1. Universidad Tecnológica de Panamá
Facultad de Ingeniería Mecánica
Licenciatura de Ingeniería Naval
Termodinámica II
“Introducción a Termoeléctricas”
Profesor encargado: Jhanif Kara
Elaborado por: Rita Morice 8-866-2478
Grupo: 1NI-131
Panamá, 26 de Septiembre, 2014
2. Preguntas
Diferencias entre las Energías renovables y energías no renovables
Las energíasrenovablessontodasaquellas energías que provienen de suministros naturales que
no contribuyen con la contaminación ambiental y son repuestos fácilmente. Entre los más
destacados puedo mencionar energía solar, eólica, geotérmica y marina. Por otro lado está la
energía no renovable al igual que la renovable esta proviene de recursos naturales con la
diferencia que no son repuestos fácilmente, por lo general demora miles o millones de años en
volverreponerse. El impactoambientalque tienen estas energías con el medio ambiente, son la
mayor razónde lacontaminación ambiental. Entre los más destacados puedo mencionar energía
producida por el petróleo, gases naturales y diesel.
A pesar de que ambas provengan de la naturaleza su diferencia es notable. Algunas diferencias
pueden ser:
- La energíarenovable esfácil de generarse yaque puede venirde fuentescomoel solo o el
viento pero la transformación o el transporte de las mismas es un poco complejo y
expenso.A diferenciade estolaenergíanorenovable vienede fuentes que no son fáciles
de encontrar,perouna vezestase obtengala transformación y el transporte es sencillo y
no representa un alto costo.
- A medida de que los años pasan el efecto invernadero ha ido aumentando, y uno de los
grandes culpables de esto es la energía no renovable debido a los gases que emiten. La
energía renovable es una energía que no afecta al medio ambiente.
- La energía más utilizada a nivel mundial es la energía no renovable, se debe a que la
producción de energía se da a gran cantidad. Esta podría ser la mayor desventaja que
tiene la energía renovable con la no renovable, porque la energía renovable no produce
gran densidad de energía.
- La energía renovable se puede usar todos los días sin el miedo de que se pueda acabar
muy al contrario de la energía no renovable.
Diferencias entre las Energías convencionales y energías no convencionales
Las energíasconvencionalesenunaformatécnicasontodas aquellasenergíastradicionalesque se
comercializa entrando a formar parte del cómputo del producto interno bruto. En otras palabras
las energías más utilizadas a nivel mundial. Se tiende a confundir la energía convencional con la
energíano renovable,peronosonlomismo.Energíascomoel petróleo,carbón,gas,combustibles
fósilesyagua.Todascon excepcióndel aguasoncontaminantesambientales.Hayenergías que no
tienenunusotan comúnque actualmente según revistas ambientales podrían llegar a hacer tan
solo un 20% de la energía que se produce, estas son las energías no convencionales. Se puede
definir a la energía no convencional como la energía en proceso de desarrollo y cuyo uso masivo
aún es limitado debido a los costos para su producción y su difícil forma para captarlas y
transfórmalasaenergíaeléctrica. Al igual que laenergíaconvencional tiendenaconfundirla, pero
se confunde con la energía renovable. Es cierto que la mayoría de las formas de energía que
constituyenestaclase de energíasonfuentesrenovableshayotrasque noson renovablescomola
3. energía nuclear y la energía química. La mayor diferencia entre ambas es que una daña
potencialmente al ambiente (convencional) mientras la otra es menos dañina al medio ambiente
(no convencional).
Diferencias entre las Energías limpias y energías contaminantes
Dentro de la energía renovable, no renovable, convencionales y no convencionales se puede
seguir clasificando las energías como limpias o contaminantes. No necesariamente las energías
renovablessonenergíaslimpias,ni lasnorenovablescontaminantes. El gas natural pertenece a la
energía no renovable y dentro de esta categoría entraría como energía limpia.
Se puede definircomoenergíalimpia a toda aquella que no genera residuos que dañen al medio
ambiente.Yse puede definiralaenergíacontaminante comotoda aquellaenergíaque parapoder
generarse dejaresiduosde contaminantes.Lamentablementelamayoríade la energía utilizada es
contaminante.
