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CONDENSADORES




       Los condensadores de vapor son aparatos en los cuales se condensa el vapor
de escape procedente de maquinas y turbinas, y de donde el aire y otros gases no
condensables son evacuados en forma continua. Dos son las ventajas que pueden
considerarse empleando condensadores en las máquinas y turbinas de vapor: 1)
disminución de la presión de escape, con el consiguiente aumento de energía
utilizable; 2) recuperación del condensado para utilizarlo como agua de
alimentación para las calderas. En la mayoría de las centrales productoras de v apor
la recuperación del condensado es muy importante, constituyendo una necesidad
en la mayoría de las aplicaciones marítimas. El agua de alimentación de las calderas
tomadas de lagos, ríos o mares, debe vaporizarse o tratarse apropiadamente antes
de introducirla en los generadores de vapor. Con la tendencia a hacer trabajar las
calderas a presiones y temperaturas cada vez más elevadas, ha aumentando la
necesidad de trabajar con aguas de alimentación puras, dando como resultado que
la mayoría de los condensadores instalados sean del tipo de superficie, los cuales
permiten recuperar el condensado.




                                                                                   1
TIPOS DE CONDENSADORES Y APLICACIONES


       En las centrales térmicas se utilizan dos tipos de condensadores: (1) de
superficie, y (2) de chorro. Los condensadores de superficie proporcionan una baja
presión de escape y al mismo tiempo permiten recuperar el condensado. Las
condensadores de chorro solamente proporcionan una baja presión de escape, pues
el condensado se mezcla con el agua de refrigeración. En las centrales equipadas
con grandes turbinas de vapor no pueden emplearse condensadores de chorro,
porque aun prescindiendo de la pérdida del con densado, el consumo de energía de
las bombas de estos condensadores y el costo inicial de las necesarias para evacuar
el aire neutralizan los beneficios conseguidos con el elevado vacío obtenido con este
tipo de condensadores. Sin embargo, tratándose de turbinas de tamaño moderado,
así como de maquinas de vapor de émbolo, los condensadores de chorro tienen
bastante aplicación, especialmente en el caso que abunde el agua de alimentación
de buena calidad.

       Un condensador de superficie consiste generalmente en un cilindro de hierro
colado, o de chapa de hierro con una tapa porta-tubos en cada extremo, las cuales
unen entre sí una multitud de tubos que forman la superficie de enfriamiento. El
vapor de escape entra al condensador por un orificio situado en la par te superior de
la envolvente y el agua de refrigeración pasa por el interior de los tubos. Cuando el
condensador se emplea con una máquina de émbolo, se adopta corrientemente la
disposición inversa, es decir, el agua pasa por fuera de los tubos y el vapor por el
interior de los mismos.

       Otra forma de condensación de superficie conocida por condensador
evaporativo, es aquella en que el cilindro -envolvente se ha suprimido. El vapor pasa
por el interior de los tubos del condensador sobre los cuales se lanza ag ua
pulverizada. El enfriamiento se produce principalmente por la evaporación del agua
en la atmósfera.

       Los condensadores de chorro pueden ser de nivel bajo y barométrico. Los dos
tipos son similares por lo que se refiere a la forma en la cual el vapor de escape y el
agua de refrigeración se ponen en contacto; la diferencia estriba en el método de
evacuar el agua y el condensado. Los condensadores de chorro en los cuales el agua
de refrigeración, el condensado y los gases no condensables son evacuados por
                                                                                      2
medio de una de una sola bomba, se denominan condensadores de chorro, de vació
reducido 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 son
evacuados por medio de una bomba o eyector independiente, consiguiéndose un
vacío más elevado. Este tipo de condensador se denomina se chorro, de vacío
elevado y de nivel bajo. En determinadas condiciones el aire y el agua pueden ser
evacuados por la acción cinética de la vena de fluido, en cuyo caso el condensador
de chorro se denomina condensador eyector o sifón.




