Monografia

Ciclos De Las Plantas Térmicas De Vapor Página1
INDICE
Contenido
I. INTRODUCCION ................................................................................................................. 3
II. ELEMENTOS BASICOS DE UNAPLANTA TERMICA DE VAPOR................................... 5
a). CALDERA:.................................................................................................................. 5
b). TURBINA:................................................................................................................... 6
c). CONDENSADOR:........................................................................................................ 6
III. COMPONENTES................................................................................................................ 7
1. SEGÚN EL MANEJO DE VAPOR DE AGUA................................................................... 7
1.1. TURBINA DE VAPOR:.............................................................................................. 7
1.1.1. Las etapas del ciclo de Rankine son:........................................................................... 8
1.1.2. El rendimiento de los ciclos de turbinas a vapor.......................................................... 8
1.1.3. Diferentes escenarios limitan estas variables determinantes dela eficiencia del ciclo:..... 9
1.2. BOMBAS DE CALOR...................................................................................................10
1.2.1. Componentes básicos de una bomba de calor .............................................................11
1.2.2. Los condensadores se pueden clasificar en:............................................................12
1.2.2.1. Condensadores de aire...........................................................................................12
1.2.2.2. Condensadores de agua..........................................................................................12
1.2.3. Clasificación de las bombas de calor .........................................................................13
1.3. TURBINAS HIDRAULICA...........................................................................................15
1.3.1. CLASIFICACION...................................................................................................15
1.3.1.1. Turbinas de acción (𝜎 = 0)....................................................................................15
1.3.1.2. Turbinas de reacción(𝜎 ≠ 0):.................................................................................16
2. SEGÚN EL MANEJO GAS COMBUSTION.....................................................................17
2.1. CENTRALES TERMICAS A GAS.............................................................................17
2.2. CENTRALES TURBO GAS CICLO ABIERTO DIESEL/G.N. ....................................17
2.2.1. Las turbinas a gas:....................................................................................................18
2.2.1.1. ANTECEDENTES BÁSICOS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO:..........................19
2.2.1.2. Cogeneración........................................................................................................22
2.2.1.3. Sistemas De Cogeneración.....................................................................................23
2.3. CENTRAL DE CICLO COMBINADO........................................................................24

2.3.1. Plantas con turbinas de gas.......................................................................................25
2.3.2. Ciclo simple ............................................................................................................25
2.3.3. Ciclo combinado......................................................................................................26
2.3.4. Ciclo combinado a condensación ..............................................................................26
2.3.5. Trigeneración ..........................................................................................................27
2.3.6. Motor alternativo .....................................................................................................28
2.4. CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES ................................28
2.4.1. Centrales Térmicas de Carbón ..................................................................................29
2.4.2. Centrales Térmicas de Fuel-Oíl.................................................................................29
2.4.3. Centrales Térmicas de Gas Natural............................................................................29
2.5. CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES ................................................30
2.5.1. Centrales Térmicas de Ciclo Combinado ...................................................................30
2.5.2. Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado ............................................30
2.5.3. Centrales Térmicas Gicc Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado...........30
I.V. BIBLIOGRAFIA...............................................................................................................31

MONOGRAFIA
I. INTRODUCCION
Las centrales de generacion termicas a vapor son las que utilizan el ciclo termodinanico
agua-vapor ; se genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos
que cubren las paredes de las calderas; el cual hace girar loa alabes de la turbina a vapor
que consta de tres cuerpos unidos por un mismo eje; el primer cuerpo es el de alta presion
el que esta formado por centenares de alabes pequeños; el segundo cuerpo es el de media
presion el cuan posee centenares de mayor tamaño que los anteriores y el ultimo cuerpo es
el de baja presion que tiene alabes mas grandes que los precedentes:”el objetivo de la triple
disposicion es la de poder aprobechar el maximo la fuerza de vapor”. Previamente
deshumificado.
El eje rotor gira solidariamente acoplado de manera mecanicacon el de un generador que
produce la energia electrica; esta energia se transforma mediante lineas de alta tension
hacia una subestacion elevadora, para luego ser enviadas alargas distancia donde se
encuentran los sitios de consumo.
El vapor que se uso en la turbina es, es enfriado mediante un condensador y convertido
nuevamente en agua, el cual vuelve a la tuberia de la caldera , de esta manera se genera un
ciclo cerrado.
El agua que circula para la refrigeracion del condensador desaloja el calor hacia la
atmosfera por mrdio de las torres de enfriamiento, y parte del calor extrido llega a un rio
proximo o al mar, las torres de enfriamiento son enormes cilindros, que emanan de forma
constante vapor de agua, no contaminante, ala atmosferapara tratar de eliminar en parte los
efectos contaminantes de la conbustion sobre el entorno, la central dispone de una
chimenea que puede llegar a 300m.
Acontinuacion se presenta el proceso simplificado que lleva acabo una central termica a
vapor:

Además;
Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la
combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento
de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante.
El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a
la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el
vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de
la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente
con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante
líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un
condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera,
comenzando un nuevo ciclo.
El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera
a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales;
parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar.
Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides),
que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para
minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone
de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen
las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su
aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se
mezclan con el cemento.

