Capitulo3 Generacion de Energia Electrica Mediante Bagazo de Cana de Azucar NoPW

Autores: Jorge Calle y Santiago Ulloa

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CAPITULO III

DISEÑO DEL SISTEMA TÉRMICO

3.1 FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA A VAPOR

UTILIZANDO BIOMASA

Una central eléctrica de vapor consiste en una caldera, una turbina, un

condensador y un equipo de bombeo que utiliza el ciclo termodinámico de Rankine.

Una vez que el combustible está en la caldera, los quemadores provocan la

combustión de la biomasa (bagazo de caña, leña, etc.), generando energía calorífica.

Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperatura el agua que circula por una

extensa red formada por miles de tubos que tapizan las paredes de la caldera.

Este vapor entra a gran presión en la turbina de la central, la cual consta de

tres cuerpos de alta, media y baja presión, respectivamente unidos por un mismo eje.

En el primer cuerpo (alta presión) hay centenares de álabes o paletas de

pequeño tamaño. El cuerpo a media presión posee asimismo centenares de álabes

pero de mayor tamaño que los anteriores. El de baja presión, por último, tiene álabes

aún más grandes que los precedentes. El objetivo de esta triple disposición es

aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión

progresivamente, por lo cual los álabes de la turbina se hacen de mayor tamaño

cuando se pasa de un cuerpo a otro de la misma. Hay que advertir, por otro lado, que

este vapor, antes de entrar en la turbina, ha de ser cuidadosamente deshumidificado.

En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua en suspensión que transportaría

serían lanzadas a gran velocidad contra los álabes, actuando como si fueran

proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles.

El vapor de agua a presión, por lo tanto, hace girar los álabes de la turbina

generando energía mecánica. A su vez, el eje que une a los tres cuerpos de la turbina

(de alta, media y baja presión) hace girar al mismo tiempo a un alternador unido a


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ella, produciendo así energía eléctrica. Esta es vertida a la red de transporte a alta

tensión mediante la acción de un transformador o distribuida a un consumidor.

Por su parte, el vapor debilitado y a su presión es enviado a unos

condensadores. Allí es enfriado y convertido de nuevo en agua. Esta es conducida

otra vez a los tubos que tapizan las paredes de la caldera, con lo cual el ciclo

productivo puede volver a iniciarse.

Figura 3.1 Circuito Vapor - Agua

El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas

convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen

carbón, bagazo de caña o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el

distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la

caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de

combustible empleado. Independientemente del tipo de combustible, hace evaporarse

el agua en los tubos de la caldera y produce vapor

El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de

obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la

caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor

recalentado).

Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de

tuberías. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la turbina, generando energía

mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de

rotación.


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El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al

condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se

convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de

reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es

absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres

de enfriamiento.

La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada

a su vez en energía eléctrica por medio de un generador síncrono acoplado a la

turbina.

Figura 3.2 Esquema General de una central Térmica

3.1.1 DISPOSICIÓN GENERAL DE LA CENTRAL

En una central térmica de vapor se obtiene la producción de energía eléctrica

partiendo de la energía térmica del combustible. Esta transformación de energía se

efectúa en cuatro etapas:

1. Transformación de energía latente del combustible en calor.

2. Transformación del calor en energía potencial del vapor.

3. Transformación de la energía potencial del vapor en energía mecánica.

4. Transformación de la energía mecánica en energía eléctrica.


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Las dos primeras transformaciones se realizan en la sala de calderas, donde la

combustión del carbón o biomasa (bagazo de caña), produce gases calientes que

hacen evaporar el agua, mientras que las dos últimas transformaciones ocurren en la

sala de máquinas y precisamente el calor se expansiona en la turbina que acciona el

alternador.

3.1.2 CIRCUITOS PARA LA ENERGÍA

En la central típica se distinguen siempre cinco circuitos, cuya combustión

permite la transformación de energía térmica del combustible en la energía eléctrica.