               Fig. 1. Condensador de chorro de nivel bajo (de contacto directo)




                                                                                   3
CONDENSADORES DE PUERFICIE


       En los condensadores de superficie se puede recuperar el condensado por
qué no se mezcla con el agua de refrigeración. El vapor que hay que condensar
normalmente circula por fuera de los tubos (fig. 2), mientras que el agua de
enfriamiento o circulante pasa por el interior de los mismos. Esto se hace porque el
vapor limpio no ensucia la superficie externa de los tubos, la cual es difícil de
limpiar. El agua de refrigeración, frecuentemente está sucia y deja sedimento en el
interior de los tubos. El método usual de limpiarlos consiste en desmontar las tapas
del condensador y hacer pasar por dentro de los tubos cepillos de alambre movidos
por un motor eléctrico. Esta tarea no es tan sencilla como puede parecer, porque un
condensador 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 el
agua circula en un solo sentido a través de todos los tubos, o de dos pasos, en los
cuales el agua circula en un sentido en la mitad de los tubos y regresa a través de los
restantes. La mayoría de los grandes condensadores están equipados con una
bomba centrífuga para evacuar el condensado líquido, y un eyector de aire de tipo
chorro para evacuar el aire y los gases. La figura representa una instalación moderna
típica de turbina con su condensador. El condensador de dos pasos se halla
suspendido directamente del fondo de la turbina, no necesitándose ninguna junta
de dilatación. Soportes de muelle ayudan a s ostener el peso del condensador, y, al
mismo tiempo, permiten cierto movimiento para compensar las dilataciones y
contracciones. Las tuberías de agua del condensador generalmente van provistas de
                                                                                      4
juntas de dilatación de caucho, debido a que solamente han de soportar la baja
presión del agua de refrigeración. La bomba del condensador evacua el agua tan
pronto como ésta va cayendo en el pozo caliente. El condensado actúa de
refrigerante en los condensadores intermedio y posterior al ser bombeado al
depósito 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 por
medio de eyectores de vapor. Tal como representa la figura , dos eyectores trabajan
en paralelo entre el condensador principal y el condensador intermedio. Estos
eyectores hacen pasar el aire del condensador principal al intermedio, en donde la
presión absoluta vale aproximadamente 0,5 kg/cm². Otros dos condensadores
trabajan en paralelo para hacer pasar el aire del condensa dor intermedio al
condensador posterior, el cual se haya a la presión atmosférica. Por tanto, el aire y
los gases no condensables son comprimidos en dos etapas, con una elevación de
presión de casi 0,5 kg/cm² en cada una, para poderlos descargar a la atmósfera. El
vapor de alta presión utilizado en los eyectores se condensa en los condensadores
intermedio y posterior y, por lo general, se evacua por medio de purgadores para
ser enviado a la instalación del agua de alimentación.

      Un condensador de superficie y su equipo auxiliar debe cumplir con los
requisitos 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
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 y
doble circulación, construido para requerir una altura de local mínima. De esta
forma, 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 de
superficie de tubo y puede servir a una turbina de 1 000 000 kW. Las flechas indican
que el vapor fluye hacia abajo a través de la primera batería de tubos y, al mismo
tiempo, pasa por el paso central, siguiendo a continuación una trayectoria
ascendente a través de la segunda batería de tubos. Esta disposición da lugar a la
denominación <<doble circulación>>, y a una acción desgasificante y de
recalentamiento. Todo el vapor que se condensa sobre los tubos de la batería
inferior gotea a contracorriente con respecto al vapor entrante. El vapor que se
condensa sobre los tubos de la batería superior pasa por entre los tubos de ésta se
recoge en una bandeja inclinada que separa los tubos de las baterías superior e
inferior. Este condensado atraviesa, a continuación, un cierre hidráulico y sigue
                                                                                         6