II. ELEMENTOSBASICOS DE UNA PLANTA TERMICADE VAPOR
La flecha superior indica la excitatriz
BA: Bomba de Alimentación de Caldera
BC: Bomba de Condensado
BE: Bomba de Enfriamiento o de Circulación
VTF: Ventilador de Tiro Forzado
VTI: Ventilador de Tiro Inducido
a). CALDERA:
Cubierta exterior de láminas y perfiles metálicos auto soportados, con paredes interiores
hechas de ladrillos refractarios, sobre las que se colocan las tuberías, las que terminan en
cabezales comunes que se conectan al tanque de evaporación. Dependiendo del
combustible empleado y del patrón de combustión, se ajusta la geometría de la caldera.
El aire tomado de la atmósfera por el ventilador de tiro inducido., frecuentemente es
precalentado, para recuperar parte de la energía térmica que se escapa por la chimenea.
Para mejorar el flujo de los gases en combustión y aumentar la transferencia de calor a los
tubos evaporadores, las calderas se dotan de ventiladores de tiro inducido, que succionan
los gases y los envían a la chimenea. Debido a las altas temperaturas y presencia de
elementos extraños en el combustible, los tubos de la caldera deben ser revisados y

limpiados periódicamente. Los residuos de la combustión y el producto de la limpieza de
los tubos constituyen elementos contaminantes cuyo destino puede crear serios problemas.
Los gases que se devuelven a la atmósfera, también deben ser motivo de especial atención
por su contenido de CO2, azufre y otros contaminantes.
Dependiendo de la instalación y de los objetivos que tenga, es posible que varias calderas
se conecten a un cabezal común, al cual se conecten a la vez varios turbogeneradores. Eso
tiene la ventaja de que cuando se pierde un elemento operativo (turbogenerador o caldera)
los restantes equipos pueden redistribuirse la demanda. La más frecuente práctica actual es
tener unidades independientes.
Para mejorar la eficiencia térmica de la plantas, se recalienta el vapor antes llevarlo a la
turbina.
Es fundamental mantener el nivel indicado de agua en las calderas, así como también
someter el agua a un tratamiento adecuado.
b). TURBINA:
La turbina convierte la energía térmica del vapor en energía mecánica que impulsa el
generador. El vapor se expande progresivamente a medida que pasa por las varias etapas de
la turbina y se pueden realizar varias extracciones de vapor, bien sea utilizándolo para
aumentar la temperatura del agua que se inyecta a la caldera, bien sea para llevarlo de
nuevo a la caldera para aumentar su temperatura y volumen antes de pasarlo por la
siguiente etapa de la turbina.
En el diagrama se muestra la turbina dentro de un solo envoltorio o carcasa, en la práctica
puede darse el caso que las diferentes etapas de la turbina se instalen en carcasas diferentes,
aunque mantengan un eje común, que comparten con el generador.
c). CONDENSADOR:
En la etapa final de su recorrido el vapor es llevado a presiones por debajo de la presión
atmosférica, para lo cual es necesario mantener un vacío a la salida de la turbina. En esas
condiciones el vapor pasa por el condensador, donde un conjunto de tubos por cuyo interior
circula agua a baja temperatura, lo que produce su condensación. Obtener agua de la
temperatura y cantidades adecuadas es un factor determinante para definir la ubicación de
una planta. Por cuanto el proceso de condensación eleva la temperatura del agua utilizada
para el enfriamiento, es preciso tomar las previsiones del caso para evitar la recirculación
de dicha agua. Junto con los gases de escape de la caldera, la contaminación térmica
derivada de la condensación del vapor es un problema ambiental importante.
Pese a las previsiones que se toman para preservar los sellos del circuito vapor/condensado,
dados los volúmenes que se manejan se producen pérdidas cuantiosas de agua y vapor, las

cuales es necesario reponer. Además de reponer el agua, las plantas requieren un cuidadoso
tratamiento de aguas.
La(s) bomba(s) de alimentación son otro componente fundamental y con frecuencia se
instalan duplicadas o tres unidades de 50% de capacidad c/u. Frecuentemente son movidas
por turbinas de vapor.
 CONSIDERACION FUNDAMENTAL
Una termoeléctrica de vapor, está compuesta por un variado y numeroso conjunto de
subsistemas, cada uno de los cuales maneja similares, pero característicos procesos de
conversión energética, tanto en equipos fijos con constante movimiento de fluidos, como es
el caso de los intercambiadores de calor (caldera, condensador), como en equipos rotativos
donde ocurre generalmente una doble conversión: hidro–mecánica y electro-mecánica.
Incluyéndose dentro del concepto hidro-mecánico, el fluido de gases de combustión
impulsado por los ventiladores, así como el fluido de lubricantes líquidos impulsado por
bomba
III. COMPONENTES
1. SEGÚN ELMANEJO DE VAPOR DE AGUA
1.1. TURBINA DE VAPOR:
En este caso el fluido de trabajo es vapor de agua (típicamente). Aunque también hay instancias
en que se han fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano u otro). Las típicas
turbinas de vapor se dividen en de acción y de reacción. La turbina a vapor típicamente se usan
en centrales térmicas de generación eléctrica. Estos son sistemas de combustión externa (el
calor se usa para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera).
Estas turbinas funcionan con agua, que es un elemento adecuado, abundante, de masiva
utilización en los ciclos de potencia. El ciclo de potencia de las turbinas a vapor (TV) es el
ciclo de Rankine o alguna de sus variantes.

