución entre otras.
En los sistemas de cogeneración, se aprovecha hasta el 84% de la energía
contenida en el combustible para la generación de energía eléctrica y calor a proceso
(25-30% eléctrico y 59-54% térmico).
Figura 3.3 Pérdidas y rendimiento de una central térmica
Esta energía térmica se relaciona directamente con el combustible.
( )( )c
avv
s
u
mPCI
hhm
Q
Q −==η
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
59
Donde:
h = Eficiencia de generación de la caldera (%)
Qu = Calor útil proporcionado por el vapor generado (KJ)
Qs = Calor suministrado por el combustible quemado (KJ)
mv = Flujo de vapor (kg/h)
hv = Entalpía de vapor (kJ/kg)
ha = Entalpía de agua de alimentación (KJ/kg)
PCI = Poder calorífico del combustible (KJ/m3)
mc = Flujo de combustible (m/h)
3.2 CÁLCULO Y ANÁLISIS DEL COMBUSTIBLE (BAGAZO DE CAÑA)
3.2.1 PARÁMETROS BÁSICOS DE LA CAÑA DE AZUCAR
Constituyentes de la caña.
• Agua 73 - 76 %
• Sacarosa 8 - 15 %
• Fibra 11 - 16 %
Composición Química del Bagazo de Caña.
• Carbono 23%
• Oxigeno 22%
• Hidrógeno 3%
• Cenizas 2%
• Agua 50%
Entalpía de vaporización del agua a 25° C =2500 KJ/ Kg
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
60
Parámetros.
Se introducen las dos relaciones básicas siguientes para la evaluación de la
bioenergía, teniendo en cuenta que tanto el poder calorífico como la densidad
dependen principalmente de la humedad del bagazo.
Energía = masa x poder calorífico
Masa = volumen x densidad
Humedad.
Es la cantidad de agua existente en el bagazo de caña y afecta de forma
decisiva a la energía disponible del biocombustible.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
húmedoen Peso
húmedoen Peso-secoen Peso100
secoen Peso
secoen Peso-húmedoen Peso100
.
sec.
prhumref
oprref
Humedad
Humedad
Poder calorífico.
El bagazo de caña es un material para quemar o para utilizar como fuente
térmica de energía. Se puede medir la cantidad de energía térmica almacenada
mediante el valor térmico o calorífico. El poder calorífico superior (PCS) o poder
calorífico bruto (PCB) mide la cantidad total de calor que se producirá mediante la
combustión. Sin embargo, una parte de ese calor permanecerá en el calor latente de
la evaporación del agua existente en el combustible durante la combustión.
El poder calorífico inferior, o poder calorífico neto, excluye el calor latente.
Por consiguiente, el valor térmico más bajo es la cantidad de calor disponible
realmente en el proceso de combustión para captarlo y utilizarlo. Cuanto mayor sea
el contenido de humedad de un combustible mayor será la diferencia entre el PCB y
el PCN y menor será la energía total disponible, como se muestra en la tabla 3.1.
Estos parámetros se expresan generalmente en MJ/kg o kJ/kg.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
61
Biocombustible Datos primarios Densidad PCI Humedad
(kg/mcu) (MJ/kg) (%, en seco)
Bagazo Masa - 8.4 40
Tabla 3.1 Poder calorífico del bagazo.
3.2.2 CÁLCULO DE COMBUSTIBLE EN EL VALLE DE YUNGUILLA
Equivalencias.
• 1 Hectárea de caña, equivale de 140 a 160 toneladas de biomasa total incluido
el cogollo y hojarasca.
• 1 Hectárea de caña = 110-120 toneladas de caña, (tallos) al año.
• En 1 tonelada de caña se obtiene el 20% de bagazo.
• En 1 tonelada de caña se obtiene el 28.5% de bagazo incluido el cogollo y
hojarasca.10
3.2.2.1 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE BAGAZO
El cantón Santa Isabel tiene un área de 771,41 2Km = 77.141,00 hectáreas.
• Si tomamos que en el sector se tiene una área sembrada de caña del 1%
entonces obtenemos 771.41 Hectáreas de caña sembrada.
• Se estima que se va a moler durante 7 meses y de esto se obtiene que:
2,9256912041.771 =× TonHa Toneladas de caña (7 meses, Zafra)
Cantidad de caña por día.
80,440210
2.92569=
diasToneladas de caña por día (disponible)
10 Datos obtenidos del Libro “Producción de caña de azúcar”, Dr Ernesto Velarde Sosa, Dr. Rafael Villegas. La Habana Cuba.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
62
Cantidad de caña por hora.
36,1824
80.440=
horas Toneladas de caña por hora
Tomando como referencia que en 1Tonelada de caña el 20% es de bagazo tenemos:
Cantidad de bagazo por hora.
68.3100
2036,18 =× Toneladas de bagazo por hora
Combustible Total = 3.68 Toneladas de bagazo por hora
3.2.3 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE VAPOR
• Sabiendo que 0.5 Kg. de bagazo produce 1 Kg. 11de vapor, entonces:
KgTonelada 10001 =
KgToneladas 3680100068.3 =× de bagazo por hora
hKgKg
73605.0
3680= de vapor
m& = Flujo másico obtenido
m& =sg
Kgh
Kg 04.23600
17360 =× de vapor
sgKg
m 04.2=&
11 Dato obtenido en el Ingenio La Troncal por el Ing. José Guevara, Jefe de Calderas y Turbinas.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
63
3.3 ELECCIÓN DE LOS PRINCIPALES COMPONENTES DE LA
CENTRAL TERMICA
3.3.1 CALDERA O GENERADOR DE VAPOR
Introducción.
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que,
aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua
para aplicaciones en la industria.
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir
vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada
"marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina, la cual no
funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja
temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.
Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de
funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial
inglés muy conocido.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.
Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas
durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente
terreno frente a las turbinas.
Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia
directa) el mayor peso por KW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su
instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
64
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a
medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-
pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia
de un caballo.
Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más
de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió
redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en
homenaje a Watt.