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  • 1. CONDENSADORES Los condensadores de vapor son aparatos en los cuales se condensa el vapor de escape procedente de maquinas y turbinas, y de donde el aire y otros gases no condensables son evacuados en forma continua. Dos son las ventajas que pueden considerarse empleando condensadores en las máquinas y turbinas de vapor: 1) disminución de la presión de escape, con el consiguiente aumento de energía utilizable; 2) recuperación del condensado para utilizarlo como agua de alimentación para las calderas. En la mayoría de las centrales productoras de v apor la recuperación del condensado es muy importante, constituyendo una necesidad en la mayoría de las aplicaciones marítimas. El agua de alimentación de las calderas tomadas de lagos, ríos o mares, debe vaporizarse o tratarse apropiadamente antes de introducirla en los generadores de vapor. Con la tendencia a hacer trabajar las calderas a presiones y temperaturas cada vez más elevadas, ha aumentando la necesidad de trabajar con aguas de alimentación puras, dando como resultado que la mayoría de los condensadores instalados sean del tipo de superficie, los cuales permiten recuperar el condensado. 1
  • 2. TIPOS DE CONDENSADORES Y APLICACIONES En las centrales térmicas se utilizan dos tipos de condensadores: (1) de superficie, y (2) de chorro. Los condensadores de superficie proporcionan una baja presión de escape y al mismo tiempo permiten recuperar el condensado. Las condensadores de chorro solamente proporcionan una baja presión de escape, pues el condensado se mezcla con el agua de refrigeración. En las centrales equipadas con grandes turbinas de vapor no pueden emplearse condensadores de chorro, porque aun prescindiendo de la pérdida del con densado, el consumo de energía de las bombas de estos condensadores y el costo inicial de las necesarias para evacuar el aire neutralizan los beneficios conseguidos con el elevado vacío obtenido con este tipo de condensadores. Sin embargo, tratándose de turbinas de tamaño moderado, así como de maquinas de vapor de émbolo, los condensadores de chorro tienen bastante aplicación, especialmente en el caso que abunde el agua de alimentación de buena calidad. Un condensador de superficie consiste generalmente en un cilindro de hierro colado, o de chapa de hierro con una tapa porta-tubos en cada extremo, las cuales unen entre sí una multitud de tubos que forman la superficie de enfriamiento. El vapor de escape entra al condensador por un orificio situado en la par te superior de la envolvente y el agua de refrigeración pasa por el interior de los tubos. Cuando el condensador se emplea con una máquina de émbolo, se adopta corrientemente la disposición inversa, es decir, el agua pasa por fuera de los tubos y el vapor por el interior de los mismos. Otra forma de condensación de superficie conocida por condensador evaporativo, es aquella en que el cilindro -envolvente se ha suprimido. El vapor pasa por el interior de los tubos del condensador sobre los cuales se lanza ag ua pulverizada. El enfriamiento se produce principalmente por la evaporación del agua en la atmósfera. Los condensadores de chorro pueden ser de nivel bajo y barométrico. Los dos tipos son similares por lo que se refiere a la forma en la cual el vapor de escape y el agua de refrigeración se ponen en contacto; la diferencia estriba en el método de evacuar el agua y el condensado. Los condensadores de chorro en los cuales el agua de refrigeración, el condensado y los gases no condensables son evacuados por 2
  • 3. medio de una de una sola bomba, se denominan condensadores de chorro, de vació reducido 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 son evacuados por medio de una bomba o eyector independiente, consiguiéndose un vacío más elevado. Este tipo de condensador se denomina se chorro, de vacío elevado y de nivel bajo. En determinadas condiciones el aire y el agua pueden ser evacuados por la acción cinética de la vena de fluido, en cuyo caso el condensador de chorro se denomina condensador eyector o sifón. Fig. 1. Condensador de chorro de nivel bajo (de contacto directo) 3
  • 4. CONDENSADORES DE PUERFICIE En los condensadores de superficie se puede recuperar el condensado por qué no se mezcla con el agua de refrigeración. El vapor que hay que condensar normalmente circula por fuera de los tubos (fig. 2), mientras que el agua de enfriamiento o circulante pasa por el interior de los mismos. Esto se hace porque el vapor limpio no ensucia la superficie externa de los tubos, la cual es difícil de limpiar. El agua de refrigeración, frecuentemente está sucia y deja sedimento en el interior de los tubos. El método usual de limpiarlos consiste en desmontar las tapas del condensador y hacer pasar por dentro de los tubos cepillos de alambre movidos por un motor eléctrico. Esta tarea no es tan sencilla como puede parecer, porque un condensador 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 el agua circula en un solo sentido a través de todos los tubos, o de dos pasos, en los cuales el agua circula en un sentido en la mitad de los tubos y regresa a través de los restantes. La mayoría de los grandes condensadores están equipados con una bomba centrífuga para evacuar el condensado líquido, y un eyector de aire de tipo chorro para evacuar el aire y los gases. La figura representa una instalación moderna típica de turbina con su condensador. El condensador de dos pasos se halla suspendido directamente del fondo de la turbina, no necesitándose ninguna junta de dilatación. Soportes de muelle ayudan a s ostener el peso del condensador, y, al mismo tiempo, permiten cierto movimiento para compensar las dilataciones y contracciones. Las tuberías de agua del condensador generalmente van provistas de 4
