Clase gpu2c3

UNEFA
Octubre 2014
Ing. Vicente Díaz P
Generación de Potencia
Unidad 2 Centrales Energéticas
Centrales a Vapor
Calderas
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
DE LA FUERZAARMADA NACIONAL BOLIVARIANA
SAN TOME - ESTADO ANZOÁTEGUI

Contenido
Centrales a vapor:
•Componentes de una central a vapor.
•El ciclo de vapor.
•Calderas.
•Principio de la circulación de agua de alimentación en las calderas.
•Capacidad de una caldera.
•Características de rendimiento en las calderas.
•Superficie recuperadora de calor las calderas.
•Sobrecalentador, economizador y calentador de aire.
•Características principales.
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
DE LA FUERZAARMADA NACIONAL BOLIVARIANA
SAN TOME - ESTADO ANZOÁTEGUI

UNEFA
Centrales a Vapor
La mayoría de las centrales generadoras de
electricidad son variaciones de ciclos de
potencia de vapor en los que el agua es el
fluido de trabajo. El vapor es el fluido de trabajo
más usado en ciclos de potencia debido a las
muchas y atractivas características, como bajo
costo, disponibilidad y alta entalpia de
vaporización.
Introducción
Centrales a Vapor

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Centrales a Vapor
Caldera
Turbina
Vapor
Agua
Generador
Condensador
Mezcla
Combustible
Bomba
Esquema simple de ciclo de vapor

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Centrales a Vapor
5 1'
1
1
3
4
4
frío
aire
aire
caliente
la chimenea
humos hacia
refrigeración
agua de
condensador
2sobrecalentador
de vapor
generador
alimentación
bomba de
economizador
Central Simple de Vapor

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Centrales a Vapor
Ciclo Rankine de potencia
Para el análisis de los sistemas de generación de
energía eléctrica se requiere de los fundamentos
termodinámicos, tales como el principio de conservación
de la masa y de la energía, el segundo principio de la
termodinámica y la determinación de propiedades
termodinámicas.

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Centrales a Vapor
Los principios pueden aplicarse a cada componente
individual de una planta: bombas, turbinas,
intercambiadores de calor, así como al conjunto de la
central sin importar su tamaño y complejidad.
Caldera
Turbina
Vapor
Agua
Trabajo
Calor
Bomba
Condensador
Calor
Trabajo

UNEFA
Centrales a Vapor
1
2
3
4
Entropía
Temperatura
Caldera
Turbina
Vapor
Agua
Trabajo
Calor
Bomba
Condensador
Calor
Trabajo
1
2
3
4
1
El fluido de trabajo sufre la
siguiente serie de procesos
internamente reversibles.

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Centrales a Vapor
Turbina Trabajo
Condensador
Calor
1
2
Proceso 1-2: expansión isoentrópica del fluido de
trabajo a través de la turbina desde vapor saturado
en el estado 1 hasta la presión del condensador.
Proceso 2-3: Transferencia de calor desde el fluido
de trabajo cuando fluye a presión constante por el
condensador, siendo líquido en el estado 3.
2
3

UNEFA
Centrales a Vapor
Caldera
Calor
4
1
Bomba
Trabajo
3
4
Proceso 3-4: Aumento de presión isoentrópica
en la bomba hasta el estado 4 dentro de la zona
de líquido comprimido.
Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia el
fluido de trabajo cuando circula a presión
constante a través de la caldera, saliendo vapor
saturado, reiniciándose el ciclo.

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Centrales a Vapor
Irreversibilidad en la Turbina
La principal irreversibilidad que experimenta el fluido de trabajo está
asociada con la expansión en la turbina. El calor transferido al ambiente
por la turbina representa una perdida, la expansión real a través de la
turbina va acompañada de un incremento de entropía.
El rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real con el trabajo
isoentrópico.

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Centrales a Vapor
Irreversibilidad en la Bomba
El trabajo requerido para la bomba, para vencer los efectos del rozamiento,
también reduce el trabajo neto producido por la planta.
El rendimiento isoentrópico de la bomba toma en cuenta el efecto de las
irreversibilidades dentro de la bomba relacionando las cantidades de
trabajo real e isoentrópico.

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Centrales a Vapor
1
2S
3
4S
Entropía
Temperatura
4
2
Efecto de la irreversibilidad en la turbina y bomba

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Centrales a Vapor
Ciclo Rankine con Sobrecalentador
Isoentrópica 1-2 (teórica): expansión en la turbina
Isoterma y/o isobara 2-3: cesión de calor en el condensador
Isoentrópica 3-4 (teórica): compresión en las bombas
Isobara 4-5 (teórica): precalentamiento en el economizador
Isoterma y/o isobara 5-1’: vaporización en el hogar
Isobara 1’-1 (teórica): calentamiento en el sobrecalentador
1’
3
Entropía
Temperatura
4
2
1
Q1
Q2
5

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Centrales a Vapor
T 1
1'
4
3 2
5
s3 4s= 1s = s2
Q 1
Q 2
T2
h
Wt
3
4
5
2
1'
1
34
12tW
s s

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Centrales a Vapor
Ciclo Rankine ideal con recalentamiento
Otra modificación que se emplea normalmente en
centrales térmicas de vapor es el recalentamiento. Gracias
a este una central térmica puede beneficiarse del mayor
rendimiento que resulta de una presión de caldera mas
alta y también evitar el vapor de bajo título a la salida de la
turbina.