3.3.1.1 GENERALIDADES
Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales:
Cámara de agua.
Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera.
El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en
unos 15 cm. por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores.
Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual
forma la cámara de agua.
Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la
superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y
pequeño volumen de agua.
Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción
antigua.
Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad
superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de calefacción.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
65
Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de
humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de
calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.
Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos
tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la
superficie de calefacción.
Como características importantes podemos considerar que las calderas de
gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión
del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el
encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy
peligrosas en caso de explosión y poco económicas.
Por otro lado, las calderas de pequeño volumen de agua, por su gran
superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy
buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren
especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles
alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.
Cámara de vapor.
Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe
separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el
consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que
aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.
3.3.1.2 TIPOS DE CALDERAS
• Calderas de Gran Volumen de Agua.
• Calderas con Hervidores.
• Calderas de Hogar Interior.
• Caldera de Mediano Volumen de Agua.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
66
Calderas de Pequeño Volumen de Agua.
Acuotubulares.
Las calderas acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en
centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor
diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las
máquinas a vapor de principios de siglo.
En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para
aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor
temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más
fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible
sólido.
La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista
entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión
y la temperatura.
A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con
tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho
líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se
aumente convenientemente su temperatura.
Tipos de calderas acuotubulares (Tipos, Características, Producción)
Figura 3.4 Tipos de calderas Acuotubulares
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
67
Un ejemplo de estas calderas es la caldera acuotubular STEINMÜLLER.
Estas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre
el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o cuerpo cilíndrico,
en donde se produce la separación del agua y el vapor. Además el vapor que se
obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un sobrecalentador.
La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una, a
una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de temperatura. Desde su
construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el año 1957 el Prof.
Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos, le incorporó sopladores y
quemadores para combustibles líquidos.
En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres
accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad,
termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.
A lo largo de los últimos 50 años, el concepto sobre el que se basa el proyecto
de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia
de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la
combustión, transmisión del calor, circulación del agua y de la mezcla agua-vapor y
del acondicionamiento del agua de alimentación.
Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaños, disposiciones,
capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.
La caldera de la derecha tiene un hogar con dos entradas para ingreso del
combustible sólido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal superior,
con las válvulas de seguridad incorporadas. Es para una presión de unas 30 atm. y
una temperatura de unos 400 ° C.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
68
Figura 3.5 Estructura de una caldera humotubular
En las calderas anteriores, la izquierda en cambio, es del tipo humotubular
altamente reforzada, con tubos sobrecalentadores en los mismos conductos de humo,
preparada para combustible líquido o gaseoso, y aplicaciones navales.
Ventajas:
• La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas
presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.
• Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.
• Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".
• La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo,
ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.
• El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no
excede los 20 minutos.
• Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los
requerimientos de normas.
• Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación
automática.
• Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.
• Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-
combustible a presión.
• El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo
que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
69
aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de
humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes
de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de
vapor hasta en un 20%.
Pirotubulares.
La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para
aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características.
El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición
horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y
una cámara superior de formación y acumulación de vapor.
La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de
adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de
salida de humos.
El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y
abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas
con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la
boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran
diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible
acumulación de lodos.
El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un
soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose como
unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones
a instalación.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
70
Tipos de calderas pirotubulares.
Calderas horizontales.
Las calderas de vapor pirotubulares OLMAR, se fabrican con producciones
comprendidas entre un mínimo de 200 Kg/h y un máximo de 17.000 Kg/h y con
presiones que pueden oscilar desde 8 Kg/cm2 hasta 24 Kg/cm2.
Figura 3.6 Calderas Horizontales.
Cada unidad pasa por estrictos controles durante el proceso de fabricación.
Los resultados de estos controles, a los que se suman los que realizan nuestros
proveedores en su propio material, conforman un Expediente de Control de Calidad.
De esta forma se cumple lo indicado en el Código de Construcción, así como en
todas las normas oficiales en vigor, tanto nacionales como de la Unión Europea.
Los procesos de soldadura están homologados y los operarios cualificados,
siendo las soldaduras radiografiadas según las exigencias del Código de Diseño
empleado.
A diferencia de otras calderas, cuya parte trasera solo es asequible por el
interior del hogar, la caldera de vapor dispone en la parte de atrás de una puerta
abisagrada y de apertura total que deja al descubierto todo el interior. La facilidad de
manipulación y la total accesibilidad, permiten al operario realizar las tareas de
limpieza y mantenimiento desde el exterior y lo que es muy importante, incluso
inmediatamente después de haber detenido el quemador.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
71
Proceso de Vaporización.
El vapor o el agua caliente se producen mediante la transferencia de calor del
proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando, de esta
manera, su presión y su temperatura.
Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que el recipiente
contenedor o recipiente de presión debe diseñarse de forma tal que se logren los
limites de diseño deseado, con un factor de seguridad razonable.
Por lo general, en las calderas pequeñas empleadas para la calefacción
domestica, la presión máxima de operación es de 104000 N/m2. En el caso del agua
caliente, esta es igual a 232oC (450oF).
Las calderas grandes se diseñan para diferentes presiones y temperaturas, con
base en la aplicación dentro del ciclo del calor para la cual se diseña la unidad.
Importancia de la elección de un buen combustible en las calderas.
• Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de
kilocalorías / kilo que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos
porcentajes de materias volátiles y de cenizas.
• Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la
combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las
diferentes combinaciones químicas.
• El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos
(puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar
en dos grandes categorías:
1) Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente,
cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etcétera.
2) Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como
tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
72
El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar
una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la
absorba.
Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad
exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se realice la
combustión completa.
Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar
el tiempo necesario para que la mezcla sea intima para que el combustible arda
completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión.
La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar consiste en relacionarla
directamente con el análisis del combustible usado, para el cálculo de la cantidad
necesaria de aire y de 103 productos gaseosos formados.
Aspectos importantes en la operación de calderas.
• Problema de tubos secos.
• Caudal de circulación: a partir del cálculo de la pérdida de carga en flujo
bifásico.