Estos circuitos son:

1. Circuito del combustible.

2. Circuito del aire de combustión.

3. Circuito del vapor.

4. Circuito del agua de refrigeración.

5. Circuito de la energía eléctrica.

1. Circuito del combustible

Este circuito difiere sobre todo en su primera parte según el tipo de

combustible utilizado, carbón o biomasa, etc. Consideraremos ahora una central que

utiliza como combustible el bagazo de caña.

Transporte del combustible: El bagazo es descargado en la inmediata cercanía

de la sala de calderas. Luego el bagazo es secado y llevado sobre cintas

transportadoras hasta la casa de trituración, donde una máquina trituradora reduce las

dimensiones de los trozos demasiado grandes.

Un sistema de cintas transportadoras lleva el combustible hasta una tolva,

ubicada delante de la caldera. Su capacidad es dimensionada de modo de poder

alimentar la caldera durante unas horas a plena carga.


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Combustión: Del molino el bagazo reducido fluye a los quemadores ubicados

en los frentes de la caldera.

Transporte de la ceniza: La ceniza cae en la parte inferior de la cámara de

combustión, que tiene la forma de embudo, y de ahí deriva a zanjas, donde una

corriente de agua la arrastra a un pozo.

2. Circuito del aire de combustión

El aire de combustión es enviado al hogar de la caldera por medio del

ventilador de tiro forzado a través del precalentador de aire que tiene por objeto

calentar el aire aprovechando parte del calor que contienen los gases entes de pasar a

la chimenea.

Una parte de este aire primario, sirve para secar el bagazo en el molino y para

la inyección del bagazo pulverizado en la cámara de combustión, mientras que la

parte restante del aire, llamado aire secundario, se suministra alrededor de los

quemadores para lograr un contacto íntimo con las partículas del bagazo. Así, se

obtiene una combustión rápida y una menor cantidad de productos no quemados.

3. Circuito del vapor

En la central de condensación, llega el vapor descargado por la turbina y, es

condensado en el condensador, por medio del agua de circulación. El condensado es

aspirado por la bomba de extracción y conducido al desgasificador. Del tanque, el

condensado fluye a la bomba de alimentación que manda el agua a la caldera. El

agua de alimentación evapora en la caldera y el vapor producido vuelve a la turbina

y, completando así el circuito cerrado del agua de alimentación.

4. Circuito del agua de circulación

La refrigeración de los condensadores exige una cantidad considerable de

agua fría. La refrigeración de condensador se efectúa en circuito cerrado. El agua de

circulación, que se calienta en el condensador condensando el vapor descargado por


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la turbina y, es enfriada a su ves en la torre de refrigeración y luego impulsada por la

bomba de circulación.

5. Circuito de la energía eléctrica

El alternador accionado por la turbina, produce la energía eléctrica y la envía

por medio de los cables de conexión al transformador elevador instalado en la casa

de alta tensión. Después de la elevación de la tensión la energía eléctrica es enviada

desde la barras a los centros de consumo a través de los cables alimentadores o bien

por medio de líneas aéreas.

3.1.3 RENDIMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA

En una termoeléctrica convencional sólo 33% se convierte en energía

eléctrica, el resto se pierde a través del condensador, los gases de escape, las pérdidas

mecánicas, las pérdidas eléctricas por transmisión y distribución entre otras.

En los sistemas de cogeneración, se aprovecha hasta el 84% de la energía

contenida en el combustible para la generación de energía eléctrica y calor a proceso

(25-30% eléctrico y 59-54% térmico).

Figura 3.3 Pérdidas y rendimiento de una central térmica

Esta energía térmica se relaciona directamente con el combustible.

( )( )c

avv

s

u

mPCI

hhm

Q

Q −==η


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Donde:

h = Eficiencia de generación de la caldera (%)

Qu = Calor útil proporcionado por el vapor generado (KJ)

Qs = Calor suministrado por el combustible quemado (KJ)

mv = Flujo de vapor (kg/h)

hv = Entalpía de vapor (kJ/kg)

ha = Entalpía de agua de alimentación (KJ/kg)

PCI = Poder calorífico del combustible (KJ/m3)

mc = Flujo de combustible (m/h)

3.2 CÁLCULO Y ANÁLISIS DEL COMBUSTIBLE (BAGAZO DE CAÑA)

3.2.1 PARÁMETROS BÁSICOS DE LA CAÑA DE AZUCAR

Constituyentes de la caña.

