Tema 2. ciclos De Las Centrales Termoeléctricas Flashcards
(25 cards)
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Sistema de manejo de combustible.
Absolutamente esencial debido al gran volumen de combustible utilizado ese puede ser manual o mecánico (en grandes instalaciones➡️ mecánico).
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Almacenamiento de combustible
Para cubrir la demanda continuada y la reserva de emergencia es necesario tener un almacén cercano a la planta. Normalmente, del 10 al 25 % del consumo anual.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Manejo de combustible dentro de la planta.
El combustible es llevado a la planta, pesado y enviado a las tolvas de alimentación. Después el carbón se muele hasta la granulometría requerida y de nuevo se almacena en tolvas, donde posteriormente con el aire primario, será enviado a los quemadores de la caldera.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Sistema de manejo de cenizas
Entre el 10 y el 20 % del carbón quemado se transforma en cenizas.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Tratamiento de gases de combustión
Los gases de escape contienen partículas sorias en suspensión (humo, polvo, hollín, cenizas volantes). La concentración de sólidos depende de el método de combustión, pero en el caso de combustión de carbón pulverizado, el 80 % del total de cenizas producidas es arrastrado por los gases de escape hacia la chimenea. Siendo necesario su tratamiento.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Turbinas de vapor
Encargadas de transformar la energía térmica contenida en el vapor en energía mecánica. Estas obtienen potencia del cambio de momento de un chorro de vapor fluyendo sobre la superficie curvada. El vapor moviéndose sobre esa superficie ejerce una presión en los álabes debido a su fuerza centrífuga. La presión centrífuga se ejerce normal a superficie de la hoja y actúa a lo largo de toda la longitud de la hoja,, resultando en el movimiento del álabe.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Calderas y montajes
La función de la caldera, generar vapor a presión constante según los requisitos del proceso (normalmente vapor sobrecalentado).
La caldera se mantiene a presión constante generando el vapor al mismo ritmo que sale de la caldera. Estas calderas están generalmente diseñadas para operar la presión crítica (221,2 bar) o por encima por debajo de la presión crítica, entonces son conocidas como calderas supercríticas o calderas de un solo paso. Si la caldera están diseñadas para funcionar por debajo de la presión crítica, se conocen como calderas subcríticas. Las calderas pueden clasificarse además como de circulación natural, circulación forzada y calderas de un solo paso.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Economizadores
La función del economizador es recuperar una parte del calor de los gases de escape antes de que los gases de combustión entren en la chimenea y se descarguen a la atmósfera. El economizador se coloca en el camino final de los humos; entre la salida de la caldera y la entrada a la chimenea.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Sobrecalentadores
La función del sobrecalentador es aumentar la temperatura del vapor por encima de su temperatura de saturación. El vapor del calderín pasa a través de tubos de sobrecalentamiento, colocados en la zona más caliente de la caldera. De este modo, la temperatura del vapor se eleva por encima de la temperatura de saturación.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Precalentadores de aire
La función del calentador de aire es recuperar el calor de una parte de los gases de escape antes de que los gases de combustión salgan por la chimenea. La temperatura del aire aumenta y este aire a alta temperatura entra a la caldera debido a su mayor temperatura. Debido a su mayor temperatura, la combustión del combustible se vuelve más rápida y el consumo de combustible disminuye. Aumentando la eficiencia global de la caldera.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Bomba de agua de alimentación
La función de la bomba de alimentación es bombear agua a alta presión al calderín. Las más utilizadas son:
➡️ bombas rotativas: impulsadas por motores eléctricos o pequeñas turbinas de vapor. El agua se bombea debido a la acción oratoria del impulsor.
➡️ bombas alternativas: funcionan continuamente con vapor procedente de la misma caldera a la que se alimenta el agua. El agua es bombeada por acción recíproca.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
válvula reductora de presión
La función de la válvula reductora de presión es mantener una presión constante en el lado de impulsión debido a la presión fluctuante de la cadera. Cada vez que la demanda de vapor fluctúa, la presión a la salida de la caldera cambia, siendo necesario utilizar una válvula reductora de presión conectada a la línea de suministro de vapor.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Condensador
Es un componente esencial en una planta termoeléctrica, aumentando la eficiencia de la planta. Es un recipiente cerrado en el que el vapor de alta presión procedente de la turbina de vapor se condensa a baja presión.
Cuando el vapor se condensa, forma agua líquida saturada. El calor contenido en este agua se rechaza en una torre de enfriamiento o en un estanque de enfriamiento antes de recircularlo al sistema de circulación de agua.
Disposición general de centrales térmicas modernas.
Principales componentes.
Torres de refrigeración
Ciclo de Carnot
Para un dispositivo cilindro-pistón:
➡️ Proceso 1-2: el gas se comprime adiabáticamente hasta el estado 2 cuya temperatura es TC.
