condensadores

23,618 views

Published on

teoria de intercambiadores

0 Comments
7 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
23,618
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
8
Actions
Shares
0
Downloads
610
Comments
0
Likes
7
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

condensadores

  1. 1. CONDENSADORES Los condensadores de vapor son aparatos en los cuales se condensa el vaporde escape procedente de maquinas y turbinas, y de donde el aire y otros gases nocondensables son evacuados en forma continua. Dos son las ventajas que puedenconsiderarse empleando condensadores en las máquinas y turbinas de vapor: 1)disminución de la presión de escape, con el consiguiente aumento de energíautilizable; 2) recuperación del condensado para utilizarlo como agua dealimentación para las calderas. En la mayoría de las centrales productoras de v aporla recuperación del condensado es muy importante, constituyendo una necesidaden la mayoría de las aplicaciones marítimas. El agua de alimentación de las calderastomadas de lagos, ríos o mares, debe vaporizarse o tratarse apropiadamente antesde introducirla en los generadores de vapor. Con la tendencia a hacer trabajar lascalderas a presiones y temperaturas cada vez más elevadas, ha aumentando lanecesidad de trabajar con aguas de alimentación puras, dando como resultado quela mayoría de los condensadores instalados sean del tipo de superficie, los cualespermiten recuperar el condensado. 1
  2. 2. TIPOS DE CONDENSADORES Y APLICACIONES En las centrales térmicas se utilizan dos tipos de condensadores: (1) desuperficie, y (2) de chorro. Los condensadores de superficie proporcionan una bajapresión de escape y al mismo tiempo permiten recuperar el condensado. Lascondensadores de chorro solamente proporcionan una baja presión de escape, puesel condensado se mezcla con el agua de refrigeración. En las centrales equipadascon grandes turbinas de vapor no pueden emplearse condensadores de chorro,porque aun prescindiendo de la pérdida del con densado, el consumo de energía delas bombas de estos condensadores y el costo inicial de las necesarias para evacuarel aire neutralizan los beneficios conseguidos con el elevado vacío obtenido con estetipo de condensadores. Sin embargo, tratándose de turbinas de tamaño moderado,así como de maquinas de vapor de émbolo, los condensadores de chorro tienenbastante aplicación, especialmente en el caso que abunde el agua de alimentaciónde buena calidad. Un condensador de superficie consiste generalmente en un cilindro de hierrocolado, o de chapa de hierro con una tapa porta-tubos en cada extremo, las cualesunen entre sí una multitud de tubos que forman la superficie de enfriamiento. Elvapor de escape entra al condensador por un orificio situado en la par te superior dela envolvente y el agua de refrigeración pasa por el interior de los tubos. Cuando elcondensador se emplea con una máquina de émbolo, se adopta corrientemente ladisposición inversa, es decir, el agua pasa por fuera de los tubos y el vapor por elinterior de los mismos. Otra forma de condensación de superficie conocida por condensadorevaporativo, es aquella en que el cilindro -envolvente se ha suprimido. El vapor pasapor el interior de los tubos del condensador sobre los cuales se lanza ag uapulverizada. El enfriamiento se produce principalmente por la evaporación del aguaen la atmósfera. Los condensadores de chorro pueden ser de nivel bajo y barométrico. Los dostipos son similares por lo que se refiere a la forma en la cual el vapor de escape y elagua de refrigeración se ponen en contacto; la diferencia estriba en el método deevacuar el agua y el condensado. Los condensadores de chorro en los cuales el aguade refrigeración, el condensado y los gases no condensables son evacuados por 2
  3. 3. medio de una de una sola bomba, se denominan condensadores de chorro, de vacióreducido y de nivel bajo, debido a la limitada capacidad de aire de la bomba .En el condensador representado en la figura 1, los gases no condensables sonevacuados por medio de una bomba o eyector independiente, consiguiéndose unvacío más elevado. Este tipo de condensador se denomina se chorro, de vacíoelevado y de nivel bajo. En determinadas condiciones el aire y el agua pueden serevacuados por la acción cinética de la vena de fluido, en cuyo caso el condensadorde chorro se denomina condensador eyector o sifón. Fig. 1. Condensador de chorro de nivel bajo (de contacto directo) 3
