Centrales térmicas, nucleares y termosolares de José Agüera Soriano

José Agüera Soriano 2012 2
Central Térmica Puente Nuevo (Córdoba)
sin torre de enfriamiento

Central Nuclear

Central Nuclear
sin torre de enfriamiento

Central térmica de ciclo combinado

GEMASOLAR (04-10-2011)
UBICADA EN FUENTES DE ANDALUCIA (SEVILLA-SPAIN)

Gemasolar es la primera termosolar comercial del mundo que
aplica la tecnología de receptor de torre central (120 m de
altura) y almacenamiento térmico en sales fundidas (60% de
nitrato de potasio y 40% de nitrato de sodio), que alcanzan
temperaturas por encima de los 500°C.
El tanque de almacenamiento de sales calientes permite una
autonomía de generación eléctrica de hasta 15 horas sin aporte
solar, lo que asegura la producción eléctrica durante unas 6500
horas al año. Potencia 19,9 MW; y 110 GWh/año.
Consta de 2652 eliostatos (panel de espejos). Cada uno tiene
una superficie reflectante de 110 metros cuadrados y sigue al sol
con dos motores operados por sistemas electrónicos que
reajustan la posición 15 veces por minuto.

Central Térmica de biomasa

Esquema simple del circuito de vapor en la central

Esquema simple de una central de ciclo combinado

Ciclos de máximo rendimiento
CONCEPTOS TERMODINÁMICOS
El calor que se necesita para la 4’-1 la suministra el propio
fluido, que cede teóricamente la misma cantidad de calor
en la transformación 2-3’
área A’4’1A = área B’3’2B
s
T
1 2
4' 4 3' 3
T1
2T
A' A BB'
Q1
Q2
4'1Q 23'Q=| |

4
T
Q2
A' s
1Q
1
2
3
D
B
A C
s
mT
T2
T
T1
C'
1
m2
Rendimiento térmico de un ciclo (ABCDA) en
función de las temperaturas medias
1
2
1
Q
Q
t 

4
T
Q2
A' s
1Q
1
2
3
D
B
A C
s
mT
T2
T
T1
C'
1
m2
1
2
1
Q
Q
t 
Q1 = área A’ABCC’

4
T
Q2
A' s
1Q
1
2
3
D
B
A C
s
mT
T2
T
T1
C'
1
m2
1
2
1
Q
Q
t 
Q1 = área A’ABCC’
Q2 = área A’ADCC’

área A’12C’ = Tm1s
4
T
Q2
A' s
1Q
1
2
3
D
B
A C
s
mT
T2
T
T1
C'
1
m2

área A’43C’ = Tm2s m1
m2
1
T
T
t 
4
T
Q2
A' s
1Q
1
2
3
D
B
A C
s
mT
T2
T
T1
C'
1
m2

Esquema de una instalación simple de vapor
5 1'
1
1
3
4
4
frío
aire
aire
caliente
la chimenea
humos hacia
refrigeración
agua de
condensador
turbina 2
calderín
sobrecalentador
de vapor
generador
alimentación
bomba de
economizador

Ciclo Rankine
5 1'
1
1
3
4
4
frío
aire
aire
caliente
la chimenea
humos hacia
refrigeración
agua de
condensador
turbina 2
calderín
sobrecalentador
de vapor
generador
alimentación
bomba de
economizador
T 1
1'
4
3 2
5
s3 4s= 1s = s2
Q 1
Q 2
T2
s
isoentrópica 1-2 (teórica): expansión en la turbina

Ciclo Rankine
5 1'
1
1
3
4
4
frío
aire
aire
caliente
la chimenea
humos hacia
refrigeración
agua de
condensador
turbina 2
calderín
sobrecalentador
de vapor
generador
alimentación
bomba de
economizador
T 1
1'
4
3 2
5
s3 4s= 1s = s2
Q 1
Q 2
T2
s
isoterma y/o isobara 2-3: cesión de calor en el condensador