Es fácil establecer diferencia entre estas energías, algunas de ellas son:
- La energía limpia no deja residuos contaminante.
- La energía limpia es más difícil de extraer que la energía contaminante.
- La energía contaminante es más económica que la limpia.
¿Qué es una central termoeléctrica?
Una central termoeléctricautilizaenergíaque se liberaenformade calor, se genera por medio de
la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón, con el objetivo de
producir energía eléctrica. Se puede dar la generación de energía eléctrica ya sea por medio de
plantas convencionales o no convencionales.
¿Cuáles son las centrales térmicas convencionales y no convencionales?
Una central térmicapuede llegaraconfundirse conunaplanta termoeléctrica ambas usan el calor
para producir energía la diferencia es que la central térmica no está hecha para producir energía
eléctrica. Las centrales térmicas se pueden dividir en dos clases:
- Convencionales: utilizan combustibles o carbón para quemarlos en una caldera y así
producir el calor necesario para calentar el agua y que esta se pueda convertir en vapor.
Se utiliza una turbina de vapor de agua que produce potencia. Otro tipo de central
convencional esaquellaque utiliza derivado del petróleo y gas para accionar un cigüeñal
que hace girar el rotor de un generador produciendo así energía eléctrica.
- No convencionales:se refiere a ciclos combinando como el de los ciclos termodinámicos
Brayton y Rankine simple que combinan la turbina de vapor con la turbina de gas.
Explique la diferenciaentre unacentral termoeléctricaconvencional y una no convencional.
Convencional:utilizancarbón,maderaofuel oil comocombustible.Lasturbinasde vaporson
utilizadasparaaccionarun generadorque genera electricidad.Tiene unaeficienciade un37%
4. No convencionales:usanel gasnatural como combustible.Utilizanunciclocombinadoque
involucraunaturbinade vapor y unade gas,tambiénllamadocicloscombinados.Tienenuna
mayor eficiencia.
Mencione y describalos componentesprincipalesde una central térmica convencional
1. Torre de refrigeración: sonestructuraspararefrigeraraguay otrosmediosatemperaturas
muyaltas.El uso principal de grandestorresde refrigeraciónindustrialesesel de rebajar
la temperaturadel aguade refrigeraciónutilizadaenplantasde energía,refineríasde
petróleo,plantaspetroquímicas,plantasde procesamientode gasnatural yotras
instalacionesindustriales.
2. Bombahidráulica:esunamáquinageneradoraque transforma laenergíamecánicacon la
que esaccionada enenergíadel fluidoincompresible.
3. Línea de transmisión: eslaparte del sistemade suministroeléctricoconstituidaporlos
elementosnecesariosparallevarhastalospuntosde consumoya travésde grandes
distanciaslaenergíaeléctricageneradaenlascentraleseléctricas.
4. Transformador:dispositivoeléctricoque permite aumentarodisminuirlatensiónenun
circuitoeléctricode corriente alterna,manteniendolapotencia
5. Generadoreléctrico: estododispositivocapazde mantenerunadiferenciade potencial
eléctricaentre dosde suspuntos transformandolaenergíamecánicaeneléctrica.
6. Turbinade vapor baja presión:esunaturbomáquinamotora,que transformalaenergíade
un flujode vaporenenergíamecánicaa travésde unintercambiode cantidadde
movimientoentre el fluidode trabajoyel rodete,órganoprincipal de laturbina,que
cuentacon palaso álabesloscualestienenunaformaparticularpara poderrealizarel
intercambioenergético.
7. Bombade condensación: unamáquinaque transfiere energíatérmicadesde unafuente
fría a otra más caliente.
8. Condensador:Uncondensadoresuncambiadorde calor latente que convierte el vapor en
vapor enestadolíquido,tambiénconocidocomofase de transición.
9. Turbinade mediapresión: esunaturbomáquinamotora,que transformalaenergíade un
flujode vaporenenergíamecánicaa travésde un intercambiode cantidadde movimiento
entre el fluidode trabajoyel rodete
10. Válvulade control de gases: controlalapresiónde entradade gases,debidoaque las
válvulasreducenlaspresiones.