  4. 4. CONDENSADORES DE PUERFICIE En los condensadores de superficie se puede recuperar el condensado porqué no se mezcla con el agua de refrigeración. El vapor que hay que condensarnormalmente circula por fuera de los tubos (fig. 2), mientras que el agua deenfriamiento o circulante pasa por el interior de los mismos. Esto se hace porque elvapor limpio no ensucia la superficie externa de los tubos, la cual es difícil delimpiar. El agua de refrigeración, frecuentemente está sucia y deja sedimento en elinterior de los tubos. El método usual de limpiarlos consiste en desmontar las tapasdel condensador y hacer pasar por dentro de los tubos cepillos de alambre movidospor un motor eléctrico. Esta tarea no es tan sencilla como puede parecer, porque uncondensador puede tener de mil a once m in tubos. Fig. 2. Condensador de superficie Westinghouse, radial de dos pasos. Los condensadores de superficie pueden ser de paso único, en los cuales elagua circula en un solo sentido a través de todos los tubos, o de dos pasos, en loscuales el agua circula en un sentido en la mitad de los tubos y regresa a través de losrestantes. La mayoría de los grandes condensadores están equipados con unabomba centrífuga para evacuar el condensado líquido, y un eyector de aire de tipochorro para evacuar el aire y los gases. La figura representa una instalación modernatípica de turbina con su condensador. El condensador de dos pasos se hallasuspendido directamente del fondo de la turbina, no necesitándose ninguna juntade dilatación. Soportes de muelle ayudan a s ostener el peso del condensador, y, almismo tiempo, permiten cierto movimiento para compensar las dilataciones ycontracciones. Las tuberías de agua del condensador generalmente van provistas de 4
  5. 5. juntas de dilatación de caucho, debido a que solamente han de soportar la bajapresión del agua de refrigeración. La bomba del condensador evacua el agua tanpronto como ésta va cayendo en el pozo caliente. El condensado actúa derefrigerante en los condensadores intermedio y posterior al ser bombeado aldepósito de almacenamiento o al calentador de baja presión. Fig. 3. Instalación de una turbina y condensador Elliot. El aire y gases no condensables son evacu ados del condensador principal pormedio de eyectores de vapor. Tal como representa la figura , dos eyectores trabajanen paralelo entre el condensador principal y el condensador intermedio. Estoseyectores hacen pasar el aire del condensador principal al intermedio, en donde lapresión absoluta vale aproximadamente 0,5 kg/cm². Otros dos condensadorestrabajan en paralelo para hacer pasar el aire del condensa dor intermedio alcondensador posterior, el cual se haya a la presión atmosférica. Por tanto, el aire ylos gases no condensables son comprimidos en dos etapas, con una elevación depresión de casi 0,5 kg/cm² en cada una, para poderlos descargar a la atmósfera. Elvapor de alta presión utilizado en los eyectores se condensa en los condensadoresintermedio y posterior y, por lo general, se evacua por medio de purgadores paraser enviado a la instalación del agua de alimentación. Un condensador de superficie y su equipo auxiliar debe cumplir con losrequisitos siguientes: 1. El vapor debe entrar en el condensador con la menor resistencia posible y la caída de presión a través del mismo deberá ser reducido al mínimo. 5
  6. 6. 2. El aire (el cual es un mal conductor de calor) deberá evacuarse rápidamente de las superficies transmisoras de calor. 3. El aire debe recogerse en puntos apropiados, prácticamente libre de vapor de agua y enfriado a temperatura más baja. 4. La evacuación del aire debe realizarse con un gasto mínimo de ene rgía. 5. Asimismo debe rápidamente evacuarse el condensado de las superficies transmisoras del calor y devolverse libre de aire a la caldera a la máxima temperatura posible. 