1.1.1. Las etapas del ciclo de Rankine son:
 En la caldera el agua se evapora y sobrecalienta por el aporte de la energía térmica
recibida.
 El vapor de salida de la caldera ingresa en la TV, expansionando en ella y convirtiendo
su energía térmica en mecánica de rotación en ese equipo. En el generador acoplando a
la turbina se producirá la conversión de la energía que lo impulsa en energía eléctrica.
 En la salida de la turbina (cola de máquina) se extrae, mediante el condensador, el calor
residual del ciclo. El agua recupera la fase líquida y de esta manera se reingresa a la
caldera mediante una bomba que eleva su presión al valor necesario.
Evolución del ciclo de Rankine:
1.1.2. El rendimiento de los ciclos de turbinas a vapor
El rendimiento global del ciclo será tanto más alto cuanto:
 Mayor sea la temperatura del vapor de entrada a la turbina.
 Menor sea la presión de condensación del vapor, a la salida de la turbina.
 Mayor sea la presión del vapor de entrada a la turbina.

 Mayores sean los rendimientos de la turbina de vapor y bombas del ciclo
1.1.3. Diferentes escenarios limitan estas variables determinantes dela eficiencia del
ciclo:
 La presión del vapor de entrada a la turbina estará limitada por el consecuente
contenido de humedad en su vapor de salida.
 La máxima temperatura del vapor de entrada a la turbina dependerá de la calidad de
los materiales empleados en los equipos del ciclo que están en contacto con el fluido.
 La presión de condensación del vapor, íntimamente relacionada a la temperatura
obtenible del mismo a la salida de la turbina, estará relacionada a la temperatura del
medio refrigerante disponible (agua o aire).
 La temperatura de cola de máquina influye notoriamente en el rendimiento del ciclo.
 Esta temperatura, de condensación del vapor, será del orden de los 60 ºCsi el
enfriamiento es con aire y del orden de los 30 ºCsi se refrigera con agua.
 Para ese rango de temperaturas, el rendimiento se eleva desde valores de alrededor del
32% al 37%.
 Por ello es de fundamental importancia disponer de una adecuada fuente refrigerante en
el lugar de instalación de una central de esta tecnología.

Evolución del ciclo de Rankine con recalentamiento:
1.2. BOMBAS DE CALOR
Una bomba de calor es un sistema que permite la obtención de calor a partir de un foco frío por
medio de la utilización de un ciclo de refrigeración. El principio de funcionamiento de una
bomba de calor es el mismo de un ciclo de refrigeración.
En la Figura se presenta un diagrama del ciclo básico de refrigeración.

 Primero, el fluido de trabajo de la bomba de calor (refrigerante), absorbe calor de un
medio a bajas temperaturas por medio de un intercambiador de calor. Éste recibe el
nombre de evaporador, ya que en este lugar el refrigerante se evapora al absorber el
calor. Luego de realizar esta absorción de calor, el refrigerante en forma de vapor
ingresa al compresor. Éste se encarga de aumentar su temperatura y presión, además de
provocar el movimiento del fluido a través del ciclo. Al compresor debe aportársele un
trabajo externo para su funcionamiento, el cual implica el único gasto energético de una
bomba de calor.
 Al aumentar la presión, la temperatura de saturación del refrigerante también aumenta.
Por lo tanto éste será capaz de condensarse a una temperatura más alta. Aprovechando
esta nueva temperatura de saturación, el fluido se lleva a otro intercambiador, donde se
condensa cediendo el calor. Éste recibe el nombre de condensador, por el fenómeno que
le ocurre al refrigerante en este componente. El calor cedido es, teóricamente, el calor
absorbido más el trabajo externo aportado. Finalmente, se disminuye nuevamente la
presión del refrigerante por medio de un dispositivo de expansión, para retornar
nuevamente al evaporador.
1.2.1. Componentes básicos de una bomba de calor
En este capítulo se describirán los principales componentes de un sistema de bombas de calor,
con el objeto de comprender las ventajas y desventajas que caracterizan un sistema de esta
naturaleza.
Se mencionarán brevemente las características que poseen elementos como el compresor, el
evaporador, el condensador y los dispositivos de expansión.
 El compresor en una bomba de calor se encarga de aumentar la presión del refrigerante
con el fin de otorgar a éste la capacidad de ceder calor a temperaturas más elevadas.
Estos equipos se clasifican en compresores alternativos, centrífugos y de tornillo. De
acuerdo con la forma como se acopla el compresor con el motor eléctrico, se
caracterizan los equipos en abiertos, semiabiertos y herméticos.
 En el tipo abierto, el motor y el compresor se encuentran separados. En este tipo de
conjuntos es importante e indispensable un cierre de estanqueidad en el paso del eje