• Inestabilidad: repartición desigual del caudal entre tubos.
• Separación: evitar arrastre de vapor en el agua líquida y de gotas en el vapor.
• Control de la calidad del agua: tratamiento, PH, conductividad, niveles de
fosfatos.
3.3.1.3 RENDIMIENTO DE UNA CALDERA DE VAPOR
Rendimiento útil
Rendimiento útil: potencia útil de la caldera / potencia calorífica obtenida al quemar
el combustible.
Ș = Q / (m .PCI)
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
73
• Potencia útil de la caldera: caudal másico del vapor · cambio de entalpía
h m Q Δ=
• Potencia calorífica obtenida al quemar el combustible: consumo combustible
m · PCI
Pérdidas de calor.
Las pérdidas de calor que se generan en el funcionamiento de una caldera son:
• Pérdidas en chimeneas.
• Pérdidas por radiación y convección.
Pérdidas en chimeneas.
Las pérdidas que se generan en la combustión y que salen a través de la
chimenea son dos:
• pérdidas de calor sensible.
• pérdidas por inquemados.
Pérdidas de calor sensible = pérdidas más importantes
Depende esencialmente del porcentaje de CO2 y de la temperatura de humos
en la chimenea. A su vez, el porcentaje de CO2 depende del tipo de combustible
utilizado y del exceso de aire en la combustión. Para determinar las pérdidas del
calor sensible aplicaremos la fórmula siguiente:
Pérdidas del calor sensible ( )TaThPCI
CcVc−=
*
Vc: Volumen de gases de combustión en Nm3/kg
Cc: Calor específica de los gases de combustión (1.38-1.46 kJ/Nm3 K)
Th: Temperatura de humos en chimenea en ºC
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
74
Ta: Temperatura ambiente en ºC
PCI: Poder calorífico inferior del combustible (kJ/kg)
3.3.1.4 ELECCIÓN DE LA CALDERA
Para la Central Térmica de Yunguilla se elegirá una caldera de tipo
acuotubular, debido al tipo de central y rendimiento que presentan dichos
generadores de vapor, basándonos en la producción de vapor obtenido anteriormente
según la relación de la cantidad de bagazo.
Cálculo de la cantidad de vapor.
• Sabiendo que 0.5 Kg. de bagazo produce 1 Kg. de vapor, entonces:
KgTonelada 10001 =
KgToneladas 3680100068.3 =× de bagazo por hora
hKgKg
73605.0
3680= de vapor
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
75
CALDERA ELEGIDA
FABRICANTE: “CIT”
TABLA DE CARACTERÍSTICAS
Modelo Producción
Kg/v/h. Superficie de
calefacción m². Volumen m³.
Longitud mm.
Altura mm.
Anchomm.
CIT - 15 400 15 0,96 1.800 2905 1700
CIT - 20 500 20 1,06 2000 2905 1700
CIT - 25 800 25 1,33 2480 2905 1700
CIT - 30 900 30 1,50 2760 2905 1700
CIT - 35 1100 35 1,83 3320 2905 1700
CIT -.42 1400 42 2,15 3524 2905 1700
CIT - 50 1800 50 2,40 4360 2905 1700
CIT - 40 1000 40 1,85 2440 3650 2260
CIT - 60 1600 60 2,30 2780 3650 2260
CIT - 70 2000 70 2,50 2996 3650 2260
CIT - 85 2400 85 2,85 3260 3650 2260
CIT - 110 3000 110 3,35 3600 3650 2260
CIT - 150 4000 150 4,46 4040 3650 2260
CIT - 175 4500 175 5,35 4640 3650 2260
CIT - 180 5000 180 4,82 3860 4650 3060
CIT - 210 6000 210 5,44 4210 4650 3060
CIT - 230 7500 230 6,74 4973 4650 3060
CIT - 350 10000 350 8,06 5600 4650 3060
CIT - 410 12000 410 9,10 6300 4650 3060
CIT - 470 14000 470 9,60 6662 4650 3060
CIT - 500 16000 500 10,80 7930 4650 3060
CIT - 505 18000 500 16,50 7220 6400 4250
CIT - 650 20000 650 18,10 7830 6400 4250
CIT - 800 25000 800 19,30 8600 6400 4250
CIT - 950 30000 950 21,50 9620 6400 4250
Tabla 3.2 Características técnicas de calderas.
CARACTERISTICAS DE CALDERA ELEGIDA
Fabricante.………………………C.I.T
Producción de vapor…………….7500 Kg/Vap/H
Superficie de calefacción………..230 m2
Volumen…………………………6.74 m3
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
76
3.3.1.5 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN A LA
CALDERA
Este dato nos permitirá conocer la cantidad de agua necesaria, que se
necesitará alimentar a la caldera en una unidad de tiempo.
.1 caldVmQ η⋅⋅= &
m& = Flujo másico de vapor (Cantidad de vapor por unidad de tiempo)12.
1V = Volumen especifico de líquido saturado a la entrada de la caldera.
.caldη =Rendimiento de la caldera
hltQ
hmQ
Kgm
hKg
Q
52.6070
070.6
8.0001031.07360
3
3
=
=
⋅⎟⎠⎞⎜
⎝⎛⋅=
hlitrosQ 52.6070=
3.3.2 TURBINA DE VAPOR
3.3.2.1 INTRODUCCION
El éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la
turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la máquina de vapor de
vaivén desarrollada por Watt utilizaba la presión del vapor, la turbina consigue
mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de éste. La turbina puede
ser más pequeña, más ligera y más barata que una máquina de vapor de vaivén de la
misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las máquinas de vapor
convencionales. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir
directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro
medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, 12 Dato obtenido en el literal 3.2.3 Cálculo de la cantidad de vapor.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
77
la turbina de vapor ha reemplazado a las máquinas de vaivén en las centrales
generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión
a chorro.
Las turbinas de vapor se utilizan en la generación de energía eléctrica de
origen nuclear y en la propulsión de los buques con plantas nucleares. En las
aplicaciones de cogeneración que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso
industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se
extrae desde la turbina a la temperatura y la presión que necesita el proceso
industrial. Las turbinas de vapor pueden utilizarse en ciclos (escalones) combinados
con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las unidades
industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y
generadores eléctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW.