6. El agua de refrigeración debe atravesar el condensador con un rozamiento reducido, dejando un mínimo de sedimentos, con una absorción de calor máxima. La figura 4 representa una vista de un condensador moderno de dos pasos ydoble circulación, construido para requerir una altura de local mínima. De estaforma, las fundaciones de la turbina pueden ser bajas o más económicas. Fig. 4. Corte ideal de un condensador Foster Wheeler de doble circulación. La figura 5 es una vista en corte de este aparato, el cual tiene 6 510 m² desuperficie de tubo y puede servir a una turbina de 1 000 000 kW. Las flechas indicanque el vapor fluye hacia abajo a través de la primera batería de tubos y, al mismotiempo, pasa por el paso central, siguiendo a continuación una trayectoriaascendente a través de la segunda batería de tubos. Esta disposición da lugar a ladenominación <<doble circulación>>, y a una acción desgasificante y derecalentamiento. Todo el vapor que se condensa sobre los tubos de la bateríainferior gotea a contracorriente con respecto al vapor entrante. El vapor que secondensa sobre los tubos de la batería superior pasa por entre los tubos de ésta serecoge en una bandeja inclinada que separa los tubos de las baterías superior einferior. Este condensado atraviesa, a continuación, un cierre hidráulico y sigue 6
  7. 7. hacia abajo pasando por encima del borde de un tabique vertical sobre el cual formauna película delgada. Cuando esta película de agua abandona el borde inferior deltabique, cae a través del vapor vivo, originando la desgasificación y evitando, almismo tiempo, el sobreenfiramiento. La gran superficie de entrada y la trayectoriarelativamente corta seguida por el vapor contribuyen a que los rozamientos y lacaída de presión sean pequeños. La sección triangular del enfriador de aire queaparece en el centro de la figura se emplea para reducir el volumen de aire y gasesno condensables antes de evacuarlos mediante la bomba de aire. Figura 5. Corte transversal en alzado del condensador de doble circulación. La figura 6representa un condensador de superficie construido para buques.El agua de refrigeración, la cual entra por orificios situados sobre la superficieexterna del casco del barco, pasa por el interior de los tubos y es descargada otravez al mar. Cuando el barco está en marcha no se necesita bomba para hacercircular el agua, pero va equipado con una bomba auxiliar. El vapor de escapeprocedente de las turbinas entra por la parte alta del condensador, fluye hacia abajoy se condensa sobre la superficie externa de los tubos. En condensado se saca delfondo mediante una bomba. Fig. 6. Condensador de superficie Foster Wheeler de tipo marino 7
  8. 8. CONDENSADORES DE CHORRO, DE NIVEL BAJO En la figura 7 aparece un condensador de chorros múltiples, de nivel bajo. Elcondensador consiste en una cámara cilíndrica cerrada, en cuya parte superior hayuna caja de boquillas de agua, la cual va acoplada a un tubo en forma de Venturi,cuyo extremo inferior se halla sumergido en el agua. El agua inyectada pasa por lasboquillas por la presión de la bomba y por el vació existente. Los chorros estándirigidos a la garganta del tubo en donde se reúnen para formar un solo chorro. Elvapor de escape en el condensador por la par te superior se pone en contactodirecto con los chorros de agua convergentes, y se condensa. Por el efectocombinado de la presión de agua externa, el vacío existente dentro delcondensador, y la acción de la gravedad, los chorros de agua alcanzan una velo cidadsuficiente para arrastrar el vapor condensado, el aire y los gases no condensables, ypara descargarlos en el pozo caliente venciendo la presión atmosférica. Los chorrosde agua crean el vacío al condensar el vapor, y lo mantienen al arrastrar y evac uar elaire y los gases no condensables. De esta forma no se requiere bomba alguna paraevacuar el aire y el agua. La unión que aparece en la figura entre la turbina y elcondensador consiste en un tubo de cobre ondulado con bridas de hierro colado.Esta unión permite las dilataciones y contracciones producidas por las variacionesde temperatura. Fig. 7. Instalación de un condensador-eyector Schutte y Koerting. 8