con el fin de evitar fugas de refrigerante. La desventaja de este tipo de conjunto radica
en la imposibilidad de recuperar el calor perdido en el motor, lo cual disminuye el
rendimiento.
 En el tipo semiabierto, el motor se encuentra acoplado al compresor y es refrigerado
por el mismo fluido refrigerante, lo cual aumenta el rendimiento del equipo. Por
último, en el tipo hermético, el conjunto se encuentra totalmente cerrado y no es
desmontable. Esto permite recuperar el calor perdido en el motor casi en su totalidad.
Su principal desventaja es la dificultad de su mantenimiento.
 Con respecto al condensador, es un equipo de intercambio de calor entre el
refrigerante y otro fluido al cual se desea aumentar su temperatura para utilizarlo en un
proceso industrial.
1.2.2. Los condensadores se pueden clasificar en:
1.2.2.1. Condensadores de aire
El aire es impulsado por ventiladores a través de un conjunto de tubos aleteados por el cual
circula el fluido refrigerante.
1.2.2.2. Condensadores de agua
Los condensadores de agua pueden ser de doble tubo a contracorriente. En estos el agua circula
por el tubo interior y el refrigerante se condensa en el espacio intermedio. El otro tipo de
condensador es el multitubular horizontal. Este es un intercambiador de coraza y tubos en el
cual el refrigerante circula por los tubos y el agua circula por el exterior de éstos.
El evaporador también es otro intercambiador de calor donde se produce la absorción de calor
del foco frío o fuente de recuperación de calor. Los evaporadores más utilizados en bombas de
calor pueden ser de dos tipos: los evaporadores de expansión seca, en los cuales todo el líquido
admitido es vaporizado y sale del evaporador un poco sobrecalentado. El otro tipo de
evaporadores es de tipo inundado, el cual se encuentra casi totalmente lleno de líquido y los
vapores que salen son saturados o inclusive pueden ser mezcla de líquido - vapor. Este tipo de
evaporadores sólo se utiliza en bombas de calor con potencias muy elevadas.

Los evaporadores también se pueden clasificar en evaporadores de aire y agua. Su
funcionamiento es igual al de los condensadores.
Los dispositivos de expansión son elementos que se encargan de reducir la presión del
refrigerante, desde la presión de condensación hasta la presión de evaporación. La válvula de
expansión no produce intercambio de calor ni produce trabajo, por lo tanto la entalpía del fluido
refrigerante permanece constante durante el proceso de expansión. Además de su función de
expansión, este elemento se encarga también de regular la alimentación del líquido al
evaporador.
1.2.3. Clasificación de las bombas de calor
Las bombas de calor se pueden clasificar teniendo en cuenta la naturaleza de las fuentes y el
ciclo termodinámico. De acuerdo con la naturaleza de los fluidos la bombas de calor pueden ser
de aprovechamiento de aire caliente, de agua y geotérmicas, que aprovechan el calor presente
en el interior de la tierra.
Las bombas de calor para aplicaciones industriales se pueden clasificar en: bombas de calor en
ciclo de compresión cerrado, sistemas de Recompresión Mecánica del Vapor (MVR), bombas
de calor de absorción de simple efecto, bombas de calor de absorción de doble efecto y ciclo
Bryton inverso.
En los sistemas MVR el fluido de trabajo es el mismo fluido del proceso en un ciclo abierto.
Estos sistemas se clasifican en abiertos y semiabiertos5. En un sistema abierto, el vapor de un
proceso industrial es comprimido. Al elevar su presión aumenta su temperatura, y al ser
condensado en el mismo proceso cede su calor. En los sistemas sami-abiertos, el calor del
vapor recomprimido es cedido mediante un intercambiador de calor. En estos equipos se
eliminan uno o los dos intercambiadores de calor y el salto de temperatura por esta razón es
muy pequeño. Debido a este salto pequeño de temperatura, su eficacia es elevada y se obtienen
COP’s de 10 a 30.5.
Con los sistemas de MVR se pueden alcanzar temperaturas más altas, además son muy
utilizados en procesos de destilación. La Figura 3 se muestra el esquema de un sistema de
recompresión de vapor utilizado en la industria química para reemplazar el calentamiento con
vapor en una torre de destilación.

Las bombas de calor de absorción son accionadas térmicamente, es decir, la energía aportada al
ciclo es térmica y no mecánica, como en los sistemas compresión en ciclo cerrado. Un sistema
de absorción se basa en la capacidad de ciertas sales y líquidos de absorber fluido refrigerante.
La sustancia más utilizada es agua con bromuro de litio.
Los ciclos de absorción son análogos a los de compresión, únicamente se sustituye el
compresor por un ciclo de disoluciones que realiza la misma función: elevar la presión y la
temperatura del fluido refrigerante en estado de vapor (Figura 4).
En Suecia y Dinamarca estas bombas de calor se han utilizado para recuperar calor de
incineradoras de residuos. Los sistemas actuales alcanzan temperaturas de salida de 100°C y
saltos de temperatura de hasta 65°C, con un COP que puede oscilar entre 1,2 y 1,4.5.