Ciclo Rankine
5 1'
1
1
3
4
4
frío
aire
aire
caliente
la chimenea
humos hacia
refrigeración
agua de
condensador
turbina 2
calderín
sobrecalentador
de vapor
generador
alimentación
bomba de
economizador
T 1
1'
4
3 2
5
s3 4s= 1s = s2
Q 1
Q 2
T2
s
isoentrópica 3-4 (teórica): compresión en las bombas

Ciclo Rankine
5 1'
1
1
3
4
4
frío
aire
aire
caliente
la chimenea
humos hacia
refrigeración
agua de
condensador
turbina 2
calderín
sobrecalentador
de vapor
generador
alimentación
bomba de
economizador
T 1
1'
4
3 2
5
s3 4s= 1s = s2
Q 1
Q 2
T2
s
isobara 4-5 (teórica): precalentamiento en el economizador

Ciclo Rankine
5 1'
1
1
3
4
4
frío
aire
aire
caliente
la chimenea
humos hacia
refrigeración
agua de
condensador
turbina 2
calderín
sobrecalentador
de vapor
generador
alimentación
bomba de
economizador
T 1
1'
4
3 2
5
s3 4s= 1s = s2
Q 1
Q 2
T2
s
isoterma y/o isobara 5-1’: vaporización en el hogar

Ciclo Rankine
5 1'
1
1
3
4
4
frío
aire
aire
caliente
la chimenea
humos hacia
refrigeración
agua de
condensador
turbina 2
calderín
sobrecalentador
de vapor
generador
alimentación
bomba de
economizador
T 1
1'
4
3 2
5
s3 4s= 1s = s2
Q 1
Q 2
T2
s
isoterma y/o isobara 5-1’: vaporización en el hogar
isobara 1’-1 (teórica): calentamiento en el sobrecalentador

Ciclo Rankine en los diagramas T-s y h-s
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

William John Macquorn Rankine
(Escocia, 1820-1872)

tW
cc
hhQ 


2
2
1
2
2
12
Trabajo, calor y rendimiento
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
Trabajo turbina
2112 hhWt 

tW
cc
hhQ 


2
2
1
2
2
12
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
Trabajo turbina
2112 hhWt 
4334 hhWt 
Trabajo bomba

tW
cc
hhQ 


2
2
1
2
2
12
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
Trabajo turbina
2112 hhWt 
4334 hhWt 
4141 hhQ 
Trabajo bomba
Calor caldera

Rendimientos
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
Bruto
41
21
41
12
b
hh
hh
Q
Wt
t




Rendimientos
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
Bruto
Neto
41
3412
n
Q
WW tt
t


41
21
41
12
b
hh
hh
Q
Wt
t



41
3421
n
)(
hh
hhhh
t




Características que mejoran el rendimiento
m1
m2
1
T
T
t 
4
3
T1
T
s
2
5
1
1'
2T
s
1'
6
s
2T
3
4
s
2
1T
T
1
5
T
mT 1
1m
1. Temperatura máxima T1 elevada: aumenta Tm1

m1
m2
1
T
T
t 
4
3
T1
T
s
2
5
1
1'
2T
s
1'
6
s
2T
3
4
s
2
1T
T
1
5
T
mT 1
1m
2. Presión de vaporización elevada: aumenta Tm1

m1
m2
1
T
T
t 
4
3
T1
T
s
2
5
1
1'
2T
s
1'
6
s
2T
3
4
s
2
1T
T
1
5
T
mT 1
1m
3. Presión de condensación baja: disminuye Tm2

m1
m2
1
T
T
t 
4
3
T1
T
s
2
5
1
1'
2T
s
1'
6
s
2T
3
4
s
2
1T
T
1
5
T
mT 1
1m
3. Presión de condensación baja: disminuye Tm2
4. Precalentamiento agua alimentación: aumenta Tm1