  9. 9. El condensador eyector requiere más agua que cualquier otro tipo decondensador de chorro, pero la ausencia de bombas de vacío compensa estadesventaja. Los condensadores de chorros múltiples pueden mantener un vacio delorden de 737 mm con respecto a una presión barométrica de 762 mm, con agua derefrigeración a 15,6r C; este tipo de condensador es apropiado para turbinas de unapotencia hasta 10 000 kW. En los condensadores de chorro, de nivel bajo, la cámarade condensación se halla a poca altura, el agua se saca mediante una bomba, y sualtura total es lo suficientemente baja para poderlos instalar debajo de la turbina omáquina de vapor. Los condensadores de tipo barométrico se colocan a un nivelsuficientemente elevado (del orden de 12 m), sobre el punto por donde se descargael agua, para que ésta pueda salir por sí sola por la acción de la gravedad a través deun tubo con cierre hidráulico o columna barométrica. La figura 8 representa una vista y una sección de un condensador de chorro,de nivel bajo. La bomba del vacío-húmedo evacua el condensado, el aire arrastradoy los otros gases no condensables. El condensado líquido ayuda a hacer la junta delos anillos del émbolo y disminuye las fugas, no necesitándose ningún eyector deaire independiente. Estos condensadores se fabrican de hierro colado y de bronce;estos últimos se emplean cuando el agua es salada. Los condensadores de este tipode construyen en tamaños capaces de condensar de 5 153 a 11 350 kg de vapor dehora cuando trabajan con agua a 21 r C y contra una presión absoluta de escape de101,6 mm de mercurio. El cono regulable admite el agua en láminas delgadas cónicas en el extremodel codo de inyección. El caudal de agua puede regularse en consonancia co n lasvariaciones de la carga de vapor y de la temperatura del agua de refrigeración. Paraevitar que el agua alcance un nivel impropio en el interior del condensador en elcaso de que la bomba deje de funcionar, se dispone un flotador de bola, de cobre, elcual rompe el vacío cuando se presentan tales casos. La bomba de vacío -húmedo esaccionada por una máquina de vapor simplex. CONDENSADORES BAROMÉTRICOS La figura 9 representa la sección de un condensador barométrico (decontacto directo), a contracorriente, en el cual se emplea el sistema de discos paradistribuir el agua. En el condensador ilustrado el agua de refrigeración entra por unpunto situado por encima de la entrada del vapor, y el agua va cayendo de disco en 9
  10. 10. disco, tal como aparece en la figura. El aire contenido es evacuado por medio de uneyector de aire, de chorro de vapor con dos escalonamientos y un refrigeradorintermedio. El vapor a alta presión al expansionarse a través de las toberas a unaelevada velocidad, arrastra el aire y los gases no condensables; la energía cinética desta elevada velocidad se transforma en presión en la garganta del tubo combinado,comprimiendo e impidiendo hacia el exterior la mezcla a ire-vapor. Fig. 8. Condensador de chorro Worthington, con bomba de vacío húmedo. El agua caliente resultante del proceso de condensación cae en el fondo delcondensador y, a continuación, en el tubo de salida, mientras que el aire es enfriadoen la parte superior del aparato, quedando a una temperatura próxima a la del aguade entrada. De esta manera el eyector de aire trabaja con gases fríos , que contienenpoco vapor y prácticamente nada de agua. La parte inferior del tubo de salida (deunos 10,7 m de longitud) está sumergida en el pozo caliente. Como quiera que lapresión atmosférica pueda soportar una columna de agua de 10,36 m de altura, eltubo de salida constituye una bomba de evacuación automática, y el agua sale dedicho tubo tan ´rápidamente como se va acumulando en el mismo. En los condensadores barométricos y de nivel bajo es normal elevar el aguade la fuente de alimentación a la altura necesaria para la inyección, mediante elvacío que existe dentro del condensador. La altura máxima a que por este 10
  11. 11. procedimiento puede elevarse el agua es de unos 5,49 m con un vacío de 712 mmcon respecto a una presión barométrica de 762 mm. Cuando resulta necesario seemplea una bomba para ayudar a elevar el agua a la altura requerida por elcondensador. Los condensadores barométricos son de construcción simple, sinórganos móviles, ni toberas, ni orificios estrangulados que pueden taparse y nonecesitan válvulas de comunicación con la atmósfera. Fig. 9. Condensador barométrico (de contacto directo), de discos y de contracorriente, tipo Ingersoll-Rand. 11
