CAPITULO II
Introduccin.2
2.1.- Generalidades y clasificacin de las calderas...................................3
2.2.- Sistema de alimentacin y quemado de combustible..7
2.3.- Produccin y caractersticas del vapor9
2.4.- Turbinas de vapor, clasificacin y caractersticas de diseo.......................10
2.5.- Ciclos trmicos con calderas y turbinas.....11
2.6.- Sistemas de recuperacin de condensado y torres de enfriamiento.11
2.7.- Sistemas y equipos de tratamiento de agua..13
Conclusiones.15
NDICE
2
Desde componentes diminutos pero nada insignificantes como las vlvulas de
presin y termmetros baromtricos una central trmica hasta los componentes
gigantescos que llegan a medir varios metros como el caso de las turbinas, es digna
de detenerse a su estudio detallado y cronolgico.
Ya que resulta beneficioso por las variadas ventajas que pueden ofrecer el conocer
el diagrama esquematizado y conexiones de una central trmica no solo por sus
recompensas monetarias que se obtienen en post produccin sino tambin de
manera relevante llama atencin de estudiosos ingenieros elctricos, mecnicos y
electromecnicos la manera singular de sus formas de actuacin o de trabajo es
decir al momento de entrar en accin.
Por ello en esta obra se encuentra una recopilacin y depuracin de informacin
fundamentada de libros de texto escritos por autores de renombre y otras
aportaciones de empresas fabricantes de modelos especficos de los diversos
componentes que enseguida se escudriarn y revisaran minuciosamente
utilizando ejemplos de centrales con componentes fabricados dentro y fuera del
pas.
INTRODUCCIN.
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Tcnicamente se concibe como caldera a un recipiente en el que se lleva a cabo la
calefaccin del agua para ser convertida en vapor, por extensiones, se conoce
tambin con este nombre a todos los componentes auxiliares en conjunto como el
hogar llamado as al lugar donde se quema el combustible para producir el calor
necesario, los conductos de humo de combustin, los economizadores de agua de
alimentacin, los recalentadores de vapor, etc. Es decir que en trminos propios,
recibe el nombre de caldera todo el sistema de presin en el que el agua se
transforma en vapor, como producto final, por cesin de calor de una fuente a una
temperatura mucho ms alta.
Muchas veces se reserva el nombre de caldera cuando la presin del vapor es baja
y se denomina generador de vapor, si el funcionamiento se efecta a altas
presiones de vapor. Si el dispositivo utiliza gases o humos de combustin
producidos en un hogar independiente se denomina caldera de recuperacin y
finalmente cuando se utiliza para calentar otro fluido (generalmente agua o vapor a
presin), lleva el nombre de cambiador de calor o, tambin el de intercambiador de
calor. La parte central de una caldera es el almacn de combustin denominada
hogar (fig. 2.1)
Figura 2.1 Interior de la caldera (hogar)
CLASIFICACION DE LAS CALDERAS
Se mencionan solo las ms tpicas y sencillas tcnicamente hablando:
Calderas sin circulacin de agua
El tipo industrial ms primitivo es la caldera cilndrica simple. Progresivamente, las
empresas constructoras aadieron superficies de calefaccin complementarias,
consistentes en tubos servidores de gran dimetro unidos al cuerpo principal por
tubos huecos.
2.1.- GENERALIDADES Y CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS.
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Posteriormente, y siempre para aumentar la superficie de calefaccin, aparecieron
las calderas pirotubulares o de tubos de humos, los cuales atravesaban el deposito
principal (figura 2.2). Con estas calderas los caudales no pasaban de 3 a 4
toneladas por hora y la presin estaba limitada casi siempre a unos 8 kg/cm2; el
rendimiento industrial no pasaba de 0.6 a 0.65 por causa de mala combustin
producida por la carga a mano y la ausencia de economizador.
Figura 2.2 Caldera del tipo pirotubular
Calderas con circulacin natural
En un sistema calentado, la circulacin natural se debe a una diferencia de dos
columnas de lquido de las que una, ms ligera, tiende, a elevarse, mientras que la
ms pesada tiende a descender. Esta diferencia de peso puede resultar de una
diferencia de temperatura, la ms caliente siendo la ms ligera. Pero en este caso,
la velocidad de circulacin es pequea porque la diferencia de densidad de ambas
columnas permanece moderada.