1.3. TURBINAS HIDRAULICA
Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un
fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido
mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía
mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.
También son las más antiguas. Usan agua como fluido de trabajo. Sus antepasados directos son
los molinos de agua. Hoy existen varios modelos básicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hélice de
paso variable). A estos modelos básicos se debe agregar la Mitchell- Banki que es muy
utilizada en instalaciones de microhidráulica. La típica turbina hidráulica se usa en centrales de
generación eléctrica sea centrales de pasada o centrales de embalse.
1.3.1. CLASIFICACION
Por ser turbomáquinas siguen la misma clasificación de estas, y pertenecen, obviamente, al
subgrupo de las turbomáquinas hidráulicas y al subgrupo de las turbomáquinas motoras. En el
lenguaje común de las turbinas hidráulicas se suele hablar en función de las siguientes
clasificaciones:
De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción
1.3.1.1. Turbinas de acción (𝝈 = 0)
El movimiento del agua y el de rodete tienen el mismo sentido. Además son aquellas en las que
el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.
El agua sale del distribuidor y entra al rodete con presión manométrica nula (el rodete no está
inundado) y en él no se modifica la presión. Toda la energía se transmite al rodete en forma de
energía cinética. Son turbinas de admisión parcial
A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica. La
altura de velocidad permanecerá cte. Si la sección es cte.
En el distribuidor, la altura de presión relativa baja a cero y se convierte (salvo pérdidas) en
energía cinética
El rodete trabaja a presión constante (p1 = p2) y puesto que la turbina no tiene tubo de
aspiración, se cumple que p1 = p2 = ps = patm. La altura de velocidad disminuye ya que una
gran parte se convierte en energía útil en el eje

1.3.1.2. Turbinas de reacción(𝝈 ≠ 0):
El movimiento del agua y el de rodete tienen distinto sentido. Además son aquellas en las que el
fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.
El agua sale del distribuidor y entra al rodete con cierta presión manométrica positiva. A su paso
pierde dicha presión llegando a ser nula e incluso negativa. Son turbinas de admisión total
A lo largo de la tubería forzada, la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica (si el
fluido llega por canal en lámina libre se mantiene cte). La altura de velocidad permanecerá cte. si
la sección es cte.
En el distribuidor, la altura de presión disminuye (aunque no hasta la presión atmosférica). La
altura cinética aumenta, salvo pérdidas, a costa de la presión.
En el rodete la presión sigue disminuyendo (p1 > p2) pudiendo llegar a ser inferior a la
atmosférica (en el caso de que exista tubo de aspiración). La altura cinética disminuye también.
El rodete transforma energía de presión y cinética en energía útil en el eje.
En el tubo de aspiración la energía de presión aumenta desde un valor negativo (relativo) hasta la
presión atmosférica a costa de disminuir la energía cinética.

2. SEGÚN ELMANEJO GAS COMBUSTION
2.1. CENTRALES TERMICAS A GAS
Las centrales térmicas son las que transforman energía térmica en energía mecánica, la cual a
su vez produce electricidad mediante la rotación del rotor de un generador. Este tipo de
centrales se puede clasificar por el tipo de turbina (vapor o gas) y por el tipo de combustible
que utilizan. Los costos en que incurren las diferentes centrales se pueden clasificar en
inversión y operación, y dentro de estos últimos:- costos fijos: que se refieren a personal,
impuestos y seguros,- costos variables: principalmente el combustible, pero también
mantenimiento, lubricantes y costo de partida entre otros. Las centrales que vamos a analizar
para efecto de este trabajo serán las Turbo gas ciclo abierto y las Centrales a vapor, una
pequeña descripción de cada una se presenta a continuación.
2.2. CENTRALES TURBO GAS CICLO ABIERTO DIESEL/G.N.
Este tipo de centrales se caracteriza por tener una turbina especialmente diseñada para
transformar la combustión de un gas a alta presión en el movimiento de un eje solidario al rotor
del generador, con la consiguiente generación de energía eléctrica. Un dibujo simplificado de
los elementos que participan en el proceso que se lleva a cabo en este tipo de central se presenta
en la figura 6.

Como se puede observar el compresor toma aire de la atmósfera, lo comprime y lo deposita en
la cámara de combustión, donde al mismo tiempo se inyecta combustible y se provoca la
combustión. Esta combustión provoca la rápida expansión de los gases, lo que hace mover la
turbina y a través de ésta el eje del generador. Luego de este proceso el aire es devuelto a la
atmósfera, por esta razón es llamada de “ciclo abierto”. El combustible que se utiliza para hacer
la mezcla en la cámara de combustión es principalmente gas natural, pero en general se
presenta la flexibilidad de utilizar diesel como sustituto. Al final, aproximadamente sólo un
34% de la energía térmica es transformada en energía eléctrica. Se han diferenciado dos
mercados dentro de las turbinas de gas, basándose en las potencias: a) Turbinas de gas
industriales de baja potencia (con una potencia inferior a10-13 MW) b) Turbinas de gas
industriales de alta potencia (con una potencia superior a los 10-13 MW).El costo de inversión
en este tipo de centrales es bajo, con un costo unitario aproximado de 450 US$/kW en una
central de 240 MW de potencia.
2.2.1. Las turbinas a gas:
Son las más recientes. Si bien hay intentos de fabricarlas a inicios de este siglo, el primer
ensayo exitoso es solo de 1937. Difieren de las anteriores en el sentido de que se realiza
combustión dentro de la máquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son gases de combustión (de
allí su nombre).