En efecto, el precalentamiento 4-5 (figura de la derecha) se
hace fuera de la caldera, con extracciones de vapor en deter-
minados puntos de la turbina. El agua de alimentación sigue
calentándose en el economizador a partir del estado 5. La
media de ordenadas Tm1 a lo largo de s resulta así mayor.
4
3
T1
T
s
2
5
1
1'
2T
s
1'
6
s
2T
3
4
s
2
1T
T
1
5
T
mT 1
1m

Otra forma de comprobarlo: el precalentamiento del agua de
alimentación (4’-1) se hace con el calor que cede el vapor de
las extracciones durante la expansión 2-3’.
s
T
1 2
4' 4 3' 3
T1
2T
A' A BB'
Q1
Q2
4'1Q 23'Q=| |

1
3
4
6
7
B
9
5
8
1
1 kg
1 kg
sobrecalentador
economizador
calentador
nº 2
nº 1
calentador
m1 kg
kg2m
kgm2m1+
2
m1 kg
Ciclo regenerativo
Al ciclo con extracciones de vapor suele llamársele ciclo
regenerativo. La figura representa una central imaginaria
con 2 extracciones (la realidad está alrededor de 7).

EJERCICIO
Calcular el rendimiento bruto:
a) p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar
b) p1 = 160 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar
c) p1 = 160 bar, t1 = 540 oC, p2 = 0,04 bar
d) p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 1 bar
e) p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar
(dos extracciones de vapor a 12 bar y a 2 bar)
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

EJERCICIO
Calcular el rendimiento bruto:
a) p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar
b) p1 = 160 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar
c) p1 = 160 bar, t1 = 540 oC, p2 = 0,04 bar
d) p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 1 bar
e) p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar
(dos extracciones de vapor a 12 bar y a 2 bar)
Solución
a)tb = 0,4067
b)tb = 0,4394
c)tb = 0,4486
d)tb = 0,3052
e)tb = 0,4326
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

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
EJERCICIO (p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar)
x p t h s v e
bar °C kJ/kg kJ/kg K dm³/kg kJ/kg
1 V 60,000 480,00 3375,00 6,81990 54,8170 1378,61
2 0,79441 0,040 28,98 2054,28 6,81990 27648,3672 57,89
3 0,00000 0,040 28,98 121,40 0,42250 1,0040 0,40
4 L 60,000 29,11 127,41 0,42250 1,0013 6,41

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
EJERCICIO (p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar)
x p t h s v e
bar °C kJ/kg kJ/kg K dm³/kg kJ/kg
1 V 60,000 480,00 3375,00 6,81990 54,8170 1378,61
2 0,79441 0,040 28,98 2054,28 6,81990 27648,3672 57,89
3 0,00000 0,040 28,98 121,40 0,42250 1,0040 0,40
4 L 60,000 29,11 127,41 0,42250 1,0013 6,41
0,4067
127,43375,0
2054,33375,0
41
21
41
12
b








hh
hh
Q
Wt
t

41
3412
n
Q
WW tt
t


Ocurrió realmente hace unos 50 años en una Central Térmica
cuyas condiciones de trabajo se correspondían con los datos
del ejercicio anterior (p1 = 60 bar, t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar).
En su puesta en marcha, se pensó probar la turbina a 400 ºC
en lugar de los 480 ºC. Con ello, el vapor entró antes de lo
previsto en la zona húmeda,
sobrepasando el límite de
títulos (0,9 - 0,85), en que
aparecen gotas de agua que,
a velocidades tan elevadas,
erosionaron en pocos días
los álabes de las últimas
ruedas, formando surcos de
medio centímetro.
vapor húmedo
5
2
T 1
4
3
s
480 ºC
400 ºC

41
3412
n
Q
WW tt
t


Ciclo Rankine con recalentamiento
Con las altas presiones que se utilizan actualmente para un
buen rendimiento, al expandirse el vapor en la turbina pasaría
enseguida a la zona húmeda, y si el título de vapor baja
demasiado (límite 0,9 - 0,85) se formarían gotas de agua, que
a velocidades tan elevadas con que circulan erosionarían
rápidamente los álabes.
Para evitarlo, y no renunciar a las altas presiones, el vapor se
retorna a la caldera a la salida de la turbina de alta para volver
a sobrecalentarse en el recalentador, y posteriormente seguir
expandiéndose en las turbinas de media y baja.