11. Turbinade vapor de alta presión: esunaturbomáquinamotora,que transformalaenergía
de un flujode vaporenenergíamecánicaa travésde un intercambiode cantidadde
movimientoentre el fluidode trabajoyel rodete,órganoprincipal de laturbina,que
cuentacon palaso álabesloscualestienenunaformaparticularpara poderrealizarel
intercambioenergético.
12. Desgasificador:enunacalderase refiere al tanque desaireadorde alimentaciónde esta.
Este tanque tiene 3 funcionesprincipalesenunacaldera:extraerel oxígenodisuelto,
calentarel agua de alimentación,almacenaraguade alimentación.
5. 13. Calentador:esundispositivotermodinámicoque utilizaenergíaparaelevarla
temperaturadel agua.
14. Cintatransportadorade carbón: es unsistemade transporte continuoformado
básicamente porunabandacontinuaque se mueve entre dostambores.
15. Tolvade carbón:a undispositivosimilaraun embudode grantamaño destinadoal
depósitoycanalizaciónde materialesgranularesopulverizados,entre otros.Enocasiones,
se monta sobre unchasis que permite el transporte.
16. Pulverizadorde carbón: esun recipiente donde se almacenaunlíquido,que tiene un
dispositivoenlaparte superiorque permite expulsarese líquidoenformavaporizada
17. Tambor de vapor: El tambor de vapor esla interface primariaentre el aguayel vapor.
18. Tolvade cenizas: aun dispositivosimilaraunembudode gran tamaño destinadoal
depósitoycanalizaciónde materialesgranularesopulverizados,entre otros.Enocasiones,
se monta sobre unchasis que permite el transporte.
19. Supercalentador: esundispositivoque se encuentraenunmotora vapor que calientael
vapor generadoporlacalderanuevamente,incrementandosuenergíatérmicayhaciendo
decrecerlaposibilidadde condensacióndentrodel motor.
20. Ventilador:esunamáquinade fluido,másexactamente,unamáquinaneumática,
concebidaparaproduciruna corriente de aire.
21. Recalentador:esundispositivoinstaladoenunacalderaque recibe vaporsúpercalentado
que ha sidoparcialmente expandidoatravésde laturbina.La funcióndel recalentadoren
la calderaesla de volvera súpercalentareste vapora una temperaturadeseada.
22. Toma de aire de combustión: absorbe losairesproducidosporlacombustión.
23. Economizador:esundispositivomecánicode transferenciade calorque calientaunfluido
hasta su puntode ebullición,sinpasarde él.Hacenusode la entalpíaenfluidosque no
estánlosuficientemente calientescomo paraserusadosen una caldera,recuperandola
potenciaque de otra formase perdería,ymejorandoel rendimientodel ciclode vapor.
24. Precalentadorde aire:sonunidadesque transportancalordesde losproductosde
combustiónhaciael empleadocomocomburente.
25. Precipitadorelectrostático: sondispositivosque se utilizanparaatrapar partículas
mediante suionización,atrayéndolasporunacarga electrostáticainducida.Se emplean
para reducirla contaminaciónatmosféricaproducidaporhumosyotrosdesechos
industrialesgaseosos,especialmente enlasfábricasque funcionanconcombustibles
fósiles.
26. Ventiladorde tiroinducido: esunamáquinade fluido,másexactamente,unamáquina
neumática,concebidaparaproducirunacorriente de aire.
27. Chimenea:esunsistemausadoparaevacuargasescalientesyhumode calderas,
calentadores,estufas,hornos,fogonesuhogaresala atmósfera.
Mediante un diagrama explique el funcionamientobásicode una central térmica.
6. El carbón almacenado en el parque (1) cerca de la central es conducido mediante una cinta
transportadora hacia una tolva (2) que alimenta al molino (3). Aquí el carbón es pulverizado
finamente paraaumentarlasuperficiede combustiónyasí mejorarlaeficienciade sucombustión.
Una vez pulverizado, el carbón se inyecta en la caldera (4), mezclado con aire caliente para su
combustión.
La calderaestáformadapor numerosostubospordonde circula agua, que es convertida en vapor
a alta temperatura. Los residuos sólidos de esta combustión caen al cenicero (5) para ser
posteriormente transportadosaun vertedero.Las partículas finas y los humos se hacen pasar por
los precipitadores (6) y los equipos de desulfuración (7), con el objeto de retener un elevado
porcentaje de los contaminantes que en caso contrario llegarían a la atmósfera a través de la
chimenea (8).