Si bien la turbina a gas es un motor de combustión interna y su ciclo tiene puntos en común con
los ciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental. Se trata (igual que todas las turbinas)
de máquina de funcionamiento continuo. Es decir, en régimen permanente cada elemento de
ella está en condición estable.
2.2.1.1. ANTECEDENTES BÁSICOS SOBREEL FUNCIONAMIENTO:
a). Ciclo Utilizado:
El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la figura T.1. En un
diagrama p-V y uno T-S. En la figura T.2, se ilustra el ciclo en diagrama de bloques. Consta de
las siguientes evoluciones: • En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 según una
adiabática (idealmente sin roce, normalmente una politrópica con roce).O luego el aire
comprimido se introduce a una cámara de combustión. Allí se le agrega una cierta cantidad de
combustible y este se quema. Al producirse la combustión se realiza la evolución 2-3.
Típicamente esta es isobárica (o casi isobárica, pues se pierde un poco de presión por roce).
Como a la cámara de combustión entra tanto fluido como el que sale, la presión casi no varía.
La temperatura T3 es una temperatura crítica, pues corresponde a la mayor temperatura en el
ciclo. Además también es la mayor presión. Por lo tanto los elementos sometidos a T3 serán los
más solicitados.
A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión ambiente. Esta expansión la
debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3 a 3) el trabajo de expansión se recupera en
una turbina que sirve para accionar el compresor. En la segunda fase (de 3 a 4) existen dos
opciones: o Si entre 3 y 4 se instala una turbina, el trabajo de expansión se convierte en trabajo
mecánico. Se trata de un turbopropulsor o lo que comúnmente se llama turbina a gas. o Si entre
3 y 4 se sigue con la expansión de los gases en una tobera, el trabajo de expansión se convierte

en energía cinética en los gases. Esta energía cinética sirve para impulsar el motor. Se trata de
un turboreactor o lo que comúnmente se llama un motor a reacción. • Finalmente los gases de
combustión se evacúan a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y corresponde al
enfriamiento de los gases hasta la temperatura ambiente.
Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible realizarlo
como ciclo cerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las evoluciones del ciclo. Entre
2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le extrae. También es posible realizarlo sin
combustión interna, haciendo un aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos
motores solares en que se opera según un ciclo Brayton.
b). Diagrama de Bloques:
A continuación veremos cómo se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de bloques.
Las componentes principales de la máquina son:
 Un turbocompresor que toma el aire ambiente (a p1 y T1) y lo comprime hasta p2
(evolución 1 - 2). Este proceso se puede suponer adiabático. Idealmente es sin roce,
pero en general es politrópica con roce.

 Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cámara de combustión. Allí se le agrega una
cierta cantidad de combustible el que se quema. Al quemarse la mezcla, la temperatura
de los gases sube hasta T3. La combustión es prácticamente isobárica (evolución 2 - 3).
 A continuación los gases calientes y a alta presión se expanden en la turbina T1. Esta
Alternativa 1: Turbopropulsor turbina acciona el turbocompresor por medio de un eje.
La expansión en la turbina es hasta las condiciones 3. Idealmente es expansión
adiabática sin roce, pero en general es politrópica con roce (evolución 3 - 3).
 Luego los gases de escape se siguen expandiendo a través de una segunda turbina de
potencia hasta alcanzar la presión ambiente (p4, evolución 3 - 4).Esta turbina de
potencia entrega trabajo al exterior. Típicamente el trabajo se usa para accionar un
generador o bien otro mecanismo (hélice en el caso de aviones con turbopropulsor o
aspas en un helicóptero).
c.) Ahora.
 Este caso es similar al anterior hasta el punto 3. La diferencia estriba en que de allí en
adelante, la segunda turbina es reemplazada por una tobera. El potencial de presión de
los gases de escape en 3 es convertido en energía cinética. Los gases salen a C4. Es
decir el trabajo de expansión se convierte en energía cinética y los gases salen del motor
a gran velocidad, produciendo un empuje por efecto del principio de acción y reacción.
El caso se ilustra en la figura de al lado, la que representa un turborreactor de flujo
simple. Esto quiere Alternativa 2: Turborreactor decir que todo el aire pasa por la
cámara de combustión y turbina.

2.2.1.2. Cogeneración
Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de electricidad (o energía
mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de un único combustible. El gas natural es
la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración de
electricidad calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, también se
pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o residuos que se
incineran.
En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de agua a alta presión o
en forma de agua caliente. Por ejemplo, se puede utilizar el vapor caliente que sale de una
turbina de producción de energía eléctrica,
Para suministrar energía para otros usos. Hasta hace poco lo usual era dejar que el vapor se
enfriara, pero con esta técnica, con el calor que le queda al vapor se calienta agua para distintos
usos. El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de cogeneración presentan
rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica que el aprovechamiento simultáneo de
electricidad y calor favorezca la obtención de elevados índices de ahorro energético, así como
una disminución importante de la factura energética, sin alterar el proceso productivo, ahorro
energético que se incrementa notablemente si se utilizan energías residuales.
En una central eléctrica tradicional los humos salen directamente por la chimenea, mientras que
en una planta de cogeneración los gases de escape se enfrían transmitiendo su energía a un
circuito de agua caliente/vapor. Una vez enfriados los gases de escape pasan a la chimenea.
Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento energético
del orden del 90%. El procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión el gas