41
3412
n
Q
WW tt
t


Resulta que el rendimiento térmico mejora con este reca-
lentamiento; pero no lo suficiente como para compensar las
pérdidas en su ir y venir del vapor.
El recalentamiento sólo se justifica
para evitar que se formen gotas.
4
5
s
7
p=p1
2
1 3
6
1p
T
5
6
4
31
2
7
1T  3T
p=
T1

41
3412
n
Q
WW tt
t


4
5
s
7
p=p1
2
1 3
6
)( 654321 hhhhhhWt 

41
3412
n
Q
WW tt
t


4
5
s
7
p=p1
2
1 3
6
)( 654321 hhhhhhWt 
2361 hhhhQ 

41
3412
n
Q
WW tt
t


4
5
s
7
p=p1
2
1 3
6
)( 654321 hhhhhhWt 
2361 hhhhQ 
Q
Wt
t n

Wt
s s
B
s s s
=p
p1'
TT= 2
T= 3
2
=p
p
pp= 1
=Wt
W=h ts
h
s
h
5 6
7
4
2' 3
2
1'
1''
1
sWt
Ciclo irreversible

2112 hhWt 
4646 hhWt 
Haya o no rozamientos internos, el trabajo técnico en la
turbina y en la bomba viene dado por la diferencia de
entalpías:
•
Wt
s s
B
s s s
=p
p1'
TT= 2
T= 3
2
=p
p
pp= 1
=Wt
W=h ts
h
s
h
5 6
7
4
2' 3
2
1'
1''
1
sWt

2112 hhWt 
4646 hhWt 
61
21
61
12
b
hh
hh
Q
Wt
t



61
4621
61
4612
n
)(
hh
hhhh
Q
WW tt
t





Haya o no rozamientos internos, el trabajo técnico en la
turbina y en la bomba viene dado por la diferencia de
entalpías:
•
Y los rendimientos térmicos,
bruto y neto, serían ahora,
Wt
s s
B
s s s
=p
p1'
TT= 2
T= 3
2
=p
p
pp= 1
=Wt
W=h ts
h
s
h
5 6
7
4
2' 3
2
1'
1''
1
sWt

•
Wt
s s
B
s s s
=p
p1'
TT= 2
T= 3
2
=p
p
pp= 1
=Wt
W=h ts
h
s
h
5 6
7
4
2' 3
2
1'
1''
1
sWt
sts
t
s
h
h
W
W


 12
T
Se llama rendimiento isoentrópico sT de la turbina al
cociente entre el trabajo real y el teórico:

•
Wt
s s
B
s s s
=p
p1'
TT= 2
T= 3
2
=p
p
pp= 1
=Wt
W=h ts
h
s
h
5 6
7
4
2' 3
2
1'
1''
1
sWt
sts
t
s
h
h
W
W


 12
T
h
h
W
W s
t
ts
s



46
B
Se llama rendimiento isoentrópico sT de la turbina al
cociente entre el trabajo real y el teórico:
Y el de la bomba, al cociente
entre el trabajo teórico y el
real:
El rendimiento isoentrópico de la turbina es del orden del
85%, y el de la bomba del 70%.