  • 5. juntas de dilatación de caucho, debido a que solamente han de soportar la baja presión del agua de refrigeración. La bomba del condensador evacua el agua tan pronto como ésta va cayendo en el pozo caliente. El condensado actúa de refrigerante en los condensadores intermedio y posterior al ser bombeado al depósito 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 por medio de eyectores de vapor. Tal como representa la figura , dos eyectores trabajan en paralelo entre el condensador principal y el condensador intermedio. Estos eyectores hacen pasar el aire del condensador principal al intermedio, en donde la presión absoluta vale aproximadamente 0,5 kg/cm². Otros dos condensadores trabajan en paralelo para hacer pasar el aire del condensa dor intermedio al condensador posterior, el cual se haya a la presión atmosférica. Por tanto, el aire y los gases no condensables son comprimidos en dos etapas, con una elevación de presión de casi 0,5 kg/cm² en cada una, para poderlos descargar a la atmósfera. El vapor de alta presión utilizado en los eyectores se condensa en los condensadores intermedio y posterior y, por lo general, se evacua por medio de purgadores para ser enviado a la instalación del agua de alimentación. Un condensador de superficie y su equipo auxiliar debe cumplir con los requisitos 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. 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 y doble circulación, construido para requerir una altura de local mínima. De esta forma, 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 de superficie de tubo y puede servir a una turbina de 1 000 000 kW. Las flechas indican que el vapor fluye hacia abajo a través de la primera batería de tubos y, al mismo tiempo, pasa por el paso central, siguiendo a continuación una trayectoria ascendente a través de la segunda batería de tubos. Esta disposición da lugar a la denominación <<doble circulación>>, y a una acción desgasificante y de recalentamiento. Todo el vapor que se condensa sobre los tubos de la batería inferior gotea a contracorriente con respecto al vapor entrante. El vapor que se condensa sobre los tubos de la batería superior pasa por entre los tubos de ésta se recoge en una bandeja inclinada que separa los tubos de las baterías superior e inferior. Este condensado atraviesa, a continuación, un cierre hidráulico y sigue 6
  • 7. hacia abajo pasando por encima del borde de un tabique vertical sobre el cual forma una película delgada. Cuando esta película de agua abandona el borde inferior del tabique, cae a través del vapor vivo, originando la desgasificación y evitando, al mismo tiempo, el sobreenfiramiento. La gran superficie de entrada y la trayectoria relativamente corta seguida por el vapor contribuyen a que los rozamientos y la caída de presión sean pequeños. La sección triangular del enfriador de aire que aparece en el centro de la figura se emplea para reducir el volumen de aire y gases no 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 superficie externa del casco del barco, pasa por el interior de los tubos y es descargada otra vez al mar. Cuando el barco está en marcha no se necesita bomba para hacer circular el agua, pero va equipado con una bomba auxiliar. El vapor de escape procedente de las turbinas entra por la parte alta del condensador, fluye hacia abajo y se condensa sobre la superficie externa de los tubos. En condensado se saca del fondo mediante una bomba. Fig. 6. Condensador de superficie Foster Wheeler de tipo marino 7
  • 8. CONDENSADORES DE CHORRO, DE NIVEL BAJO En la figura 7 aparece un condensador de chorros múltiples, de nivel bajo. El condensador consiste en una cámara cilíndrica cerrada, en cuya parte superior hay una 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 las boquillas por la presión de la bomba y por el vació existente. Los chorros están dirigidos a la garganta del tubo en donde se reúnen para formar un solo chorro. El vapor de escape en el condensador por la par te superior se pone en contacto directo con los chorros de agua convergentes, y se condensa. Por el efecto combinado de la presión de agua externa, el vacío existente dentro del condensador, y la acción de la gravedad, los chorros de agua alcanzan una velo cidad suficiente para arrastrar el vapor condensado, el aire y los gases no condensables, y para descargarlos en el pozo caliente venciendo la presión atmosférica. Los chorros de agua crean el vacío al condensar el vapor, y lo mantienen al arrastrar y evac uar el aire y los gases no condensables. De esta forma no se requiere bomba alguna para evacuar el aire y el agua. La unión que aparece en la figura entre la turbina y el condensador consiste en un tubo de cobre ondulado con bridas de hierro colado. Esta unión permite las dilataciones y contracciones producidas por las variaciones de temperatura. Fig. 7. Instalación de un condensador-eyector Schutte y Koerting. 8