  12. 12. PRUEBAS DE COMPORTAMIENTO En la figura 1 se muestra un esquema típico de una planta termoeléctricaconvencional de ciclo Rankine. En este ciclo de potencia, el vapor procedente delgenerador se expande en las secciones de alta, media y baja presión de la turbinapara producir potencia mecánica, la cual se convierte en energía eléctrica. A la salidade la turbina de baja presión, el vapor de escape es enviado al condensador, dondeintercambia calor con el agua de enfriamiento (agua de circulación) paracondensarse. El vapor condensado es enviado al deareador por medio de bombas y,posteriormente, es suministrado al generador de vapor por las bombas de agua dealimentación. Figura 1. Esquema de una central termoeléctrica convencional. El vapor de escape de la turbina debe condensarse para mantener la presiónrequerida en las últimas etapas de la misma, con el fin de lograr la mayor eficienciadel ciclo, así como para enviarlo como líquido al generador de vapor. Lasalternativas de los sistemas de enfriamiento o condensación incluyen enfriamientode un solo paso, torres de enfriamiento húmedas, sistemas de enfriamiento secos ehíbridos. En las centrales termoeléctricas convencionales de México normalmente seutilizan los sistemas con torres de enfriamiento húmedas de flujo cruzado y tiro 12
  13. 13. mecánico, así como los sistemas de un solo paso. Sus principales componentes semuestran en la figura 2, y aunque el diseño de dichos sistemas varía de una planta aotra los componentes mostrados son comunes en la mayoría de los casos. Figura 2. Esquema típico de un sistema de condensación en centrales termoeléctricas. Actualmente se ha incrementado de manera notable la atención en lossistemas de supervisión en línea y de control de proceso en centralestermoeléctricas, debido a que dichos sistemas permiten lograr beneficiossignificativos, tanto en el desempeño energético como en el mantenimiento y lavida útil de los equipos de la central generadoraCÁLCULO DE INDICADORES DE COMPORTAMIENTO La implantación del sistema de monitoreo y diagnóstico requiere deprocedimientos confiables y eficaces para el cálculo de los parámetros indicadoresde comportamiento de cada uno de los equipos que conforman el sistema decondensación. Los principales indicadores que calcula el sistema incluyen: la temperatu ra deagua fría esperada en la torre de enfriamiento, la eficiencia del conjunto motor-bomba de agua de circulación, y el factor de limpieza del condensador.CONDENSADOR Los indicadores calculados por el sistema aplican para condensadores del tipode una sola presión en la coraza, con dos cajas de agua divididas, de uno o dospasos, y como medio de enfriamiento utilizan agua de mar o agua dulce. 13
  14. 14. El procedimiento de evaluación y diagnóstico del condensador (Figueroa,2006) incluye la determinación de los siguientes indicadores de comportamientopara las condiciones de referencia de diseño (subíndice d) y las actuales (subíndicer): presión absoluta del condensador (Pa), carga térmica en el condensador (Q),coeficiente global de transferencia de calor (U), caída de presión entre cajas de agua(DPc), grado de subenfriamiento (GSUB), diferencia terminal de temperatura (DTT),rango o incremento de temperatura de agua de circulación (DT), diferencia detemperaturas media logarítmica (DTml) y factor de limpieza (FL). Los indicadorespara condiciones actuales se calculan para cada caja del condensador, con excepciónde Pa y GSUB, los cuales son iguales en ambas cajas. Los parámetros de referencia de diseño son aquellos correspondientes a lapotencia actual generada por la unidad. Los datos de diseño proporcionados por elfabricante para el 100% de carga se utilizan como referencia cuando la unidad operabajo esas condiciones. Para evaluar una carga diferente a la del 100% se debenestablecer los nuevos valores de los parámetros de referencia correspondientes a lacarga de operación actual. La carga térmica de referencia (Q d) se estima utilizando una correlaciónconstruida a partir de los datos de carga térmica de los balances con los parámetrosde diseño para 100%, 75%, 50% y 25% de carga de la unidad generadora. La temperatura de saturación de referencia, y por lo tanto, la presión absolutase obtienen mediante los siguientes pasos (Gill, 1984): 1. Cálculo del incremento de temperatura del agua de circulación (DT Q),diferencia de temperaturas media logarítmica (DT ml,Q ) y temperatura de aguacaliente (Tac,Q ), correspondientes a Q d. 14