La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino que fue el
resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de
los participantes más notables en este desarrollo fueron el británico Charles Algernon
Parsons y el sueco Carl Gustaf Patrik de Laval. Parsons fue responsable del
denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias
fases, aprovechándose su energía en cada una de ellas. De Laval fue el primero en
diseñar chorros y palas adecuados para el uso eficiente de la expansión del vapor.
Funcionamiento de la turbina de vapor.
El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio
termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su
temperatura y se reduce su energía interna. Esta reducción de la energía interna se
transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que
permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se
expande, la reducción de su energía interna en 400 cal. puede producir un aumento
de la velocidad de las partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía
disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
78
Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de
las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los
que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía
cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta
velocidad. La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de turbina.
Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o
tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los
tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y
varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores.
3.3.2.2 TIPOS DE TURBINA DE VAPOR
La forma más sencilla de turbina de vapor es la denominada turbina de
acción, en la que los chorros de la turbina están sujetos a un punto dentro de la
carcasa de la turbina, y las palas están dispuestas en los bordes de ruedas que giran
alrededor de un eje central. El vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las
palas. Éstas absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que
hace girar la rueda y con ella el eje al que está unida. La turbina está diseñada de
forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una
serie de boquillas hasta que ha perdido la mayor parte de su energía interna.
En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del
vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas
móviles y las otras fijas. Las palas están colocadas de forma que cada par actúa como
una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande. Las palas de las
turbinas de reacción suelen montarse en un tambor en lugar de una rueda. El tambor
actúa como eje de la turbina.
Para que la energía del vapor se utilice eficientemente en ambos tipos de
turbina, es necesario utilizar varios escalones en cada uno de los cuales se convierte
en energía cinética una parte de la energía térmica del vapor. Si se hiciera toda la
conversión de los dos tipos de energía en un solo escalón, la velocidad rotatoria de la
rueda sería excesiva. Por lo general, se utilizan más escalones en las turbinas de
reacción que en las turbinas de acción. Se puede comprobar que, con el mismo
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
79
diámetro y la misma cantidad de energía, la turbina de reacción necesita el doble de
escalones para obtener un rendimiento máximo. Las turbinas más grandes, que
normalmente son de acción, emplean hasta cierto grado la reacción al principio del
recorrido del vapor para que el flujo de vapor sea eficaz. Muchas de las turbinas de
reacción utilizan primero un escalón de control de acción, lo que reduce el número de
escalones necesarios.
A causa del aumento de volumen del vapor cuando se expande, es necesario
aumentar en cada escalón el tamaño de las aberturas a través de las cuales pasa el
vapor. Durante el diseño real de las turbinas, este aumento se consigue alargando las
palas de un escalón a otro y aumentando el diámetro del tambor o la rueda a la que
están acopladas las palas. También se agregan dos o más secciones de turbina en
paralelo. Como resultado de esto, una turbina industrial pequeña puede ser
prácticamente cónica, con el diámetro más pequeño en el extremo de entrada, de
mayor presión, y el diámetro mayor en el extremo de salida. Las grandes turbinas de
una central eléctrica nuclear pueden tener cuatro rotores con una sección de alta
presión con flujo doble, seguida de tres secciones de baja presión y flujo doble.
Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una
sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares
para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje
para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y
un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire
entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de
vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza
axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un pistón de
equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor.
La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es
alta, dado el avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las
turbinas y la posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes,
con un sistema de recalentamiento. El rendimiento que se obtiene al transformar en
movimiento la energía teóricamente disponible suele superar el 90%. La eficiencia
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
80
termodinámica de una instalación de generación con vapor es mucho menor, dada la
pérdida de energía del vapor que sale de la turbina.
3.3.2.3 DIMENSIONAMIENTO
Cálculo de potencia: Para evaluar la potencia de una turbina de vapor
requerimos de los siguientes datos:
• Pi = Presión de entrada del vapor. (MPa)
• Ti = Temperatura de entrada del vapor. (K)
• P0= Presión de salida del vapor. (MPa)
• ηi = Eficiencia interna de la turbina.
• ηm = Eficiencia mecánica de la turbina
• mv = Flujo del vapor. (t/h)
Con estos datos y con la ayuda del diagrama de Molliere o de las tablas de
vapor, se obtiene, aplicando el modelo de volumen de control, la energía que produce la
máquina, teniéndose la siguiente información:
• W= Potencia en la flecha. (W)
• T0= Temperatura de salida del vapor. (K)
• hi= Entalpía de entrada del vapor. (kJ/kg)
• h0= Entalpía de salida del vapor. (kJ/kg)
• Tis= Temperatura de sobrecalentamiento del vapor a la entrada. (K)
• T0s= Temperatura de sobrecalentamiento a la salida, cuando exista. (K)
• χ= Calidad del vapor, cuando exista.
• CEV= Consumo especifico de vapor. (kg/Kw)
Con estos valores queda establecida la capacidad de generación eléctrica y las
características del vapor del proceso.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
81
Figura 3.7 Diagrama P-V y T-S
La potencia de salida de la turbina, considerándola como grupo
turbogenerador se evalúa conforme a la siguiente expresión:
En donde W es la potencia real entregada por la turbina en wattios.
( )netoneto WmW && =
3.3.2.4 ELECCIÓN DEL TURBOGENERADOR
Para la elección del turbogenerador nos basamos en la producción de vapor
por segundo, que en este caso tenemos 2.04 Kg/seg.y a su ves en la presión de la
caldera elegida.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
82
FABRICANTE WABASH
CARACTERISTICAS TECNICAS DEL TURBOGENERADOR
Tabla 3.3 Características técnicas de Turbinas.