El agua de alimentacin fra entra en un caldern colocado longitudinalmente sobre
la furnte de calor. El agua fra baja por una tubera de circulacin por la parte trasera
a unos tubos inclinados que son calentados. Segn aumenta la temperatura de
agua y hierve, su densidad disminuye haciendo que circule el agua caliente y el
vapor por las tuberas inclinadas de la tubera de circulacin delantera entrando de
nuevo al calderin y dentro de este las burbujas de vapor se separan del agua
produciendo vapor para la planta sus capacidades tpicas abarcan desde 2250 kg/h
a 36000 kg/h.
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Figura 2.3 Caldera tpica con tubos inclinados
Calderas con circulacin controlada.
Tienen el mismo funcionamiento y casi los mismo mecanismos de
accionamiento y proteccin pero con la variante de que utilizan una bomba para
incrementar gradualmente o en caso contrario la circulacin de agua vapor y es la
bomba de circulacin la que determina las caractersticas tcnicas especficas de
la caldera.
Calderas con circulacin forzada.
Utiliza un depsito auxiliar de agua para accionar el generador de vapor como una
caldera del prrafo anterior basndose en un arranque momentneo. Entre los ms
utilizados son los siguientes:
Generador de vapor Benson.
Generador monotubular de vapor Sulzer.
Las calderas de circulacin forzada se denominan tambin calderas de circuito
abierto por el hecho de que el agua solamente efecta un paso entre su entrada,
en un extremo de los haces tubulares, y su salida en forma de vapor, por el otro
extremo. Pueden emplearse tanto a presiones inferiores a la presin crtica
(alrededor de 230 kg/cm2), como a presiones superiores a sta. Pero generalmente
no se utilizan para presiones menores a 80 kg/cm2.
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Figura 2.4 corte vertical de un generador de vapor Sulzer monotubular.
Presin del vapor: 95 kg/cm2
Potencia de vaporizacin: 125 tonelada/ horas
Temperatura de vapor recalentado: 520 C.
Calderas especiales
Las calderas pueden ser de construccin especial aunque utilizando combustibles
clsicos, por que resultan de una concepcin particular a permitir ciertas
condiciones de funcionamiento, sea del lado de agua, sea en la parte relacionada
con la combustin. Otras veces estn previstas para quemar combustibles
especiales y su disposicin constructiva debe adaptarse a las especiales
caractersticas de estos combustibles.
Para centrales un poco ms sofisticadas y complejas se recomienda la instalacin
de estos modelos singulares de calderas entre los que se mencionarn enseguida.
Calderas de doble circulacin
Generadores de vapor sobre alimentados
Calderas para ciclos binarios
Cambiadores vaporizadores para centrales nucleares.
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Figura 2.5 Bosquejo vertical de una caldera de doble circulacin.
1. Alimentador secundario
2. Colector de entrada del recalentador
3. Colector intermedio del calentador
4. Colector de salida del recalentador
5. Bajadas de alimentacin de la seccin primaria de radiacin
6. Bajadas exteriores de alimentacin de la seccin secundaria
7. Purga continua
8. Calentador de aire
9. Registros de regulacin de recalentado.
10. Seccin primaria de carga elevada
11. Seccin secundaria de pequea carga.
El transporte de combustible slido (por lo general carbn) a las centrales, se
realiza casi siempre por va navegable o por va frrea. Si la central est situada
sobre un muelle martimo, resulta posible disponer de torres de descarga, que
pasan directamente el carbn a los depsitos de almacenamiento de la central.
Segn las condiciones de cada caso.
Desde el depsito, se conduce el fuel oil a la sala de calderas, por medio de
oleoductos, dispuestos de tal manera que, en caso de ruptura, no se inunde de
combustible el stano de la central. En el interior de la sala de calderas, antes de
llevarlo a los quemadores, se hace pasar el fuel oil por un calentador cerrado, en el
que alcanza la temperatura de unos 120 C. La cantidad de combustible
suministrado a cada caldera, se mide con un contador, para comprobar el
rendimiento por unidad.