  15. 15. 2. Estimación mediante curvas de comportamiento de la torre deenfriamiento para un flujo de agua del 100%, de la temperatura de agua fría dereferencia (Taf,d), para las condiciones de temperatura de bulbo húmedo actual (T bh,r)y para el rango de enfriamiento del agua de circulación calculado en el paso 1.Figura 3. Curva de comportamiento de la torre de enfriamiento para el 100% del flujo de agua de diseño. 3. Cálculo de la temperatura de agua caliente (T ac,d) y diferencia de lastemperaturas media logarítmica de referencia (DT ml,d) correspondientes a Taf,d. 15
  16. 16. 4. Cálculo de la temperatura de saturación de referencia (Ts,d )correspondiente a la carga térmica y de la temperatura de agua fría de referencia. Además de los indicadores mencionados, el sistema incluye la cuantificacióndel efecto que las siguientes variables tienen en el incremento de la presiónabsoluta del condensador (Torres, 1999): carga térmica en el condensador,temperatura del agua de circulación a la entrada del condensador, flujo del agua decirculación, área de transferencia de calor, ensuciamiento de los tubos einfiltraciones de aire. 16
  17. 17. BALANCE TÉRMICOCiclos termodinámicos de las centrales termoeléctricas con caldera o de vapor.- Ciclo simple reversible. El agua de la caldera se vaporiza a presión constante y es recogido en elcalderín, de aquí pasa al sobrecalentador, donde prácticamente también a presiónconstante se calienta hasta la temperatura máxima prevista en la instalación. Setransporta luego por una tubería a la turbina, a donde llega en el mismo estado si seprescinde en principio de las pérdidas de calor y de la caída de presión a causa delrozamiento del flujo. En la turbina se expansiona teóricamente a entropía constante,si prescindimos también de los importantes rozamientos y choques que aquí tienenlugar; en realidad, como la turbina es adiabática, la entropía del vapor tiene queaumentar a su paso por ella. Sale de la turbina ligeramente húmedo (0,8<X<1) y entra en el condensador donde a presión y temperatura constante setransforma en líquido. Con una o más bombas hidráulicas se eleva la presión delagua para que pueda retornar a la caldera. Por último, se precalienta el agua en eleconomizador y entra de nuevo en el calderín. El ciclo resultante es el llamado ciclode Rankine. 17
  18. 18. Trabajo y rendimiento del ciclo.1.- Trabajo técnico. Aplicando a la turbina un balance de energías, para régimen permanente, esdecir, caudal másico constante, y flujo unidimensional, es decir, en cada secciónperpendicular al flujo se mantienen consta ntes e invariables con el tiempo laspropiedades termodinámicas, obtenemos:como la variación de la energía cinética es despreciable entre la entrada y salida dela turbina, y además esta es prácticamente adiabática (Q = 0); el trabajo técnico quesale de la misma vendría dada por la expresión: Si queremos conocer la potencia, simplemente multiplicamos por el caudalmásico de vapor que circula por el circuito: De la misma manera que la bomba de alimentación: a nivel potencia: Estas ecuaciones son válidas si se consideren o no los rozamientos.2.- Calor recibido por el vapor. El agua recibe calor en la caldera desde que entra al economizador hasta quesale del sobrecalentador. Puesto que la variación de energía cinética sigue siendodespreciable, la ecuación de la energía antes indicada nos lleva para elcalentamiento (2-5) a la expresión: 18
  19. 19. A nivel potencia: Esta cantidad de calor, es diferente a la aportada por el combustible en lacaldera que la podemos medir si conocemos el caudal másico de combustible, y elpoder calorífico inferior: Datos fácilmente obtenibles en una instalación.3.- Calor del condensador. Sabemos que todas las máquinas térmicas ceden un calor al exterior, por elsegundo principio de la Termodinámica o principio de la degradación de la energía.En la central térmica exotérmica de vapor, esta cesión de calor al exterior se realizaen el condensador, en donde el fluido de trabajo (el agua o vapor de agua) cedecalor a otro fluido en general agua o aire (es un i ntercambiador de calor). Por lo quesi consideramos las energías cinéticas de entrada y salida aproximadamente iguales,y sabiendo que el fluido no realiza ningún trabajo sobre el medio; aplicando elbalance de energía para un régimen permanente, obtenemos : Y a nivel potencia:4.- Rendimiento térmico bruto del ciclo. Se define como el cociente entre el trabajo suministrado por el vapor en laturbina y el calor que recibe en la caldera: 19