  • 9. El condensador eyector requiere más agua que cualquier otro tipo de condensador de chorro, pero la ausencia de bombas de vacío compensa esta desventaja. Los condensadores de chorros múltiples pueden mantener un vacio del orden de 737 mm con respecto a una presión barométrica de 762 mm, con agua de refrigeración a 15,6r C; este tipo de condensador es apropiado para turbinas de una potencia hasta 10 000 kW. En los condensadores de chorro, de nivel bajo, la cámara de condensación se halla a poca altura, el agua se saca mediante una bomba, y su altura total es lo suficientemente baja para poderlos instalar debajo de la turbina o máquina de vapor. Los condensadores de tipo barométrico se colocan a un nivel suficientemente elevado (del orden de 12 m), sobre el punto por donde se descarga el agua, para que ésta pueda salir por sí sola por la acción de la gravedad a través de un 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 arrastrado y los otros gases no condensables. El condensado líquido ayuda a hacer la junta de los anillos del émbolo y disminuye las fugas, no necesitándose ningún eyector de aire independiente. Estos condensadores se fabrican de hierro colado y de bronce; estos últimos se emplean cuando el agua es salada. Los condensadores de este tipo de construyen en tamaños capaces de condensar de 5 153 a 11 350 kg de vapor de hora cuando trabajan con agua a 21 r C y contra una presión absoluta de escape de 101,6 mm de mercurio. El cono regulable admite el agua en láminas delgadas cónicas en el extremo del codo de inyección. El caudal de agua puede regularse en consonancia co n las variaciones de la carga de vapor y de la temperatura del agua de refrigeración. Para evitar que el agua alcance un nivel impropio en el interior del condensador en el caso de que la bomba deje de funcionar, se dispone un flotador de bola, de cobre, el cual rompe el vacío cuando se presentan tales casos. La bomba de vacío -húmedo es accionada por una máquina de vapor simplex. CONDENSADORES BAROMÉTRICOS La figura 9 representa la sección de un condensador barométrico (de contacto directo), a contracorriente, en el cual se emplea el sistema de discos para distribuir el agua. En el condensador ilustrado el agua de refrigeración entra por un punto situado por encima de la entrada del vapor, y el agua va cayendo de disco en 9
  • 10. disco, tal como aparece en la figura. El aire contenido es evacuado por medio de un eyector de aire, de chorro de vapor con dos escalonamientos y un refrigerador intermedio. El vapor a alta presión al expansionarse a través de las toberas a una elevada velocidad, arrastra el aire y los gases no condensables; la energía cinética d esta 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 del condensador y, a continuación, en el tubo de salida, mientras que el aire es enfriado en la parte superior del aparato, quedando a una temperatura próxima a la del agua de entrada. De esta manera el eyector de aire trabaja con gases fríos , que contienen poco vapor y prácticamente nada de agua. La parte inferior del tubo de salida (de unos 10,7 m de longitud) está sumergida en el pozo caliente. Como quiera que la presión atmosférica pueda soportar una columna de agua de 10,36 m de altura, el tubo de salida constituye una bomba de evacuación automática, y el agua sale de dicho tubo tan ´rápidamente como se va acumulando en el mismo. En los condensadores barométricos y de nivel bajo es normal elevar el agua de la fuente de alimentación a la altura necesaria para la inyección, mediante el vacío que existe dentro del condensador. La altura máxima a que por este 10
  • 11. procedimiento puede elevarse el agua es de unos 5,49 m con un vacío de 712 mm con respecto a una presión barométrica de 762 mm. Cuando resulta necesario se emplea una bomba para ayudar a elevar el agua a la altura requerida por el condensador. Los condensadores barométricos son de construcción simple, sin órganos móviles, ni toberas, ni orificios estrangulados que pueden taparse y no necesitan válvulas de comunicación con la atmósfera. Fig. 9. Condensador barométrico (de contacto directo), de discos y de contracorriente, tipo Ingersoll-Rand. 11