2.2.- SISTEMA DE ALIMENTACIN Y QUEMADO DE COMBUSTIBLE.
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El gas natural no necesita depsitos y, por lo tanto, el equipo auxiliar para
almacenamiento y transporte es ms econmico que el necesario para el fuel oil, y
mucho ms econmico todava que el del carbn.
El gas natural, procedente de la compaa suministradora, llega por un gasoducto
a una caseta de contadores, terminando en un colector desde donde se toman dos
ramales horizontales con llaves de paso, reguladores y equipo conector en cada
ramal, generalmente trabaja un solo ramal, se lleva la tubera general bajo el suelo
de la sala, derivando ramales con orificios de aforo para cada caldera, desde donde
pasan a los mecheros o quemadores.
Los hogares se clasifican en dos tipos generales:
Hogares de carga manual
Constituido por una parrilla fija, cubierta constantemente de combustible, que se va
reponiendo manualmente a medida que se consume.
Hogares mecnicos
Constituido por la parrilla y un dispositivo alimentador de combustible accionado
por un motor elctrico y aparte de no necesitar mano de obra presentan las
siguientes ventajas frente a los hogares de carga manual:
1. Posibilidad de emplear combustibles de baja calidad, de forma econmica
2. Adaptacin fcil y segura a las condiciones de funcionamiento de la caldera
3. Combustin mucho mejor
4. Disminucin de las prdidas de calor en el hogar y en la chimenea
5. Produccin de humos mucho menor
Y se subdividen segn el modo de alimentacin:
De parrilla mvil
De alimentacin superior
De proyeccin
De alimentacin inferior
Se utilizan para el calentamiento previo del aire de combustin, recuperando parte
del calor de los gases que van a la chimenea, es decir los gases de escape,
presentan modelos como:
Calentadores tubulares
Calentadores de placas
Calentadores regenerativos
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Sus ventajas principales son:
Conservacin de la energa
Quemar con xito los combustibles de baja calidad
Aumento de rendimiento
Aumento de la capacidad
Mejor combustin
Figura 2.6 Hogar mecnico para combustibles bajos en cenizas y bajo nivel de
fusin
La cantidad necesaria para transformar en vapor saturado seco (sin agua), bajo
determinadas condiciones de temperatura y de presin, a 1 kg de agua, se
denomina calor total de vaporizacin, que consta de dos sumandos: el calor de
dilatacin, necesario para elevar la temperatura del lquido a su punto de ebullicin,
y el calor latente de vaporizacin que no produce ningn aumento de temperatura
sino que se invierte en el trabajo molecular del cambio de estado.
2.3.- PRODUCCIN Y CARACTERSTICAS DEL VAPOR
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Figura 2.7 Condensador de agua- vapor.
Para comprender la importancia que tiene la presin del vapor en el funcionamiento
de una caldera, vamos a recordar unos conceptos sobre las propiedades del vapor
de agua. A la presin 1 atmosfera, el vapor comienza a formarse a unos 100 C y,
por lo tanto, a esta temperatura su sobrepresin es nula. Si se contina
comunicando calor al agua, aumenta la sobrepresin y la temperatura del vapor.
Al recalentarse, el vapor aumenta de volumen y se comprimen las condensaciones,
que tantas perdidas de calor ocasionan; adems el rendimiento de las maquinas
motrices es tanto mejor cuanto mayor sea el grado de recalentamiento del vapor.