➡️Proceso 2-3: el dispositivo se pone en contacto con el reservorio a TC. El gas se expande y isotérmicamente mientras recibe la energía QC Del reservorio caliente por transferencia de calor.
➡️Proceso 3-4: el dispositivo se coloca de nuevo sobre la base aislada y se permite que el gas continúe expandiéndose, ahora adibáticamente, hasta que la temperatura caiga a TF.
➡️Proceso 4-1: el dispositivo se pone en contacto con el reservorio a TF. El gas se comprime isotérmicamente hasta su estado inicial mientras cede la energía QF al reservorio frío por transferencia de calor.
Independientemente del tipo de proceso seleccionado o de la sustancia de trabajo empleada, siempre estará formado por la misma serie de cuatro procesos internamente reversibles: dos procesos adiabáticos alternados con dos procesos isotermos.
Limitaciones prácticas del ciclo de Carnot
➡️ es difícil operar el ciclo con vapor sobrecalentado, ya que se debe agregar calor al vapor a temperatura constante en lugar de presión constante (proceso 4-1).
➡️ la eficiencia del ciclo depende de la temperatura máxima de funcionamiento, T1. Como el agua tiene una temperatura crítica de 374 °C, la temperatura máxima de funcionamiento está limitada si el ciclo opera en la región húmeda.
➡️ dificultad en controlar el título del condensado para mantener el estado 3.
➡️ Dificultad en la compresión adiabática de vapor húmedo para mantener el punto de saturación 4.
Ciclo Rankine simple y Ciclo Rankine modificado.
Etapas
El Ciclo Rankine forma el ciclo básico de trabajo del vapor en plantas de energía. En este ciclo, el agua de alimentación suministrada por una bomba de alimentación multietapa se transforma a vapor en la caldera. El vapor a alta presión se expande en la turbina, generando trabajo.
Después de la expansión, el vapor se condensa en un condensador y el ciclo se repite. En un ciclo real, debido a irreversibilidades, se producen perdidas disminuyendo la eficiencia del ciclo.
Ciclo Rankine simple y Ciclo Rankine modificado.
Etapas.
Procesos reversibles.
➡️1-2, 1’-2’: expansión reversible adiabática a través de la turbina. El aporte escape en el final de la expansión en 2 o 2’ generalmente está en la región de vapor húmedo.
➡️2-3 o 2-3’: un proceso de temperatura y presión constante de vapor húmedo. El calor es rechazado en el condensador a presión constante.
➡️3-4: compresión reversible adiabática. La bomba aumenta la presión del líquido saturado a la salida del condensador (presión en 3) a líquido subenfriado a la presión del generador de vapor, 4. Línea 3-4 es una línea vertical ya que el líquido es incompresible y el trabajo de la bomba adiabático reversible.
➡️4-1 o 4-1’: se agrega la presión constante en el generador de vapor (línea 4-b-1-1’). Durante el proceso 4-b, el líquido subenfriado en el punto 4 se convierte en líquido saturado en el punto b. Esta conversión ocurre en el economizador del generador de vapor. Durante el proceso b-1, el líquido saturado en el punto b se calienta a p y T constante pasando a vapor saturado en el punto 1. Este cambio ocurre en el evaporador o caldera. El proceso 1-1’ corresponde a conversión de vapor saturado (punto 1) a vapor sobrecalentado en el punto 1’ (sobrecalentador).
Ciclo Rankine simple y Ciclo Rankine modificado.
Rendimiento
Es posible aumentar el rendimiento del Ciclo Rankine variando presión y temperatura. El efecto de la presión y el sobrecalentamiento con los siguientes parámetros mejora la eficiencia del ciclo:
➡️ reducir la presión del condensador aumenta la eficiencia térmica del ciclo.
➡️ el aumento de presión y temperatura en la caldera aumenta la ciencia térmica del ciclo.
➡️ el aumento de la temperatura del vapor (sobrecalentamiento) aumenta la eficiencia térmica del ciclo.
Ciclo Rankine simple y Ciclo Rankine modificado.
Rendimiento.
Aumentar presión y temperatura en la caldera y generador de vapor
El aumento de presión de caldera a pb1 manteniendo la presión del condensador constante p2 vuelve a mejorar el trabajo en la turbina. Además, el consumo específico de vapor también disminuye, mejorando la eficiencia del ciclo. Sin embargo, una mayor presión implica mayores exigencias en la estructura de la caldera. Se requieren juntas y sellados más resistentes para soportar la presión elevada, lo que puede aumentar los costos y la complejidad de diseño.
Ciclo Rankine simple y Ciclo Rankine modificado.
Rendimiento.