CARACTERÍSTICAS DE LA TURBINA ELEGIDA
Fabricante…………………………WABASH
Capacidad…………………………750Kw
Velocidad………………………….3600rpm
Flujo másico……………………….2Kg/seg
Presión de entrada…………………250psi
Presión de salida…………………..10psi
CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR ELEGIDO
Fabricante…………………………WABASH
Potencia……………………………938KVA
Velocidad………………………….3600rpm
Voltaje……………………………2400V
Corriente…………………………226A
Factor de potencia……………….0.8
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
83
3.3.3 CICLO DE POTENCIA DE VAPOR REAL DE LA CENTRAL
TERMOELÉCTRICA “YUNGUILLA”
Hay que considerar que es un ciclo cerrado Ranking.
Dibujo esquemático del sistema.
Figura 3.8 Esquema del sistema.
Especificaciones técnicas del Turbo-Generador.
Presión de entrada…………….. 250PSI 1.72MPa
Temperatura de entrada……….. 500°F 260°C
Presión de salida……………… 10PSI 68.96Kpa
PSIPa 410450.11 −×= 8.1
32−°=°
FC
Șp% = Eficiencia adiabática de la bomba = 85%
ȘT % = Eficiencia adiabática de la turbina = 75%
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
84
Figura 3. 9 Esquema del sistema real
Figura 3.10 Diagrama T-S
Entrada de trabajo a al bomba. (Agua Saturada).
( )p
PPV
p
enbombaWsenWbomba
ηη121,,
,−
==
1V = volumen especifico del liquido saturado.
KgmV
3
1 001031.0=
( )[ ]⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅
−=
3
3
1
1
85.0
20.552580)001031.0(,
mKPa
KJkPa
Kgm
enWbomba
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
85
KgKJenWbomba 06.3, =
Salida de trabajo de la turbina. (Agua Sobrecalentada).
salturbWsTsalWturbina ,,, ⋅=η
( )shhTsalWturb 65, −⋅=η
KgKJh 27355 =
fgsfs hXhh ⋅+= 66
sX 6 = Calidad de vapor
fg
f
sS
SSX
−= 6
6
* MPaP 72.15 = (Agua Sobrecalentada)
( )KKg
KJS
SS
.6066.66
65
=
=
* KPaP 96.686 = (Agua Saturada)
( )
( )KKgKJS
kKgKJS
fg
f
.3060.6
.1835.1
=
=
( ) ( )
( )86.0
.3060.6
.1835.16066.6
6
6
=
−=
s
s
X
KKgKJ
kKgKJ
X
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
86
KgKJh
KgKJh
fg
f
2.2327
39.381
=
=
( )
KGKJh
KgKJ
KgKJh
hxhh
s
s
fgsfS
2382
2.232786.039.381
6
6
66
=
+=
⋅+=
( )( )
KGKJsalWturb
KgKJsalWturb
hhTsalWturb s
75.264,
2382273575.0,
, 65
=
−=
−⋅=η
Entrada de calor a la caldera.
enq = Calor absorbido
34 hhqen −=
* 4h (Agua Sobrecalentada)
KgKJh 8.30084 =
* 3h (Agua Saturada)
Kg
KJh 57.1673 =
( )
KgKJq
KgKJq
en
en
23.2841
57.1678.3008
=
−=
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
87
Por tanto.
( )
KgKJW
KgKJW
WWW
neto
neto
enbombasalturbneto
69.261
06.375.264
,,
=
−=
−=
La potencia producida por esta planta eléctrica.
( )netoneto WmW && =
m& = Flujo másico de vapor (Cantidad de vapor por unidad de tiempo).
sgKg
m 04.2=& De vapor (Cálculo de combustible).
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛=
KgKJ
KgKJWneto 69.26104.2&
KWWneto 535=&
3.3.4 INTERCAMBIADOR DE CALOR (CONDENSADOR)
El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de
tamaños y tecnología como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento
químico, calefacción y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores
domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos especiales, etc.
En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los
radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por
conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por
una pared metálica.
En las calderas y los condensadores, es de fundamental importancia la
transferencia de calor por ebullición y condensación.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
88
En ciertos tipos de intercambiadores de calor, como las torres de
enfriamiento, el flujo caliente (es decir, el agua) se enfría mezclándola directamente
con el fluido frío (es decir, el aire) o sea que el agua se enfría por convección y
vaporización al pulverizarla o dejarla caer en una corriente (o tiro) inducida de aire.
En los radiadores de las aplicaciones especiales, el calor sobrante,
transportado por el líquido refrigerante, es transmitido por convección y conducción
a la superficie de las aletas y de allí por radiación térmica al vacío.
En consecuencia el diseño térmico de los intercambiadores es un área en
donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.
El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más
complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del
diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las
condiciones económicas.
Así por ejemplo, aunque las consideraciones de costos son muy importantes
en instalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de proceso químico
las consideraciones de peso y de tamaño constituyen el factor predominante en la
selección del diseño en el caso de aplicaciones especiales y aeronáuticas. Por lo tanto
en este trabajo es importante hacer un tratamiento completo del diseño de
intercambiadores de calor.
Para la clasificación de los intercambiadores de calor tenemos tres categorías
importantes:
Regeneradores.
Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a
través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca
mezcla física como sea posible entre las dos corrientes.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
89
La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica, es
muy importante en este dispositivo.
Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y
del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades
que deben conocer para analizar o diseñar los regeneradores.
Intercambiadores de tipo abierto.
Como su nombre lo indica, los intercambiadores de calor de tipo abierto son
dispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cámara
abierta, y ocurre una mezcla física completa de las corrientes.
Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este intercambiador
salen mezcladas en una sola.
El análisis de los intercambiadores de tipo abierto involucra la ley de la
conservación de la masa y la primera ley de la termodinámica; no se necesitan
ecuaciones de relación para el análisis o diseño de este tipo de intercambiador.
Intercambiadores de tipos cerrados o recuperadores.
Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre
transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen
contacto entre sí.
Las corrientes de fluido que están involucradas en esa forma están separadas
entre sí por una pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar
involucrada en el camino de la transferencia de calor.
