1) Los condensadores se usan para condensar el vapor de escape de máquinas de vapor y turbinas, permitiendo recuperar el condensado y reducir la presión de escape. 2) Los principales tipos son los condensadores de superficie y de chorro, siendo los de superficie más comunes porque permiten recuperar el condensado. 3) Los condensadores de superficie consisten en tubos donde circula el agua de refrigeración para condensar el vapor en la superficie externa de los tubos, pudiendo ser de paso único o

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.
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