  • 12. PRUEBAS DE COMPORTAMIENTO En la figura 1 se muestra un esquema típico de una planta termoeléctrica convencional de ciclo Rankine. En este ciclo de potencia, el vapor procedente del generador se expande en las secciones de alta, media y baja presión de la turbina para producir potencia mecánica, la cual se convierte en energía eléctrica. A la salida de la turbina de baja presión, el vapor de escape es enviado al condensador, donde intercambia calor con el agua de enfriamiento (agua de circulación) para condensarse. El vapor condensado es enviado al deareador por medio de bombas y, posteriormente, es suministrado al generador de vapor por las bombas de agua de alimentación. Figura 1. Esquema de una central termoeléctrica convencional. El vapor de escape de la turbina debe condensarse para mantener la presión requerida en las últimas etapas de la misma, con el fin de lograr la mayor eficiencia del ciclo, así como para enviarlo como líquido al generador de vapor. Las alternativas de los sistemas de enfriamiento o condensación incluyen enfriamiento de un solo paso, torres de enfriamiento húmedas, sistemas de enfriamiento secos e híbridos. En las centrales termoeléctricas convencionales de México normalmente se utilizan los sistemas con torres de enfriamiento húmedas de flujo cruzado y tiro 12
  • 13. mecánico, así como los sistemas de un solo paso. Sus principales componentes se muestran en la figura 2, y aunque el diseño de dichos sistemas varía de una planta a otra 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 los sistemas de supervisión en línea y de control de proceso en centrales termoeléctricas, debido a que dichos sistemas permiten lograr beneficios significativos, tanto en el desempeño energético como en el mantenimiento y la vida útil de los equipos de la central generadora CÁLCULO DE INDICADORES DE COMPORTAMIENTO La implantación del sistema de monitoreo y diagnóstico requiere de procedimientos confiables y eficaces para el cálculo de los parámetros indicadores de comportamiento de cada uno de los equipos que conforman el sistema de condensación. Los principales indicadores que calcula el sistema incluyen: la temperatu ra de agua 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 tipo de una sola presión en la coraza, con dos cajas de agua divididas, de uno o dos pasos, y como medio de enfriamiento utilizan agua de mar o agua dulce. 13
  • 14. El procedimiento de evaluación y diagnóstico del condensador (Figueroa, 2006) incluye la determinación de los siguientes indicadores de comportamiento para las condiciones de referencia de diseño (subíndice d) y las actuales (subíndice r): 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 de temperaturas media logarítmica (DTml) y factor de limpieza (FL). Los indicadores para condiciones actuales se calculan para cada caja del condensador, con excepción de Pa y GSUB, los cuales son iguales en ambas cajas. Los parámetros de referencia de diseño son aquellos correspondientes a la potencia actual generada por la unidad. Los datos de diseño proporcionados por el fabricante para el 100% de carga se utilizan como referencia cuando la unidad opera bajo esas condiciones. Para evaluar una carga diferente a la del 100% se deben establecer los nuevos valores de los parámetros de referencia correspondientes a la carga de operación actual. La carga térmica de referencia (Q d) se estima utilizando una correlación construida a partir de los datos de carga térmica de los balances con los parámetros de 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 absoluta se 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 agua caliente (Tac,Q ), correspondientes a Q d. 14
  • 15. 2. Estimación mediante curvas de comportamiento de la torre de enfriamiento para un flujo de agua del 100%, de la temperatura de agua fría de referencia (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 las temperaturas media logarítmica de referencia (DT ml,d) correspondientes a Taf,d. 15
  • 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 cuantificación del efecto que las siguientes variables tienen en el incremento de la presión absoluta del condensador (Torres, 1999): carga térmica en el condensador, temperatura del agua de circulación a la entrada del condensador, flujo del agua de circulación, área de transferencia de calor, ensuciamiento de los tubos e infiltraciones de aire. 16
  • 17. BALANCE TÉRMICO Ciclos 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 el calderín, de aquí pasa al sobrecalentador, donde prácticamente también a presión constante se calienta hasta la temperatura máxima prevista en la instalación. Se transporta luego por una tubería a la turbina, a donde llega en el mismo estado si se prescinde en principio de las pérdidas de calor y de la caída de presión a causa del rozamiento del flujo. En la turbina se expansiona teóricamente a entropía constante, si prescindimos también de los importantes rozamientos y choques que aquí tienen lugar; en realidad, como la turbina es adiabática, la entropía del vapor tiene que aumentar 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 se transforma en líquido. Con una o más bombas hidráulicas se eleva la presión del agua para que pueda retornar a la caldera. Por último, se precalienta el agua en el economizador y entra de nuevo en el calderín. El ciclo resultante es el llamado ciclo de Rankine. 17