  20. 20. 5.- Rendimiento térmico neto del ciclo. Se define como el cociente entre el trabajo neto suministrado por el vapor y elcalor que recibe la caldera.Características que mejoran el rendimiento del ciclo simple reversible. Teniendo en cuenta que el rendimiento del ciclo de Carnot es el de máximorendimiento que puede conseguir una máquina térmica ideal sin irreversibilidades,ni externas ni internas: En donde TFF es la temperatura del foco frio, y TFC es la temperatura del fococaliente. Se entiende que el rendimiento del ciclo será tanto mayor cuanto mayo r seala temperatura media TFC del vapor mientras recibe calor de la caldera, y cuantomenor sea su temperatura media TFF durante la cesión de calor en el condensador.Las características que influyen en el rendimiento del ciclo de Rankine, comprobadasexperimentalmente y en la práctica, son:1.- Aumentar la temperatura máxima del ciclo. Si se aumenta la temperatura máxima del ciclo (T5). Ocurre sin embargo que elrodete de la turbina está sometido a esfuerzos mecánicos importantes, que unidos atemperaturas elevadas son difíciles de soportar, aún con materiales y técnicasconstructivas avanzadas. En la actualidad la temperatura máxima está limitada a unos600ºC.2.- Disminuir la temperatura mínima y como consecuencia la presión mínimadel ciclo. Cuanto menor sea la presión de condensación será más elevado el rendimientotérmico, ya que disminuiría la temperatura media TFF .La presión de condensaciónmás baja que puede ser alcanzada idealmente será la presión de saturacióncorrespondiente a la más baja temperatura del agua o aire de refrigeración delcondensador; como para que se pueda hacer una transferencia de calor en elcondensador desde el vapor al agua ó aire de refrigeración necesitamos un salto detemperaturas, la presión de condensación será más alta que la teórica; por lo que está 20
  21. 21. depende de la temperatura de agua de refrigeración y caudal, de la superficie detransmisión de calor y de su limpieza. Para las grandes y medias instalaciones los condensadores trabajan endepresión, con valores absolutos del orden de 0,05bar.Con esta presión, latemperatura de saturación es de 33 ºC. Una diferencia de temperatura entre la del vapor y la del agua de refrigeraciónde unos 10ºC puede considerarse económicamente adecuado. El vacio en elcondensador sería perjudicado por el aire y otros gases que puedan entrar yacumularse allí. Hay que extraerlos mediante eyectores o bombas de vacío.3.- Aumentar la presión máxima del ciclo. Como se puede apreciar en el diagrama T-s, el área interna del ciclocorresponde al trabajo neto que nos produce la central térmica; si a igualdad depresión de condensación, aumentamos la presión en la caldera, indefectiblementeaumentará el área interna del ciclo y por lo tanto su trabajo neto; por otra partetambién aumentaría la temperatura media TFc, con lo que se cumple también lapremisa expuesto en el punto anterior; estando también limitada la presión máximapor su correspondiente temperatura de entrada a la turbina; ya que al aumentar lapresión aumenta también la temperatura de saturación, pero estando limitada latemperatura de sobrecalentamiento como habíamos dicho en el apartado anterior; porotra parte las condiciones de presión y temperatura a la entrada de la turbina se debecalcular para que a la salida de esta no tengamos más de un 12% de agua en estadolíquido Por lo tanto, la presión de vaporización debe ser lo más elevada posible. En general se utilizan presiones elevadas para plantas de gran potencia, ya queel costo de instalación al utilizar este rango de presiones (>80 bar) es muy elevado, yen este tipo de instalaciones una mayor inversión queda económicamentecompensado con el mejor rendimiento4.- Aumentar la temperatura del ag ua de alimentación de la caldera. (Cicloregenerativo). Se habla de ciclo de Rankine con regeneración, cuando el agua de alimentaciónen su camino hacia el evaporador se precalienta con vapor de la turbina (2 -2"), y eleconomizador sólo se utiliza para la última fase de calentamiento (2"-3); enconsecuencia, el vapor recibe calor en la caldera a partir del estado 2". Con lo que se eleva la temperatura media TFC de absorción de calor en lacaldera al quedar eliminado las temperaturas correspondientes al e conomizadortradicional. 21