Las turbinas se clasifican de acuerdo a la presin del vapor son de baja, mediana
y alta poseen una serie de aspas montadas en la flecha motriz, el vapor es desviado
por las aspas por lo que se produce un poderoso par o momento de torsin. Las
aspas estn hechas de un acero especial para que soporten la alta temperatura y
las intensas fuerzas centrifugas, las turbinas de baja, mediana y alta presin estn
acopladas juntas para propulsar un generador comn. Sin embargo en algunas
instalaciones grandes esta disposicin no se cumple ya que cada tipo de turbina
impulsa a un generador de acuerdo a su capacidad
La eleccin de las caractersticas del vapor vivo se ha guiado por el deseo de
realizar una instalacin tena econmica como fuera posible que, presentara un alto
grado de seguridad. Estas caractersticas son:
Salida del recalentador primario..540 C y 150 kg/cm2
Salida del recalentador secundario.540 C y 40 kg/cm2
2.4.- TURBINAS DE VAPOR, CLASIFICACIN Y CARACTERSTICAS
DE DISEO.
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Figura 2.8 Turbina trmica.
Como una central trmica de vapor tiene tanto mejor rendimiento cuanto ms frio
est el vapor de escape, a la salida de la turbina, el vapor se hace pasar por un
condensador que nos es ms que un dispositivo de refrigeracin donde el vapor se
condensa y se transforma nuevamente en agua; la condensacin se realiza
introduciendo agua fra a presin en el condensador, a la que se obliga a circular
por unos serpentines de refrigeracin esta se obtiene de dos formas; de un deposito
natural (rio o embalse) al que vuelve ya caliente despus de haber recorrido el
serpentn y la otra manera es cuando no se obtiene de un deposito natural o la
cantidad disponible es insuficiente, despus de la salida del condensador, se lleva
a torres de refrigeradoras donde se enfra para recircularla nuevamente hacia el
condensador.
En ocasiones de disponen de centrales trmicas sin condensador; generalmente el
vapor sale de la turbina a una presin superior al de la atmosfera y se aprovecha
para otros fines tales como calefaccin, el agua de alimentacin de la caldera puede
proceder de la condensacin del vapor de una fuente independiente o de ambos a
la vez. Estas centrales se construyen, sobre todo por empresas industriales que
necesitan grandes cantidades de vapor como fbricas textiles.
Para hablar del sistema de recuperacin primero debemos nombrar segn su
clasificacin los tipos de condensadores ya que cada uno utiliza especficamente
2.5.- CICLOS TRMICOS CON CALDERAS Y TURBINAS
2.6.- SISTEMAS DE RECUPERACIN DE CONDENSADO Y TORRES
DE ENFRIAMIENTO.
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un sistema de recuperacin del agua recin condensada para mandarla a una torre
de refrigeracin.
Un condensador no es ms que un recipiente conectado a tubos de enfriamiento
donde se inyecta aire frio para convertir el vapor en agua nuevamente auxiliado por
maquinas como:
a) Bomba de agua de refrigeracin
b) Bomba de aire
c) Bomba de agua condensada
La bomba de agua de refrigeracin sirve para enviar al condensador el agua
necesaria para su refrigeracin, generalmente es del tipo de impulsin y debe
contarse con un peso de agua fra de 15 C de temperatura media, o de retorno a
25 C equivalente a 50-60 veces o 70-80 veces, respectivamente, el peso del vapor
que se va a condensar, con un vaco de 92 a 93 %.
Las bombas de agua condensada extraen el condensado acumulado de forma
continua, enva este lquido a un depsito elevado desde el cual fluye a escasa
presin hacia las bombas de alimentacin de las calderas.
Existen dos grupos e condensadores llamados as por la forma de suministro del
vapor: de chorro y de superficie.
Figura 2.9 Condensador de chorro
Las torres de enfriamiento tienen una tarea importante como la de regular la
temperatura del agua dentro del ciclo que recorre est dentro de la central trmica
as como eliminar los excedentes hacia lagunas y manglares auxiliando para
reiniciar el ciclo y actuando repetidamente para alimentar de nuevo al
condensador.
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Se originaron las llamadas torres de refrigeracin, las cuales son estructuras
rectangulares de madera, hormign o metlicas provistas de pantallas adecuadas,
en las torres de refrigeracin la circulacin de aire se efecta, unas veces, con tiro
natural, es decir aprovechando el tiro provocado por una chimenea y, otras
veces, con tiro forzado, por medio de ventiladores aspirantes o soplantes.
Figura 2.10 Ejemplo de torres con ventiladores aspirantes
Existen dos sistemas para obtener agua en condiciones de alimentar calderas:
Tratamiento por procedimientos qumicos.