UNEFA
Centrales a Vapor
Ciclo Rankine ideal con recalentamiento
Sobrecalentador
Recalentador
1’
5
4
4
6
6

UNEFA
Centrales a Vapor
1’
2
3
4
Entropía
Temperatura
1
5
6

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Centrales a Vapor
economizador
precipitador
recalentador sobrecalentador turbinascalentadores
desgasificador
calentadores
condensador
calentador de aire hogar

UNEFA
Centrales a Vapor
presión nº7
calent. alta
101
102
104
61
103
desgasificador
alimentación
tanque agua de
5
1
58
57
100
98 99
60
4
50
3
78 76
77
71
72
73 75
74
82 80
7970 81
43
39
83
84
89 91
90
86
85
6 7
88
87
8
92
93
95
97
9
10
30
11
333740
131517 161820
41 38 34 31 94
66
42 35
27
4651
4752
25 24
96
56
44
67
49
58
21
22
23
19 condensador
caldera
purga
tanque
continua
2
68
69
calent. alta
presión nº6
presión nº4
calent. baja calent. baja
presión nº3
calent. baja
presión nº2
calent. baja
presión nº1
condensador
vapor cierres
bomba dren. calent.
baja presión nº2baja presión nº4
bomba dren. calent.
de alta
turbina
de media
turbina
baja presión
turbina de
62
economizador
vapor cierres turbinas
alimentación
bomba agua
extración condesado
bomba
27
45
36
32
29
calderín

primer sobrecalentador
hogar
economizador
CALDERA
calentador aire
segundo recalentador
primer recalentador
segundo sobrecalentador
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Centrales a Vapor
CALDERA
hogar
Calderín
o Domo
calentador
de aire
recalentador
sobrecalentador
hogar

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Centrales a Vapor
CLASIFICACIÓN DE GENERADORES DE VAPOR
Según su uso las calderas pueden ser:
Estacionarias Móviles

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Centrales a Vapor
Según la sustancia de trabajo a través de los tubos:
Pirotubulares Acuotubulares Mixtas

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Centrales a Vapor
Pirotubulares
Horno
Integral
Separado
Tiro
Forzado
Natural
Posición
Verticales
Horizontales

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Centrales a Vapor
Acuotubulares
Circulación
• Natural
• Posición de los tubos
• N° de tambores
• Asistida o Controlada
• Forzada
• Combinada
Tiro
• Natural
• Forzado
• Inducido
• Equilibrado
Tipo de servicio
• Móvil
• Estacionario
• Procesos
• Generación de Potencia
Tipo de Horno
• Quemadores Frontales
• Quemadores Tangenciales
• Quemadores Verticales
• Ciclónicos (Carbón triturado)

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Centrales a Vapor
Según su forma y posición:
La superficie de calefacción de los tubos se puede clasificar :
• Por la forma :
• Por su disposición:
Rectos
Curvos
Sinuosos.
Horizontal
Vertical
Inclinada.

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Centrales a Vapor
Según la clase de combustible:
Calderas de combustible sólido: Reciben el calor generado
de la combustión de algún producto combustible sólido, tal
como el carbón, coque, madera ó bagazo. Estas calderas
deben controlar los gases de combustión en cuanto a
desechos sólidos (cenizas) y hollín.
Calderas de combustible liquido o gas: Existen diversos
combustibles líquidos empleados en las calderas, alcohol,
aceite, gas-oil, etc., son empleados también, gases
combustibles tales como el propano, metano, etc.

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Centrales a Vapor
Según su fuente de calor:
• Combustión de combustibles (sólidos, líquidos o gaseosos).
• Gases calientes de desperdicios de otras reacciones químicas (de
regeneración).
• Aplicación de la energía eléctrica.
• Empleo de la energía nuclear.