EJERCICIO
Calcular el rendimiento bruto irreversible (p1 = 60 bar,
t1 = 480 oC, p2 = 0,04 bar): rendimiento de la turbina 85%
y el de la bomba el 70%.
Solución
Agua (líquido y/o vapor): Propiedades de estados introducidos
——————————————————————————————————
est. título presión tempe- entalpía entropía volumen exergía
 absoluta ratura específica específica específico entálpica
n°  x p t h s v e
 bar °C kJ/kg kJ/kg K dm³/kg kJ/kg
——————————————————————————————————
1  V 60,000 480,00 3375,00 6,81990 54,8170 1378,61
2  0,87583 0,040 28,98 2252,39 7,47559 30482,0137 63,78
3  0,79441 0,040 28,98 2054,28 6,81990 27648,3672 57,89
4  0,00000 0,040 28,98 121,40 0,42250 1,0040 0,40
5  L 60,000 29,11 127,41 0,42250 1,0013 6,41
6  L 60,000 29,73 129,99 0,43103 1,0015 6,49

——————————————————————————————————
——————————————————————————————————
1  V 60,000 480,00 3375,00 6,81990 54,8170 1378,61
2  0,87583 0,040 28,98 2252,39 7,47559 30482,0137 63,78
3  0,79441 0,040 28,98 2054,28 6,81990 27648,3672 57,89
4  0,00000 0,040 28,98 121,40 0,42250 1,0040 0,40
5  L 60,000 29,11 127,41 0,42250 1,0013 6,41
6  L 60,000 29,73 129,99 0,43103 1,0015 6,49
0,3433
130-3375
121,4130-2252,4-3375
61
21
61
12
b 





hh
hh
Q
Wt
t

——————————————————————————————————
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1  V 60,000 480,00 3375,00 6,81990 54,8170 1378,61
2  0,87583 0,040 28,98 2252,39 7,47559 30482,0137 63,78
3  0,79441 0,040 28,98 2054,28 6,81990 27648,3672 57,89
4  0,00000 0,040 28,98 121,40 0,42250 1,0040 0,40
5  L 60,000 29,11 127,41 0,42250 1,0013 6,41
6  L 60,000 29,73 129,99 0,43103 1,0015 6,49
0,3433
130-3375
121,4130-2252,4-3375
61
21
61
12
b 





hh
hh
Q
Wt
t
El rendimiento teórico fue 0,4067 (un 10% más), lo que da
idea de la merma de rendimiento, a causa del rozamiento de
flujo en la turbina.

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

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

CALDERA
hogar
calderín
calentador
de aire
recalentador
sobrecalentador
hogar

CALDERA

calderín
Grupos 1 y 2. Central Térmica de Puente Nuevo
(ya desmantelados)
p1 = 60 bar
t1 = 480 ºC
P = 40 MW

entrada de agua
flujo de humos
salida
Esquema de un economizador

Calentador de aire tubular

Calentador de aire rotativo

tambor fijo de
chapas
onduladas
Calentador de aire Rothemühle

tambor fijo de
chapas onduladas
campanas
rotativas

Calentador de agua cerrado

Calentador de mezcla, o desgasificador

a eyector
Condensador

Condensador
Este esquema corresponde al condensador del grupo 3 de la
Central de Puente Nuevo: 17000 tubos de cobre, de 12 m de
longitud y 22 mm de diámetro interior.

condensador
condensador
gases no condensables
difusor
agua agua
agua agua
condensado
vapor impulsor
difusor
vapor
impulsor
gases a la atmósfera
Eyector

p=p
6
=p
7p
2pp=
kg1m
1 kg
kgm2
m kg2m1--1( )
1 1m-( )
1 kg
3
s
T
1
4
8
9
5
2
6
7
1p=p
Figura 6-17
Ejercicio 6-3.2
14-15
sobrecalentador
2
56 4
7 8
7 8
3 10
9 10
6
turbina
condensador
bomba
alimentacióncalent. 2 calent. 1
economizador
caldera
11-12
calderín
13
1
Figuras no incluidas en las diapositivas

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