  22. 22. Existen dos tipos de centrales termoeléctricas que utilizan esta filosofía:Sin mezclaCon mezclaCuyos correspondientes diagramas T-s, son los siguientes:Sin mezcla 22
  23. 23. Con mezcla El ciclo de regeneración con mezcla y sin mezcla el precalentamiento del agua2-2" se hace con el vapor procedente de varias extracciones de vapor en diferentespuntos de la turbina, que van a otros tantos calentadores o mezcladores por los quepasa el agua de alimentación. Cada extracción se condensa y enfría en su calentadoro en el mezclador correspondiente, y con el calor desprendido se realiza elprecalentamiento deseado. Este procedimiento presenta además la gran ventaja de evitar que todo elvapor que entró a la turbina llegue al condensador (aproximadamente 1/3 parte delvapor de entrada), ya que la potencia de la turbina viene limitada por la cantidad devapor que puede fluir por las últimas ruedas de la misma, donde el volumenespecífico del vapor es muy elevado (aproximadamente 25 m3/kg). El diámetro de laúltima rueda y la altura radial de las paletas están limitados por consideraciones deorden mecánico, esto determina el área de la corona circular por donde pasa elvapor. Por tanto, cuanto menor sea la cantidad de vapor que sale en relación al queentra, mayor podrá ser este último y mayor potencia tendrá la turbina. A la salida de un calentador, las temperaturas de extracción (ya condensada) ydel agua de alimentación teóricamente son ig uales, en realidad, la de la última, quees la que está recibiendo el calor es de 2 ó 3 ºC inferior. El condensado de una extracción se puede mandar al calentador anterior ópodemos inyectarlo mediante una bomba en el circuito primario de agua de 23
  24. 24. alimentación, en un punto inmediato posterior al calentador en cuestión, donde latemperatura es de sólo 2 ó 3ºC menor que la de la inyectada, y por tanto la exergíadestruida es pequeña. La exergía es una magnitud termodinámica que indica elmáximo trabajo teórico que se puede alcanzar por la interacción espontánea entreel sistema cerrado y entorno La primera opción tiene un menor coste de instalación, pero implica una granexergía destruida, debido a la expansión libre de la primera extracción sobre elsegundo calentador, al haber una gran diferencia de presiones. Para conseguir una máxima eficiencia en una planta de este tipo, losincrementos de entalpía deberán, ser los mismos en todos los calentadores y eleconomizador (si la planta no posee recalentamiento)Formulación matemática Sin mezcla: En las válvulas, se pueden considerar adiabáticas, y como además no seproduce trabajo, el proceso que ocurre es isoentálpico (a entalpía constante). Calentadores: Condensador: 24
  25. 25. Al haber una mezcla posterior se cumple, para este supuesto: Con mezcla:Calentadores:Condensador: 25
  26. 26. Diagrama de flujos de la central termoeléctrica indicando las medidas disponibles Aunque el incremento del consumo de combustible de una centraltermoeléctrica con relación a una referencia puede cuantificarse a partir de lasmedidas, esto no basta para inferir las causas que lo han originado. Un buendiagnóstico de la operación debe ser precedido por un desarrollo conceptual queexplique el origen de dicho incre mento. Las primeras causas, a excepción de lo quepuedan suponer los efectos de las condiciones ambientales o la programacióndefectuosa de los sistemas de control, son el mal funcionamiento de los equipos deproceso. Por ello para realizar el diagnóstico de la central es necesario definir unosparámetros de eficiencia de los equipos, que pudiendo ser calculados a partir de lasmedidas, caractericen su malfunción. 26

×