En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por la convección desde el
fluido más cliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido y de ahí
por convección desde la superficie sólida al fluido más frío.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
90
3.3.4.1 TIPOS DE INTERCAMBIADORES.
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basándose en:
clasificación por la distribución de flujo. Tenemos cuatro tipos de configuraciones
más comunes en la trayectoria del flujo.
En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por
el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y
salen por el otro extremo.
Figura 3.11 Flujo equicorriente
En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por
los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.
Figura 3.12 Flujo contracorriente
En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza
dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
91
Figura 3.13 Flujo cruzado
En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza
transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.
Clasificación según su aplicación. Para caracterizar los intercambiadores de
calor basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales. Los
términos empleados para los principales tipos son:
Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los
intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor
para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo
caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura elevada.
Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas
como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas
nucleares para vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores de
superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.
El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que
el condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.
Intercambiadores de calor de coraza y tubos: Las unidades conocidas con
este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados
dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
92
Figura 3. 14 Intercambiador de coraza
Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y
también en algunos casos los intercambiadores gas-gas.
Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los
coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es
generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que
los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido-líquido en un factor de
10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma
cantidad de calor.
Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias
dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de
construcción. La configuración más común de flujo de intercambiadores líquido-
líquido de coraza y tubos.
Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el
lado de los tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de
deflectores para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través
de él.
Intercambiadores compactos de calor: La importancia relativa de criterios
tales como potencia de bombeo, costo, peso y tamaño de un intercambiador de calor
varía mucho de una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar
tales criterios con respecto a la clase de aplicación.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
93
Figura 3.15 Intercambiador compacto
Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o
en vehículos aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy
importantes.
Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la
superficie de menor coeficiente de transferencia de calor.
Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño y
dimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se han
diseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones.
Radiadores para plantas de fuerza espaciales: La remoción del calor
sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para
la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial
presenta problemas serios aún en plantas que generan sólo unos pocos kilovatios de
electricidad.
La única forma de disipar el calor sobrante de un vehículo espacial es
mediante la radiación térmica aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la
temperatura absoluta de la superficie y el flujo de calor radiante.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
94
Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales
el ciclo termodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece
al rojo. Aún así es difícil de mantener el tamaño del radiador para vehículos
espaciales dentro de valores razonables.
3.3.4.2 EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR
La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la
transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima
transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor.
A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor
capacidad mediante c.
En el caso del contra flujo, es aparente que conforme se aumenta el área del
intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la
temperatura de entrada del fluido máximo en el límite conforme el área se aproxima
al infinito.
En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura
de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente
en un intercambiador de tipo abierto.
Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan la
transferencia de calor lograda, por diferentes tipos de intercambiadores de calor.
3.3.4.3 CÁLCULO Y DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR
Para el diseño del intercambiador necesitamos saber el caudal de agua
necesario para condensar el vapor que sale de la turbina, el mismo que nos servirá
para utilizar nuevamente en la caldera. Para nuestro proyecto se elegirá un
intercambiador superficial de tubos que es el utilizado en centrales térmicas.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
95
Salida de calor en el condensador (intercambiador de calor).
16 hhq ssal −=
KgKJh
KgKJh
s 2382
64.349
6
1
=
=
( )
KgKJq
KgKJq
sal
sal
82.2032
64.34946.2382
=
−=
Caudal de agua de salida del intercambiador de calor.
TpVmQ ηη ⋅⋅⋅= 6&
m& = Flujo másico de vapor.
6V = Volumen específico a salida de la turbina13.
pη = Rendimiento de la bomba=0.85
Tη = Rendimiento de la turbina=0.75
hmQ
Kgm
hKg
Q
3
3
856.4
)85.0()75.0(001035.07360
=
⋅⋅⋅=
hltQ 22.4856=
Es necesario tener en cuenta que el caudal que sale del intercambiador no es
el mismo que entra a la turbina, debido a las pérdidas que se sufre durante el proceso
de conducción del fluido, por lo tanto las pérdidas de caudal son:
hm
hm
hmQQQ ercsalcalentperd
333
.int... 20.185.407.6 =−=−=
13Dato de la tabla A-5 de agua saturada -tabla de presiones, del libro de Termodinámica tomo II, 2da edición. Autor: Yunus A. Cengel, Michael A. Boles
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
96
Por lo tanto se hace necesario inyectar esta cantidad de fluido a la cadera
para compensar las pérdidas.
DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR
Datos14:
C21.11F70generalen frío fluido del aTemperatur
7.5fluido del VelocidadV
3m tubodel LongitudL
0.022m7/8" tuberíala de externo Diámetrod
.8máxima Carga
8.1615604.2descarga deVapor
1
2
°=°==
==
=====
=
==
t
spie
piehlb
hlb
sKg
Figura 3.16 Intercambiador de calor de tubos.
Cálculo de la superficie de transferencia de calor
2
2
6.2019
.8
8.16156
máxima aarg
descarga deVapor
pie
piehlb
hlb
A
CA
==
=
27.187 mA =
14 D, L, V y t1 son datos obtenidos del libro de “Procesos de transferencia de calor” de Donald Q. Kern. Editorial Continental
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
97
Área de superficie del tubo.
LdA tubos ⋅⋅= π,
2, 207.03022.0 mmmA tubos =⋅⋅= π
Número de tubos del intercambiador de calor.
tubodel lsuperficia Area
calor de ncia transferede Superficie=tubosN
tubos76.906207.0
7.1872
2
==m
mN tubos
Para el diseño y la coordinación de la distribución de los tubos, asumimos que
en el lado a del intercambiador entran 35 tubos con un espacio entre ellos de un
diámetro del mismo que en nuestro caso es de 7/8”, y en el lado b realizamos una
distribución de 26 tubos.
mL
mma
mmb
3
54.1022.0235
15.1022.0226
==⋅⋅==⋅⋅=
Figura 3.17 Dimensiones y distribución de tubos del intercambiado diseñador.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
98
Temperatura del fluido de salida
tD
s
saVanLUanti
tTTt
´1
2/"000279.0log ⋅⋅⋅⋅⋅
−−=
Donde:
2t = Temperatura del fluido de salida
sT = Temperatura del vapor de agua [°F]
1t = Temperatura del fluido frió en general.