El vaporde agua generado en la caldera acciona los álabes de las turbinas de vapor (9), haciendo
girar el eje de estas turbinas que se mueve solidariamente con el rotor del generador eléctrico
(12).En el generador,laenergíamecánicarotatoriaesconvertidaenelectricidadde mediatensión
y alta intensidad. Con el objetivo de disminuir las pérdidas del transporte a los puntos de
consumo,latensiónde laelectricidadgeneradaeselevadaenuntransformador (13), antes de ser
enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta tensión (14).
Despuésde accionarlasturbinas,el vaporde agua se convierte enlíquidoen el condensador (10).
El agua que refrigera el condensador proviene de un río o del mar, y puede operar en circuito
cerrado,es decir,transfiriendo el calor extraído del condensador a la atmósfera mediante torres
de refrigeración (11) o, en circuito abierto, descargando dicho calor directamente a su origen.
Investigue y explique los métodos para mejorar la eficiencia de una central térmica (utilizar
formulación matemática).
7. Investigue sobre losimpactos medioambientalesde lascentralestérmicas convencionalesyno
convencionales.
Convencionales
La incidenciade este tipo de centralessobre el medioambiente se produce de dosmaneras
básicas:
- Emisión deresiduosa la atmósfera
Este tipode residuosprovienende lacombustiónde loscombustiblesfósilesque utilizan
lascentralestérmicasconvencionalesparafuncionaryproducirelectricidad.Esta
combustióngenerapartículasque vana parar a laatmósfera,pudiendoperjudicarel
entornodel planeta. Poreso,lascentralestérmicasconvencionalesdisponende
chimeneasde granalturaque dispersanestaspartículasy reducen, localmente,su
influencianegativaenel aire. Además,lascentralestermoeléctricasdisponende filtrosde
partículas que retienenunagranparte de estas,evitandoque salganal exterior.
- Transferencia térmica
Algunascentralestérmicas(lasdenominadas de cicloabierto)puedenprovocarel
calentamientode lasaguasdel ríoo del mar. Este tipode impactosenel mediose
solucionanconlautilizaciónde sistemasde refrigeración,cuyatareaprincipal esenfriarel
agua a temperaturasparecidasalas normalesparael medioambienteyasí evitarsu
calentamiento.
No convencionales:
Se reducenconsiderablementelasemisionesdebidoalamayor eficienciaenergéticadel ciclo.El
gas natural es uncombustible máslimpioque el carbónoel petróleoysusderivados.Al utilizar
gas natural,se emitenmenosgasescontaminantesalaatmósfera:se reducenlosnivelesde CO2y
NOx (un50% menosy10 vecesmenos,respectivamente,conrelaciónalascentralestérmicas
convencionales).Tambiénse reduce considerablemente el nivel de ruido.Además,lasCentrales
de CicloCombinadosólorequieren, paralacondensacióndel vapor,unterciodel aguanecesaria
enlas centralestérmicasconvencionales.
Las centralesde ciclocombinadode gasnatural sonmuchomás eficientesque unatermoeléctrica
convencional,aumentandolaenergíaeléctricageneradaLa eficienciaenergéticase sitúaentorno
a un 56%. La tecnologíade lascentralesde ciclocombinadopermite unmayoraprovechamiento
del combustibley,portanto,losrendimientospuedenaumentarentre el 37por cientonormal de
una central eléctricaconvencional hastacercadel 60 por ciento.Yla alta disponibilidadde estas
centralesque puedenfuncionarsinproblemasdurante 6.500-7500 horas equivalentesal año.
¿Hay centralestérmicasque no contaminen?
Puedomencionar3centralestérmicasnocontaminantes:
1- Solar:aprovechala energíasolarcomo fuente de calor
2- Central de biomasa:biomasaesuncombustible ecológicorenovablepuedeestarhechode
madera,bagazo,caña o biogás.
8. 3- Nuclear:utilizaátomosde uranioparaliberarunagran cantidadde energíay operarel
ciclode vaporde agua.