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Según su sistema de Circulación:

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Según la posición del Hogar:
Interior: Se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes
refrigeradas por agua.
Exterior: Esta construido fuera del recipiente metálico. Está parcialmente
rodeado o sin paredes refrigeradas por agua

UNEFA
Según su tipo de Horno:

UNEFA
Tambor de Separación
Tambor de Circulación Natural
Es un recipiente cilíndrico largo, cuyo objetivo principal es permitir la separación
del vapor saturado de la mezcla vapor-agua producida en las superficies de
transferencia de calor de la caldera. Éstos pueden operar por circulación natural o
por circulación asistida
Tambor de Circulación Asistida

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Tambor de Separación
El tambor de separación cumple otras funciones que se indican a continuación:
• Recibe el agua de alimentación mezclándola con el agua saturada remanente
luego de la separación.
• Mezclar los aditivos de control de corrosión y del tratamiento químico del agua
de la caldera.
• Purificar el vapor eliminando las mezclas contaminantes y residuales.
• Remover parte del agua para controlar el tratamiento químico de ésta en la
caldera (partículas sólidas).
• Proporcionar almacenaje limitado del agua para ajustarse a los cambios
rápidos de carga en la caldera

UNEFA
Limpieza del Agua
Dispositivos separadores
La separación efectiva del vapor en la
mezcla vapor-agua depende de ciertos
factores de operación y diseño. Uno de los
más importantes se refiere a los tipos de
mecanismos separadores utilizados y a su
disposición dentro del tambor.
Fundamentalmente, existen tres sistemas
de separación, basados en:

UNEFA
Limpieza del Agua
La acción de la gravedad:
El agua es varias veces más pesada que el vapor, por lo que
tiende a escurrirse al fondo; mientras que el vapor ocupa las
regiones más altas del recipiente.

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Centrifugación:
Al hacer pasar una corriente de mezcla líquido-vapor por un
dispositivo de este tipo, se cambia la dirección del flujo
violentamente, 90º por ejemplo, y se incrementa la velocidad; las
partículas más pesadas de agua tienden a chocar contra las
paredes, son desaceleradas y se escurren; mientras que el vapor
ocupa la región central y tienden a subir.
Limpieza del Agua

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Impacto:
Se hace pasar la mezcla líquido-vapor por un recorrido intrincado
como una malla metálica, viruta metálica o láminas corrugadas
estrechamente espaciadas, de modo que se rompe la tensión
superficial de la película envolvente de líquido.
Limpieza del Agua

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Calidad del Agua
Sólidos Disueltos Totales (TDS)
La concentración máxima de TDS en una caldera de baja presión es 3500 ppm
Alcalinidad
La concentración máxima de alcalinidad en una caldera de baja presión es 700 ppm
Dureza
La dureza máxima permitida en cualquier caldera , debe de ser prácticamente “cero”
ppm.

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Sistema de Purga
La purga representa un gasto considerable; pero necesario. Pues,
generalmente esa agua se pierde, y con ella los químicos introducidos y
la energía de esta agua. Por esta razón, se han diseñados sistemas
con recuperación de energía y de masa. Para la recuperación de
energía se utilizan intercambiadores de calor entre la purga y el agua
de alimentación (agua más fría). Y para la recuperación de masa y de
energía, se utiliza un tanque de evaporación instantánea, en el cual
parte del agua caliente se evapora, este vapor, que puede ser utilizado
en un desaireador o calentador de agua de alimentación, se caracteriza
por no absorber los contaminantes del agua por la baja presión del
tanque. El agua del vapor que no se evapora es desechada por
contener niveles de concentración muy alta.

UNEFA
Paredes del Horno
Los diferentes tipos de paredes
existentes son:
 Paredes de Membrana.
 Paredes de Membrana Refractaria.
 Paredes con Aletas.
 Paredes Tangenciales

UNEFA
entrada de agua
flujo de humos
salida
Esquema de un economizador

UNEFA
Calentador de aire tubular

UNEFA
Calentador de aire rotativo

UNEFA
tambor fijo de
chapas
onduladas
Calentador de aire Rothemühle

UNEFA
Componentes Auxiliares:
Ventiladores: Son Turbomáquinas.
Tipos:
Según la presión:
De baja presión: hasta una presión del orden 200 mm ca.
De media presión: entre 200 y 800 mm c agua (sopladores)
De alta presión: entre 800 y 2500 mm ca (turbosopladores)
De muy alta presión: mas de 2500 mm ca (turbocompresores)
Según el Flujo:
Radiales o Centrífugos
Semiaxiales o Helicoidades
Axiales

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Quemadores: Son equipos auxiliares que permiten mantener:
Proporción entre aire combustible adecuada.
Mezcla adecuada de aire combustible.
Tipos:
Según el combustible:
Gaseoso:
De flujo paralelo con mezcla por turbulencia
Atmosféricos
Sólido:
De Carbón pulverizado
Cámara tipo ciclón
Parrillas
Cámara de lecho fluido

UNEFA
Bombas: Máquina hidráulica.
Tipos:
Desplazamiento Positivo:
Rotativas: (engranes, tornillos, etc)
Reciprocantes: (Simplex, Duplex, etc)
Centrífugas.

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Desaireadores:
Se conocen como desaireadores (desgasificadores) aquellos dispositivos mecánicos
empleados para liberar los gases contenidos en el agua de alimentación (aire, oxigeno,
anhídrido carbónico y otros gases).
Tipos:
De Cascada:
De Pulverización.

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