natural libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o
el carbón. El desarrollo dela cogeneración podría evitar la emisión de 127 millones de
toneladas de CO2en la UE en 2010 et de 258 millones de toneladas en 2020, ayudando a
cumplirlos objetivos fijados en el Protocolo de Kioto.
La producción de electricidad por cogeneración representó en la UE en 1998 el11% del total. Si
se lograra aumentar hasta un 18%, el ahorro de energía podría llegar a ser del 3-4% del
consumo bruto total de la UE. Además, son cada vez más numerosas las aplicaciones que se le
está dando a esta técnica, tanto en usos industriales, como en hospitales, hoteles, etc.
a). Ventajas:
 Ahorra energía y mejora la seguridad del abastecimiento.
 Disminuye las pérdidas de la red eléctrica, especialmente porque las centrales de
cogeneración se suelen situar próximas a los lugares de consumo.
 Aumenta la competencia entre los productores.
 Permite crear nuevas empresas
 Se adapta bien a las zonas aisladas o ultra periféricas
2.2.1.3. Sistemas De Cogeneración
a). Plantas con motores alternativos
Utilizan gas, gasóleo o fuel-oíl como combustible. Son muy eficientes eléctricamente, pero son
poco eficientes térmicamente. El sistema de recuperación térmica se diseña en función de los
requisitos de la industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión (hasta
10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de
refrigeración del motor. Son también adecuadas la producción de frío por absorción, bien a
través del vapor generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente
el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto.

b). Plantas con turbinas de vapor
En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta presión
procedente de una caldera convencional.
El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Actualmente su aplicación ha quedado
prácticamente limitada como complemento para ciclos combinados o en instalaciones que
utilizan combustibles residuales, como biomasa o residuos que se incineran.
La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo que se denomina "
Ciclo Combinado".
2.3. CENTRALDE CICLO COMBINADO
Este tipo de centrales térmicas corresponden a las que tienen dos tipos diferentes de turbinas, a
gas y de vapor. La idea de combinar estos dos tipos de tecnologías es la de aprovechar al
máximo el combustible, o sea, aumentarla eficiencia del complejo en su totalidad. El
funcionamiento de este tipo de centrales se puede esquematizar como en la siguiente figura:
En la figura se observa que el gas que fue utilizado para hacer girar la turbina a gas sale a una
alta temperatura de la cámara de combustión, por lo que es posible reutilizarlo para calentar el
agua y transformarla en vapor, el cual se puede utilizar para hacer girar la segunda turbina, que
es a vapor. La eficiencia de estas centrales es cercana al 55%, lo que explica porque es tan
utilizada en generación térmica. El número de turbinas a gas por turbina de vapor en las

centrales de ciclo combinado puede variar desde uno a cuatro, además de esto puede tener otras
variantes como que la turbina de gas y de vapor tengan un solo eje solidario, o que por el
contrario cada una tenga su propio eje. Una de las grandes ventajas de este tipo de centrales es
que permiten ser construidas por parte, ya que la turbina a gas puede funcionar por sí sola, con
lo que al momento de construir estas centrales puede construirse la turbina a gas, empezar a
operar, y luego completar la construcción de la central de ciclo combinado agregándole la
turbina a vapor.
Para hacer una correcta evaluación de una central térmica es necesario tener una buena
estimación de los costos, tanto en la etapa de construcción como en la etapa de operación.
En cuanto a los costos de construcción, se debe tener en cuenta el precio delas turbinas y
equipos necesarios para el buen funcionamiento de la central, incluyendo el terreno, líneas
eléctricas, transformadores, etc. En los costos de operación, el costo más relevante es el del
combustible, pero también existen costos fijos, costos de personal, costos de partida y de
parada, costos de cambio entre estados o de setup. En relación al costo del combustible hay que
tener en cuenta la eficiencia de la central, y qué combustible se está utilizando, ya que en
general las centrales térmicas pueden utilizar dos o más tipos de combustibles distintos.
2.3.1. Plantas con turbinas de gas
En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador, cediendo parte
de su energía para producir energía mecánica. Su rendimiento de conversión es inferior al de
los motores alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación fácil del
calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en sus gases de escape, que está a
una temperatura de unos 500ºC, idónea para producir vapor en un generador de recuperación.
Se diferencian 2 tipos de ciclos: (1) simple, cuando el vapor se produce a la presión de
utilización del usuario; y (2) combinado, cuando el vapor se produce a alta presión y
temperatura para su expansión previa en una turbina de vapor.
2.3.2. Ciclo simple
Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es adecuada cuando los requisitos de vapor
son importantes (>10 t/h), situación que se encuentra fácilmente en numerosas industrias
(alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y económicamente rentables
cuando están diseñadas para una aplicación determinada.

El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su economía está
directamente ligada al mismo, ya que a diferencia de las plantas con motores alternativos el
precio del calor recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas.
2.3.3. Ciclo combinado
Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo simple y
permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de mayor
tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una
segunda turbina de contrapresión.
En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La
selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hacen en función de las turbinas de
gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía.
Por ello se requiere la existencia de experiencias previas e "imaginación responsable" para
crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran
flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño.
Una variante del ciclo combinado, es el ciclo combinado a condensación
2.3.4. Ciclo combinado a condensación
Variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, se basa en procesos estrictamente
cogenerativos. Se basa en una gran capacidad de regulación ante demandas de vapor muy
variables.
El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración consiste en evacuar gases a
través del by-pass cuando la demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-
combustión cuando sucede lo contrario.
Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a la demanda de vapor,
debido a una importante bajada en el rendimiento de recuperación, ya que los gases de escapa
mantienen prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos, las
pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los
requisitos de rendimiento.