¿Piensasque las centralesque no usan calor producen algún tipo de contaminación?
Opinoque no,debidoaque utilizanenergíaslimpiascomoloesel agua,viento,sol,marentre
otros.
Luego de haber investigado sobre centralesno convencionales,explicarel funcionamientode
cada una de estas,ilustre e identifique suscomponentes.
La turbina de gas consta de un compresor de aire, una cámara de combustión y la cámara de
expansión. El compresor comprime el aire a alta presión para mezclarlo posteriormente en la
cámara de combustión con el gas. En esta cámara se produce la combustión del combustible en
unas condicionesde temperaturaypresiónque permitenmejorarel rendimientodelproceso, con
el menor impacto ambiental posible.
A continuación, los gases de combustión se conducen hasta la turbina de gas (2) para su
expansión.Laenergíase transforma, a través de los álabes, en energía mecánica de rotación que
se transmite a su eje. Parte de esta potencia es consumida en arrastrar el compresor
(aproximadamente losdostercios)yel restomueve el generadoreléctrico(4),que estáacopladoa
la turbina de gas para la producción de electricidad. El rendimiento de la turbina aumenta con la
temperatura de entrada de los gases, que alcanzan unos 1.300 ºC, y que salen de la última etapa
de expansión en la turbina a unos 600 ºC. Por tanto, para aprovechar la energía que todavía
tienen, se conducen a la caldera de recuperación (7) para su utilización.
La caldera de recuperación tiene los mismos componentes que una caldera convencional
(precalentador,economizador,etc.),y,enella,losgasesde escape de laturbinade gas transfieren
su energíaa un fluido,que eneste caso es el agua, que circula por el interior de los tubos para su
transformación en vapor de agua.
9. A partir de este momento se pasa a un ciclo convencional de vapor/agua. Por consiguiente, este
vapor se expande en una turbina de vapor (8) que acciona, a través de su eje, el rotor de un
generadoreléctrico(9) que,a su vez, transforma la energía mecánica rotatoria en electricidad de
mediatensiónyaltaintensidad.A fin de disminuir las pérdidas de transporte, al igual que ocurre
con la electricidad producida en el generador de la turbina de gas, se eleva su tensión en los
transformadores (5), para ser llevada a la red general mediante las líneas de transporte (6).
El vapor saliente de la turbina pasa al condensador (10) para su licuación mediante agua fría que
proviene de unrío o del mar.El agua de refrigeraciónse devuelve posteriormente a su origen, río
o mar (cicloabierto),ose hace pasar a travésde torresde refrigeración(11) parasu enfriamiento,
en el caso de ser un sistema de ciclo cerrado.
II. Parte
Componentes:
1. Torre de refrigeración:sonestructuraspararefrigeraraguay otrosmedios atemperaturas
muyaltas.El uso principal de grandestorresde refrigeraciónindustrialesesel de rebajar
la temperaturadel aguade refrigeraciónutilizadaenplantasde energía,refineríasde
petróleo,plantaspetroquímicas,plantasde procesamientode gasnatural yotras
instalacionesindustriales.
10. 2. Bombahidráulica:esunamáquinageneradoraque transformalaenergía mecánicacon la
que esaccionada enenergíadel fluidoincompresible.
3. Línea de transmisión: eslaparte del sistemade suministroeléctricoconstituidaporlos
elementosnecesariosparallevarhastalospuntosde consumoya travésde grandes
distanciaslaenergíaeléctricageneradaenlascentraleseléctricas.
4. Transformador:dispositivoeléctricoque permite aumentarodisminuirlatensión enun
circuitoeléctricode corriente alterna,manteniendolapotencia
5. Generadoreléctrico: estododispositivocapazde mantenerunadiferenciade potencial
eléctricaentre dosde suspuntos transformandolaenergíamecánicaeneléctrica.
6. Turbinade vapor baja presión: esunaturbomáquinamotora,que transformalaenergíade
un flujode vaporenenergíamecánicaa travésde unintercambiode cantidadde
movimientoentre el fluidode trabajoyel rodete,órganoprincipal de laturbina,que
cuentacon palaso álabesloscualestienenunaformaparticularpara poderrealizarel
intercambioenergético.