  • 18. Trabajo y rendimiento del ciclo. 1.- Trabajo técnico. Aplicando a la turbina un balance de energías, para régimen permanente, es decir, caudal másico constante, y flujo unidimensional, es decir, en cada sección perpendicular al flujo se mantienen consta ntes e invariables con el tiempo las propiedades termodinámicas, obtenemos: como la variación de la energía cinética es despreciable entre la entrada y salida de la turbina, y además esta es prácticamente adiabática (Q = 0); el trabajo técnico que sale de la misma vendría dada por la expresión: Si queremos conocer la potencia, simplemente multiplicamos por el caudal másico 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 que sale del sobrecalentador. Puesto que la variación de energía cinética sigue siendo despreciable, la ecuación de la energía antes indicada nos lleva para el calentamiento (2-5) a la expresión: 18
  • 19. A nivel potencia: Esta cantidad de calor, es diferente a la aportada por el combustible en la caldera que la podemos medir si conocemos el caudal másico de combustible, y el poder calorífico inferior: Datos fácilmente obtenibles en una instalación. 3.- Calor del condensador. Sabemos que todas las máquinas térmicas ceden un calor al exterior, por el segundo 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 realiza en el condensador, en donde el fluido de trabajo (el agua o vapor de agua) cede calor a otro fluido en general agua o aire (es un i ntercambiador de calor). Por lo que si consideramos las energías cinéticas de entrada y salida aproximadamente iguales, y sabiendo que el fluido no realiza ningún trabajo sobre el medio; aplicando el balance 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 la turbina y el calor que recibe en la caldera: 19
  • 20. 5.- Rendimiento térmico neto del ciclo. Se define como el cociente entre el trabajo neto suministrado por el vapor y el calor 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 máximo rendimiento 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 foco caliente. Se entiende que el rendimiento del ciclo será tanto mayor cuanto mayo r sea la temperatura media TFC del vapor mientras recibe calor de la caldera, y cuanto menor sea su temperatura media TFF durante la cesión de calor en el condensador. Las características que influyen en el rendimiento del ciclo de Rankine, comprobadas experimentalmente 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 el rodete de la turbina está sometido a esfuerzos mecánicos importantes, que unidos a temperaturas elevadas son difíciles de soportar, aún con materiales y técnicas constructivas avanzadas. En la actualidad la temperatura máxima está limitada a unos 600ºC. 2.- Disminuir la temperatura mínima y como consecuencia la presión mínima del ciclo. Cuanto menor sea la presión de condensación será más elevado el rendimiento térmico, ya que disminuiría la temperatura media TFF .La presión de condensación más baja que puede ser alcanzada idealmente será la presión de saturación correspondiente a la más baja temperatura del agua o aire de refrigeración del condensador; como para que se pueda hacer una transferencia de calor en el condensador desde el vapor al agua ó aire de refrigeración necesitamos un salto de temperaturas, la presión de condensación será más alta que la teórica; por lo que está 20
  • 21. depende de la temperatura de agua de refrigeración y caudal, de la superficie de transmisión de calor y de su limpieza. Para las grandes y medias instalaciones los condensadores trabajan en depresión, con valores absolutos del orden de 0,05bar.Con esta presión, la temperatura de saturación es de 33 ºC. Una diferencia de temperatura entre la del vapor y la del agua de refrigeración de unos 10ºC puede considerarse económicamente adecuado. El vacio en el condensador sería perjudicado por el aire y otros gases que puedan entrar y acumularse 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 ciclo corresponde al trabajo neto que nos produce la central térmica; si a igualdad de presión de condensación, aumentamos la presión en la caldera, indefectiblemente aumentará el área interna del ciclo y por lo tanto su trabajo neto; por otra parte también aumentaría la temperatura media TFc, con lo que se cumple también la premisa expuesto en el punto anterior; estando también limitada la presión máxima por su correspondiente temperatura de entrada a la turbina; ya que al aumentar la presión aumenta también la temperatura de saturación, pero estando limitada la temperatura de sobrecalentamiento como habíamos dicho en el apartado anterior; por otra parte las condiciones de presión y temperatura a la entrada de la turbina se debe calcular para que a la salida de esta no tengamos más de un 12% de agua en estado líquido 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 que el costo de instalación al utilizar este rango de presiones (>80 bar) es muy elevado, y en este tipo de instalaciones una mayor inversión queda económicamente compensado con el mejor rendimiento 4.