Por contra, un ciclo de contrapresión y condensación permite aprovechar la totalidad del vapor
generado, regulando mediante la condensación del vapor que no puede usarse en el proceso,
produciendo una cantidad adicional de electricidad.
2.3.5. Trigeneración
Se basa en la producción conjunta de calor, electricidad y frío. Una planta de trigeneración es
similar a una de cogeneración, a la que se le ha añadido un sistema de absorción para la
producción de frío. No obstante existen una serie de diferencias.
La trigeneración, permite a la cogeneración, que inicialmente, no era posible en centros que no
consumieran calor, acceder a centros que precisen frío que se produzca con electricidad.
Facilita a la industria del sector alimentario ser cogeneradores potenciales. Asimismo, permite
la utilización de cogeneración en el sector terciario (hoteles, hospitales, etc.) donde además de
calor se requiere frío para climatización, y que debido a la estacionalidad de estos consumos
(calor en invierno, frío en verano) impedía la normal operación de una planta de cogeneración
clásica
.Esta modalidad de cogeneración tiene más aplicaciones:
 Aplicaciones de secado
Especialmente en industria cerámica que utilizada atomizadores. Son plantas muy simples y
económicas, ya que los gases calientes generados por una turbina o un motor se utilizan
directamente en el proceso de secado.
 Aplicaciones en la industria textil
 Calefacción y refrigeración.
 Aplicaciones para industrias medioambientales, como plantas depuradoras de tipo
biológico, o de concentración de residuos o de secado de fangos, etc. al demandar calor
son potencialmente cogeneradoras. En estas aplicaciones puede ser un factor importante
para la reducción del coste de tratamiento de os residuos.

2.3.6. Motor alternativo
En los sistemas basados en motores alternativos, el elemento motriz es un motor de explosión.
El calor recuperable se encuentra en forma de gases calientes y agua caliente (Circuito
Refrigeración).
Además mencionamos también lo siguiente:
2.4. CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES

2.4.1. Centrales Térmicas de Carbón
FUNCIONAMINETO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden quemarlo en trozos o
pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo (menos
de 1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador de
vapor por medio de un quemador especial que favorece la mezcla con el aire comburente.
Con el uso del carbón pulverizado, la combustión es mejor y más fácilmente controlada. La
pulverización tiene la ventaja adicional que permite el uso de combustible de desperdicio y
difícilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere instalar dispositivos para separar
las cenizas producto de la combustión y que van hacia el exterior, hay incremento de efecto
invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque lento
2.4.2. Centrales Térmicas de Fuel-Oíl
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para
ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-óil presentan como principal inconveniente
las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen
tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida.
El consumo de un millón de litros de gasolina emite a la atmósfera 2,4 millones de
kilogramos de Dióxido de Carbono (CO2), el principal causante del cambio climático
mundial. Arranque lento y bajo rendimiento.
2.4.3. Centrales Térmicas de Gas Natural
En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos
combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas
temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por
un generador.
El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora la
eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y
menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de éstas no
supera el 35% .

2.5. CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES
2.5.1. Centrales Térmicas de Ciclo Combinado
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DEVENTAJAS
Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. Sus
componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de vapor
y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está
constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador.
La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del
combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento normal
de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad
de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas
equivalentes al año.
Uno de los principales problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un
proceso relativamente complejo de conversión de energías. Utilizan combustible de alto
grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases.
2.5.2. Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado
FUNCIONAMIENTO; CARACTERISTICAS; VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Consiste en quemar carbón en un lecho de partículas inertes, a través del cual se hace pasar
una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las mantiene en suspensión, de
modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición. Permitiría obtener
rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisión de anhídrido
sulfuroso.
Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnología de lecho fluidizado se
inyecta caliza directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del
combustible como un subproducto seco.
La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina
su diseño y el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este tipo de calderas
puede ser atmosférico o presurizado.
2.5.3. Centrales Térmicas Gicc Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado

La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas
sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno (H2). El carbón es gasificado
controlando la mezcla de carbón, oxígeno y vapor dentro del gasificador. La potencia
media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica
convencional.
Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos
valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas.
En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminación de 99% de azufre.
Bajos costos de combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de
emisiones, alto rendimiento, tecnología sin completa prueba de eficiencia, altos costos de
inversión, plantas complejas, arranque lento.
I.V. BIBLIOGRAFIA
 http://www.monografias.com/cgi-
bin/search.cgi?substring2=0&bool2=and&query=centrales+de+generacion+termica+a+vap
or&submit=Buscar
 http://www.monografias.com/trabajos33/centrales-termicas/centrales-termicas.shtml
 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica
 http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_de_calor
 http://www.monografias.com/trabajos33/centrales-termicas/centrales-termicas.shtml
 http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica

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