7. Bombade condensación: unamáquinaque transfiere energíatérmicadesde unafuente
fría a otra más caliente.
8. Condensador:Uncondensadoresuncambiadorde calor latente que convierte el vapor en
vapor enestadolíquido,tambiénconocidocomofase de transición.
9. Turbinade mediapresión: esunaturbomáquinamotora,que transformalaenergíade un
flujode vaporenenergíamecánicaa travésde un intercambiode cantidadde movimiento
entre el fluidode trabajoyel rodete
10. Válvulade control de gases:controlalapresiónde entradade gases,debidoaque las
válvulasreducenlaspresiones.
11. Turbinade vapor de alta presión: esunaturbomáquinamotora, que transformalaenergía
de un flujode vaporenenergíamecánicaa travésde un intercambiode cantidadde
movimientoentre el fluidode trabajoyel rodete,órganoprincipal de laturbina,que
cuentacon palaso álabesloscualestienenunaformaparticularpara poderrealizarel
intercambioenergético.
12. Desgasificador:enunacalderase refiere al tanque desaireadorde alimentaciónde esta.
Este tanque tiene 3 funcionesprincipalesenunacaldera:extraerel oxígenodisuelto,
calentarel agua de alimentación,almacenaraguade alimentación.
13. Calentador:esundispositivotermodinámicoque utilizaenergíaparaelevarla
temperaturadel agua.
14. Cintatransportadorade carbón: es unsistemade transporte continuoformado
básicamente porunabandacontinuaque se mueve entre dostambores.
15. Tolvade carbón:a undispositivosimilaraun embudode grantamaño destinadoal
depósitoycanalizaciónde materialesgranularesopulverizados,entre otros.Enocasiones,
se monta sobre unchasis que permite el transporte.
16. Pulverizadorde carbón: esun recipiente donde se almacenaunlíquido,que tiene un
dispositivoenlaparte superiorque permite expulsarese líquidoenformavaporizada
17. Tambor de vapor: El tambor de vapor esla interface primariaentre el aguayel vapor.
11. 18. Tolvade cenizas: aun dispositivosimilaraunembudode gran tamaño destinadoal
depósitoycanalizaciónde materialesgranularesopulverizados,entre otros.Enocasiones,
se monta sobre unchasis que permite el transporte.
19. Supercalentador: esundispositivoque se encuentraenunmotora vapor que calientael
vapor generadoporlacalderanuevamente,incrementandosuenergíatérmicayhaciendo
decrecerlaposibilidadde condensacióndentrodel motor.
20. Ventilador:esunamáquinade fluido,másexactamente,unamáquinaneumática,
concebidaparaproduciruna corriente de aire.
21. Recalentador:esundispositivoinstaladoenunacalderaque recibe vaporsúpercalentado
que ha sidoparcialmente expandidoatravésde laturbina.La funcióndel recalentadoren
la calderaesla de volvera súpercalentareste vapora una temperaturadeseada.
22. Toma de aire de combustión:absorbe losairesproducidosporlacombustión.
23. Economizador:esundispositivomecánicode transferenciade calorque calientaunfluido
hasta su puntode ebullición,sinpasarde él.Hacenusode la entalpíaenfluidosque no
estánlosuficientemente calientescomoparaserusadosen una caldera,recuperandola
potenciaque de otra formase perdería,ymejorandoel rendimientodel ciclode vapor.
24. Precalentadorde aire:sonunidadesque transportancalordesde losproductosde
combustiónhaciael empleadocomocomburente.
25. Precipitadorelectrostático: sondispositivosque se utilizanparaatrapar partículas
mediante suionización,atrayéndolasporuna carga electrostáticainducida.Se emplean
para reducirla contaminaciónatmosféricaproducidaporhumosyotrosdesechos
industrialesgaseosos,especialmente enlasfábricasque funcionanconcombustibles
fósiles.
26. Ventiladorde tiroinducido: esunamáquinade fluido,másexactamente,unamáquina
neumática,concebidaparaproducirunacorriente de aire.
27. Chimenea:esunsistemausadoparaevacuargasescalientesyhumode calderas,
calentadores,estufas,hornos,fogonesuhogaresala atmósfera.