DU = Coeficiente total de diseño.
L = longitud del tubo [pies]
n = # de pasos en los tubos.
a” = Área exterior por pie lineal [pies]
V = Velocidad del agua [pies/sg]
ta´ = agua de flujo por tubo [pulg2]
sT = 140°F
vCCCCU tLTCLD ⋅⋅⋅=
CLC = Factor de limpieza
TC = Factor de temperatura
LC = Factor de carga
tC = Factor para el tubo.
Fn
BtuU
U
D
D
°=
⋅⋅⋅⋅=
)(612
5.72631185.0
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
99
Ct
Ft
anti
FFFt
°=°=
⋅⋅⋅⋅⋅°−°
−°=
5.49
13.121
)475.05.7/()229.0226612000279.0log(
70140140
2
2
2
Gasto de agua de circulación
segltG
galG
FF
hlb
G
tt
adescdeVaporG
o
o
o
o
4
min600
500)7013.121(
9508.16156
500)(
950arg
12
=
=
×°−°
×=
×−×
=
3.3.5 BOMBAS
3.3.5.1 INTRODUCCIÓN
Las bombas son de gran importancia en el trasiego de fluidos, debido a su
capacidad de producir vacío, con lo cual se puede empujar el fluido hacia donde se
desee transportar. Existe una infinidad de bombas las cuales tienen distintas
funciones, todo depende del tipo de fluido de la temperatura a la cual se va a
transportar y la presión que se soportará.
Así surgen las bombas centrífugas que fundamentalmente son máquinas de
gran velocidad en comparación con las de movimiento alternativo, rotativas o de
desplazamiento. Funciona a altas velocidades, acopladas directamente al motor de
accionamiento, con lo que consigue que las pérdidas por transmisión sean mínimas.
Una bomba o una máquina soplante centrífuga consta esencialmente de uno o
más rodetes provistos de álabes, montados sobre un árbol giratorio y cerrado en el
interior de una cámara de presión denominada cubierta.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
100
Principio y Funcionamiento.
Un equipo de bombeo es un transformador de energía, mecánica que puede
proceder de un motor eléctrico, térmico, etc. Y la convierte en energía, que un
fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad.
Así se tendrán bombas que funcionen para cambiar la posición de un cierto
fluido. Por ejemplo la bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el
agua del subsuelo se eleve a la superficie.
Un ejemplo de bombas que adicionan energía de presión sería una bomba en
un oleoducto, en donde las cotas de altura así como los diámetros de tuberías y
consecuentemente las velocidades fuesen iguales, en tanto que la presión fuesen
iguales, en tanto que la presión fuese incrementada para poder vencer las perdidas de
fricción que se tuviesen en la conducción.
Existen bombas que trabajan con presiones y alturas iguales que únicamente
adicionan energía de velocidad. Sin embargo a este respecto hay muchas
confusiones en los términos presión y velocidad por la acepción que llevan implícita
de las expresiones fuerza-tiempo. En la mayoría de las aplicaciones de energía
conferida por la bomba es una mezcla de las tres. Las cuales se comportan de
acuerdo con las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos.
Lo inverso a lo que sucede en una bomba se tiene en una máquina llamada
comúnmente turbina, la cual transforma la energía de un fluido en sus diferentes
componentes citadas en energía mecánica.
Para una mayor claridad, buscando una analogía con las máquinas eléctricas,
y para el caso específico del agua, una bomba sería un generador hidráulico, en tanto
que una turbina sería un motor hidráulico.
Normalmente un generador hidráulico (bomba) es accionado por un motor
eléctrico, térmico, etc. mientras que un motor hidráulico (turbina) acciona un gene-
rador eléctrico.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
101
Tratándose de fluidos compresibles el generador suele llamarse compresor y
el motor puede ser una turbina de aire, gas o simplemente un motor térmico.
3.3.5.2 TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES
Existen básicamente de dos tipos: de acción directa, movidas por vapor y las
bombas de potencia. Existen muchas modificaciones de los diseños básicos,
construidas para servicios específicos en diferentes campos algunas se clasifican
como bombas rotatorias por los fabricantes, aunque en realidad utilizan el
movimiento recíprocamente de pistones o émbolos para asegurar la acción de
bombeo.
La clasificación de estas es:
• Pistón
• Embolo
• Diafragma
Bomba centrifuga horizontales.
Clases, tipos y componentes principales.
Las bombas centrifugas se fabrican en dos tipos: el horizontal y el vertical.
La bomba primera tiene un propulsor vertical conectado a un eje horizontal. La
bomba de tipo vertical consta de un propulsor horizontal conectado a un eje vertical.
La bomba centrifuga funciona bajo el principio de la centrifugación, en estas
bombas el motor o cualquier otro medio que las accione hace girar una hélice con las
arpas sumergidas en agua y encerradas en un estuche. El agua penetra en la caja e
inmediatamente en el flujo del centro de dicho impulsor hacia los bordes del mismo
o a las cajas parte exterior de la caja donde se eleva con rapidez la presión de la
carga.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
102
Para aligerar esta presión, el agua escapa por el tubo de salida. La bomba
centrifuga no funciona hasta que la caja queda totalmente llena de agua o cebada.
Tanto las verticales como las horizontales succionan agua dentro de sus
propulsores, por lo que deben ser instaladas a solo unos cuatro metros sobre la
superficie del agua.
En estas condiciones el tipo vertical tiene mayor ventaja, porque puede
bajarse a la profundidad que separa el bombeo y el eje vertical es lanzado a la
superficie donde está el motor. La bomba centrifuga se limita al bombeo en los
depósitos de agua, lagos o pozos poco profundos, donde la succión no es mayor de 6
metros.
La bomba centrifuga horizontal es la más usada, cuesta menos, es fácil de
instalar y es más accesible para su inspección y mantenimiento, sin embargo,
requiere mayor espacio que la bomba de tipo vertical. En la siguiente figura se
muestra una bomba horizontal típica.