- Aumentar la temperatura del ag ua de alimentación de la caldera. (Ciclo regenerativo). Se habla de ciclo de Rankine con regeneración, cuando el agua de alimentación en su camino hacia el evaporador se precalienta con vapor de la turbina (2 -2"), y el economizador sólo se utiliza para la última fase de calentamiento (2"-3); en consecuencia, 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 la caldera al quedar eliminado las temperaturas correspondientes al e conomizador tradicional. 21
  • 22. Existen dos tipos de centrales termoeléctricas que utilizan esta filosofía: Sin mezcla Con mezcla Cuyos correspondientes diagramas T-s, son los siguientes: Sin mezcla 22
  • 23. Con mezcla El ciclo de regeneración con mezcla y sin mezcla el precalentamiento del agua 2-2" se hace con el vapor procedente de varias extracciones de vapor en diferentes puntos de la turbina, que van a otros tantos calentadores o mezcladores por los que pasa el agua de alimentación. Cada extracción se condensa y enfría en su calentador o en el mezclador correspondiente, y con el calor desprendido se realiza el precalentamiento deseado. Este procedimiento presenta además la gran ventaja de evitar que todo el vapor que entró a la turbina llegue al condensador (aproximadamente 1/3 parte del vapor de entrada), ya que la potencia de la turbina viene limitada por la cantidad de vapor que puede fluir por las últimas ruedas de la misma, donde el volumen específico del vapor es muy elevado (aproximadamente 25 m3/kg). El diámetro de la última rueda y la altura radial de las paletas están limitados por consideraciones de orden mecánico, esto determina el área de la corona circular por donde pasa el vapor. Por tanto, cuanto menor sea la cantidad de vapor que sale en relación al que entra, mayor podrá ser este último y mayor potencia tendrá la turbina. A la salida de un calentador, las temperaturas de extracción (ya condensada) y del agua de alimentación teóricamente son ig uales, en realidad, la de la última, que es la que está recibiendo el calor es de 2 ó 3 ºC inferior. El condensado de una extracción se puede mandar al calentador anterior ó podemos inyectarlo mediante una bomba en el circuito primario de agua de 23
  • 24. alimentación, en un punto inmediato posterior al calentador en cuestión, donde la temperatura es de sólo 2 ó 3ºC menor que la de la inyectada, y por tanto la exergía destruida es pequeña. La exergía es una magnitud termodinámica que indica el máximo trabajo teórico que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre el sistema cerrado y entorno La primera opción tiene un menor coste de instalación, pero implica una gran exergía destruida, debido a la expansión libre de la primera extracción sobre el segundo calentador, al haber una gran diferencia de presiones. Para conseguir una máxima eficiencia en una planta de este tipo, los incrementos de entalpía deberán, ser los mismos en todos los calentadores y el economizador (si la planta no posee recalentamiento) Formulación matemática Sin mezcla: En las válvulas, se pueden considerar adiabáticas, y como además no se produce trabajo, el proceso que ocurre es isoentálpico (a entalpía constante). Calentadores: Condensador: 24
  • 25. Al haber una mezcla posterior se cumple, para este supuesto: Con mezcla: Calentadores: Condensador: 25
  • 26. Diagrama de flujos de la central termoeléctrica indicando las medidas disponibles Aunque el incremento del consumo de combustible de una central termoeléctrica con relación a una referencia puede cuantificarse a partir de las medidas, esto no basta para inferir las causas que lo han originado. Un buen diagnóstico de la operación debe ser precedido por un desarrollo conceptual que explique el origen de dicho incre mento. Las primeras causas, a excepción de lo que puedan suponer los efectos de las condiciones ambientales o la programación defectuosa de los sistemas de control, son el mal funcionamiento de los equipos de proceso. Por ello para realizar el diagnóstico de la central es necesario definir unos parámetros de eficiencia de los equipos, que pudiendo ser calculados a partir de las medidas, caractericen su malfunción. 26