Aumentar la temperatura del vapor (sobrecalentamiento)
El sobrecalentamiento del vapor a temperaturas más altas disminuye el contenido de humedad a la salida de la turbina. Sin embargo, hay un límite para esa temperatura, la temperatura de fusión del metal de la caldera. Para la misma presión de caldera p1 y presión constante del condensador p2, el vapor se sobrecalienta desde la temperatura T1 hasta la temperatura T1’, aumentando el trabajo de la turbina (h1-h2) a (h1-h2’). Por lo tanto, la eficiencia del ciclo aumenta con el aumento de temperatura. Sin embargo, mayor temperatura exige metales especiales, concretamente aceros aleados que puedan soportar esas presiones y temperaturas.
Ciclo Rankine simple y Ciclo Rankine modificado.
Comparación entre el Ciclo Rankine y el Ciclo de Carnot
- Para el mismo máximo y mínimo de temperaturas, el Ciclo de Rankine tienen menores eficiencia que la del Ciclo de Carnot. Esto se debe a que el calor suministrado en condiciones isotérmicas T1 es menor en comparación con la evaporación. Reduciendo el aumento de la temperatura de sobrecalentamiento, aumenta la eficiencia del ciclo de Rankine y se aproxima la eficiencia del ciclo de Carnot.
- Para el mismo máximo y mínimo de temperaturas, el ciclo de Rankine tiene mayor producción de trabajo específico que el ciclo de Carnot. Esto se debe a que WT = (h3-h4) < (h3’-h4’). Así, el consumo específico de vapor del ciclo Rankine es menor que el ciclo de Carnot. Esto significa que, para una potencia específica dada, el ciclo Rankine tiene un tamaño de planta menor.
- La compresión de vapor húmedo durante el proceso 1’-2’ es muy complicada en el ciclo de Carnot, en comparación con el bombeo de agua de alimentación a la caldera durante el proceso 1-2 del ciclo de Rankine.
Ciclo Rankine simple y Ciclo Rankine modificado.
Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y recalentamiento
La eficiencia del ciclo Rankine simple aumenta al aumentar la presión y la temperatura del vapor que entra a la turbina. Si se aumenta la presión del vapor en la entrada de la turbina, la relación de expansión de la turbina también aumenta y, por lo tanto, el vapor se vuelve muy húmedo al final de la expansión. Esto tiene un efecto novivo de erosión y corrosión de los álabes de la turbina, maximizando las pérdidas. Esta dificultad se supera expansionando el vapor hasta un punto intermedio y recalentarlo de nuevo. El vapor del punto 1 se expande en la turbina, se extrae en las condiciones del punto 2 y se envía al generador de vapor. Este vapor se vuelve a calentar a presión constante (caso ideal) hasta la temperatura de 3 (lo más cercana a 1). El vapor recalentados se expande en las turbinas de baja presión hasta la presión del condensador.
Ventajas:
➡️ el título del vapor que sale de turbina aumenta, lo que reduce la erosión y corrosión de los álabes. Este, se mantiene muy por encima del 90 %.
➡️ a mayor presión de operación p1, la eficiencia térmica del ciclo aumenta siempre que la relación entre la presión de recalentamiento p2 y la presión inicial p1 están limitada entre el 20 y el 25 %.
➡️ disminuye el consumo específico de combustible.
En la mayoría de las centrales eléctricas, el recalentamiento se limita un máximo dedos etapas. Añadir maceta o presiones de operación más altas complica el ciclo y aumentan los costes.
Ciclo Rankine simple y Ciclo Rankine modificado.
Ciclo Rankine regenerativo
El recalentamiento tiene una capacidad limitada para mejorar la eficiencia termodinámica del ciclo, pero es bastante útil para reducir la humedad en turbina sin embargo, se observó que la mayoría de la pérdida individual de energía en una planta de energía ocurre en el condensador. Por lo tanto, la reducción de este calor rechazado mejora drásticamente la eficiencia del ciclo.
En un ciclo regenerativo ideal el vapor se expande de manera reversible (áreas bajo las curvas). Eso significa que el aumento entropía durante el calentamiento es igual a la disminución durante la expansión y el enfriamiento del vapor. Así el ciclo sí que Valjent un ciclo de carnot que opera entre temperaturas máximas y mínimas.
En la práctica el ciclo ideal le hacemos que el condensado procedente de la bomba de alimentación se calienta un calentador mediante vapor extraído de la turbina (parcialmente expansionado). El vapor extraído se mezcla directamente con el condensado (calentador abierto o de mezcla), o bien intercambio de calor directamente mediante un calentador cerrado.
La ganancia de eficiencia térmica debida a la adicción de calentadores cae a medida aumenta el número de calentadores. Se llega a un punto en el que la adicción adicional de calentadores ya no se justifica económicamente. En la práctica se emplea un máximo de 6 a 7 calentadores en grandes plantas de energía.