Figura 3.18 Sección transversal de una bomba centrifuga horizontal moderna
Existen varias formas de clasificar las bombas centrifugas y entre ellas se tienen
las siguientes:
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
103
Clasificación según el tipo de impulsor.
Impulsor abierto.
En esta clase de impulsor las paletas están unidas directamente al núcleo del
impulsor sin ningún plato en los extremos. Su uso está limitado a bombas muy
pequeñas, pero se puede manejar cualquier líquido y además inspeccionarlo es muy
sencillo. El impulsor se visualiza en la siguiente figura:
Figura 3.19 Impulsor abierto
Impulsor semi-abierto.
Su construcción varia en que está colocado un plato en el lado opuesto de la
entrada del liquido y por ende esta más reforzada que el impulsor abierto como las
paletas a estar unidas tienen la función de disminuir la presión en la parte posterior
del impulsor y la entrada de materiales extraños se alojan en la parte posterior del
mismo.
Figura 3.20 Impulsor semi-abierto
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
104
Impulsores cerrados.
Este impulsor se caracteriza porque además del plato posterior lo rodea una
corona circular en la parte anterior del impulsor. Esta corona es unida también a las
paletas y posee una abertura por donde el líquido ingresa al impulsor. Este es el
impulsor mas utilizado en las bombas centrifugas por su rendimiento que es superior
a las dos anteriores. Hay que hacer notar que debe ser utilizado en líquidos que no
tienen sólidos en suspensión.
Figura 3.21 Impulsor cerrado
Clasificación según el tipo de succión.
Los cuales pueden ser:
• Simple succión
• Doble succión
Las bombas de simple succión admiten agua solo por un lado del impulsor,
mientras que las de doble succión lo hacen por ambos lados.
Hay que hacer notar que las bombas de doble succión funcionan como si
existieran doble (dos) impulsores, uno en contra posición del otro y esto elimina el
problema de empuje axial. Otra ventaja es la seguridad con la que trabajan frente a
la cavitación, ya que el área de admisión del agua es superior a las de las bombas de
simple succión.
Clasificación según del número de impulsores empleados.
• Bombas de una fase
• Bombas de múltiples fases
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
105
Las bombas de una sola fase es la que la carga o altura manométrica total es
proporcional por un único impulsor. Ahora la bomba de múltiples fases alcanza su
altura manométrica o carga con dos o más impulsores, actuando en serie en una
misma carcaza y un único eje, es por esto que las bombas de múltiples fases es
utilizada en cargas manométricas muy altas.
3.3.5.3 BOMBAS CENTRÍFUGAS
Determinación de la potencia absorbida.
Potencia absorbida por la bomba.
La potencia absorbida por una bomba centrífuga es la requerida por esta en su
acoplamiento o al eje de la máquina de accionamiento, potencia mecánica que se
obtiene mediante la siguiente fórmula:
Con:
• ȡ en Kg/dm3
• g en m/s2
• Q en l/s
• H en m
La potencia absorbida por la bomba P puede obtenerse también, con bastante
exactitud, de la curva característica de la bomba, para una densidad ȡ = 1.0 Kg. /dm3.
Si la densidad ȡ fuera otra, se modifica la potencia resultante de la curva.
3.3.5.4 ELECCIÓN DE LA BOMBA CENTRIFUGA
Para la elección de la bomba se tomará en cuenta el caudal de agua que
tenemos a la salida del intercambiador de calor que según el cálculo anterior
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
106
obtuvimos 4.856 m3/h., además los metros de columna de agua obtenida de la
siguiente manera:
g
PH
⋅Δ
=ρ
PΔ = Variación de presión =Presión de salida –Presión de entrada
ρ = Densidad del agua= 31000m
Kg
g= Gravedad=0.981 2sm
Reemplazando datos tenemos:
23 8.91000
2524800
sm
mKg
PaH
⋅=
mcaH 8.257=
BOBMBA ELEGIDA
FABRICANTE: “GOULDS PUMPS”
TABLA DE CARACTERISTÍCAS15
Caudal Altura Rend. BEP NPSHr Potencia Motor Caudal Mín.
5m3/h 331m 60.6% 67% ------- 7.36Kw ------- 2.27m3/h
Tabla 3.4 Características técnicas de la bomba seleccionada.
15 Tabla obtenida de la página WEB: www.pump-flo.com
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
107
Figura 3.22 Curva característica de la bomba elegida.
CARACTERISTICAS DE LA BOMBA ELEGIDA
Fabricante………………………………Guolds Pupms
Tipo……………………………………..SUB
Velocidad……………………………….3450rpm
Caudal…………………………………..5m3/h
Potencia…………………………………7.36Kw
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
108
3.3.6 TUBERIAS DE PRESIÓN
Normalmente la tubería que se utiliza en este tipo de centrales son tuberías de
acero, de cédula 4016, debido al fluido que se va a utilizar y al manejo de diferentes
presiones.
CÁLCULO Y ELECCIÓN DE LA TUBERÍA
Para el cálculo de la tubería de presión se tomará en cuenta el caudal y la
velocidad de vapor en una unidad de tiempo.
v
VmA
V
QA
AvQ
4⋅=
=
⋅=
&
A= Área de la tubería.
m& = Flujo másico de vapor.
v = Velocidad del vapor.
4V = Volumen específico de vapor saturado.
22
3
4
lg35022.0
5.7
083.004.2
pmA
sm
Kgm
sKg
A
v
VmA
==
⋅=
⋅=
&
lg6.6 pD =
D= Diámetro de la tubería.
16 Comúnmente conocido como estándar o tubería de un espeso normal.
Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa
109
TUBERIA ELEGIDA
TABLA DE CARACTERISTICAS17
Tabla 3.5 Características técnicas de tuberías de presión.
CARACTERISTICAS DE LA TUBERIA ELEGIDA
Sección…………………………35 plg2.
Diámetro exterior………………6.62 plg.
Cédula…………………………..40*
Peso por pie lineal……………...19 lb de acero.
Tamaño del tubo………………..6 plg.
Presión/prueba………………….125kg/cm2.
17 Tabla obtenida de la página WEB: http://www.dipacmanta.com