Consiste en aadir al agua que se ha de tratar, determinadas sustancias que
produzcan la precipitacin de materias incrustantes que contenga.
Procedimiento cal-sosa.
Se aade al agua carbonato sdico, los compuestos clcicos y magnsicos del
agua, pudiendo separarse posteriormente por filtracin.
Procedimiento de la permutita.
Se utilizan ciertos silicatos hidratados de aluminio y sodio, naturales o artificiales,
denominados permutitas y que tienen la propiedad de absorber el calcio y el
magnesio de las aguas que atraviesan, permutndolos (de ah su nombre) con el
aluminio y el sodio, que son sus elementos constituyentes.
2.7.- SISTEMAS Y EQUIPOS DE TRATAMIENTO DE AGUA
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Tratamiento por procedimientos trmicos.
Utilizan dispositivos para producir agua destilada para la alimentacin de las
calderas denominados vaporizadores. En ellos, y mediante la correspondiente
aportacin de calor, el agua cruda se evaporiza y el vapor producido (denominado
vapor secundario) se condensa despus, cediendo el calor a un refrigerador. El
agua as destilada tiene una temperatura prxima a 100 C, con la que entra en la
caldera. Los vaporizadores se dividen en:
Vaporizador de simple efecto
Vaporizador de mltiple efecto
Adems de estos artefactos se utilizan otras mquinas elctricas como las
bombas que se utilizan para inyectar agua a la caldera por medio de la compleja
red de tubera que resulta extensa para poder enfriar an ms el agua por
conveccin con el aire y mantener el ritmo de llenado con rapidez y potencia para
llegar a propulsar hasta zonas de gran altura, no se podra dar un nmero exacto
de bombas en el sistema ya que cada planta posee caractersticas peculiares. As
como vlvulas, llaves de paso y seccionadores que salen de los estanques y
distribuyen el agua hacia direcciones diferentes.
2.11 Bombeo del agua en una central trmica de Tula, hidalgo
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Claramente se puede afirmar que sin las leyes y postulados que rigen el
electromagnetismo como la ley de induccin de Faraday, el principio de la mano
derecha de Lenz y las teoras de Amper y Ohm que fueron pioneros e impulsores
del conocimiento, no se tendra ni la dcima parte de lo que actualmente es un
generador ni mucho menos su aplicacin en una central trmica para satisfacer y
abastecer a la poblacin de energa elctrica con el dinamismo que la caracteriza.
Por ello se deben seguir con las iniciativas y aportaciones futuras que tanto
enriquecen de modernizacin y optimizan los componentes elctricos y magnticos
para gente con las mismas convicciones que los mencionados anteriormente con
fines de buena contribucin a la sociedad incentivando las ganas de la innovacin
tecnolgica.
Haciendo mencin a las investigaciones y experimentaciones que dieron origen a
todos los conocimientos que ahora se tiene, no est por dems saberlo que no se
obtuvieron de la noche a la maana sino que con mucho esfuerzo y perseverancia
realizando cientos y cientos de pruebas que arrojaron datos errneos y divagaron
las lneas o seguimientos de las teoras presentadas.
Debido a la analoga del prrafo anterior este texto intenta ser una clara invitacin
para despertar conciencia y seguir con la tendencia de cambios que han sufrido los
generadores y sus aplicaciones para as tener un pas a la vanguardia en cuanto a
tecnologa basadas en investigaciones y poder deshacer los mitos que rodean el
mbito de generacin por medio de instalaciones trmicas para poder llegar a tener
el suficiente auto abastecimiento de energa dentro Mxico, recordando que estas
pautas mencionadas resultan indicadores claves de un pas en desarrollo
econmico ofreciendo mejor calidad de vida para sus habitantes.
Se obtuvo informacin veraz y fidedigna de libros y datos tcnicos de empresas
para poder llegar a lo que se analiz en el desarrollo del trabajo esperando hayan
servido de algo para dar idea de todo lo que comprende obtener electricidad que
resulta complicado y muy costoso.
CONCLUSIN.