• Agua 73 - 76 %

• Sacarosa 8 - 15 %

• Fibra 11 - 16 %

Composición Química del Bagazo de Caña.

• Carbono 23%

• Oxigeno 22%

• Hidrógeno 3%

• Cenizas 2%

• Agua 50%

Entalpía de vaporización del agua a 25° C =2500 KJ/ Kg


60

Parámetros.

Se introducen las dos relaciones básicas siguientes para la evaluación de la

bioenergía, teniendo en cuenta que tanto el poder calorífico como la densidad

dependen principalmente de la humedad del bagazo.

Energía = masa x poder calorífico

Masa = volumen x densidad

Humedad.

Es la cantidad de agua existente en el bagazo de caña y afecta de forma

decisiva a la energía disponible del biocombustible.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

húmedoen Peso

húmedoen Peso-secoen Peso100

secoen Peso

secoen Peso-húmedoen Peso100

.

sec.

prhumref

oprref

Humedad

Humedad

Poder calorífico.

El bagazo de caña es un material para quemar o para utilizar como fuente

térmica de energía. Se puede medir la cantidad de energía térmica almacenada

mediante el valor térmico o calorífico. El poder calorífico superior (PCS) o poder

calorífico bruto (PCB) mide la cantidad total de calor que se producirá mediante la

combustión. Sin embargo, una parte de ese calor permanecerá en el calor latente de

la evaporación del agua existente en el combustible durante la combustión.

El poder calorífico inferior, o poder calorífico neto, excluye el calor latente.

Por consiguiente, el valor térmico más bajo es la cantidad de calor disponible

realmente en el proceso de combustión para captarlo y utilizarlo. Cuanto mayor sea

el contenido de humedad de un combustible mayor será la diferencia entre el PCB y

el PCN y menor será la energía total disponible, como se muestra en la tabla 3.1.

Estos parámetros se expresan generalmente en MJ/kg o kJ/kg.


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Biocombustible Datos primarios Densidad PCI Humedad

(kg/mcu) (MJ/kg) (%, en seco)

Bagazo Masa - 8.4 40

Tabla 3.1 Poder calorífico del bagazo.

3.2.2 CÁLCULO DE COMBUSTIBLE EN EL VALLE DE YUNGUILLA

Equivalencias.

• 1 Hectárea de caña, equivale de 140 a 160 toneladas de biomasa total incluido

el cogollo y hojarasca.

• 1 Hectárea de caña = 110-120 toneladas de caña, (tallos) al año.

• En 1 tonelada de caña se obtiene el 20% de bagazo.

• En 1 tonelada de caña se obtiene el 28.5% de bagazo incluido el cogollo y

hojarasca.10

3.2.2.1 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE BAGAZO

El cantón Santa Isabel tiene un área de 771,41 2Km = 77.141,00 hectáreas.

• Si tomamos que en el sector se tiene una área sembrada de caña del 1%

entonces obtenemos 771.41 Hectáreas de caña sembrada.

• Se estima que se va a moler durante 7 meses y de esto se obtiene que:

2,9256912041.771 =× TonHa Toneladas de caña (7 meses, Zafra)

Cantidad de caña por día.

80,440210

2.92569=

diasToneladas de caña por día (disponible)

10 Datos obtenidos del Libro “Producción de caña de azúcar”, Dr Ernesto Velarde Sosa, Dr. Rafael Villegas. La Habana Cuba.


62

Cantidad de caña por hora.

36,1824

80.440=

horas Toneladas de caña por hora

Tomando como referencia que en 1Tonelada de caña el 20% es de bagazo tenemos:

Cantidad de bagazo por hora.

68.3100

2036,18 =× Toneladas de bagazo por hora

Combustible Total = 3.68 Toneladas de bagazo por hora

3.2.3 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE VAPOR

• Sabiendo que 0.5 Kg. de bagazo produce 1 Kg. 11de vapor, entonces:

KgTonelada 10001 =

KgToneladas 3680100068.3 =× de bagazo por hora

hKgKg

73605.0

3680= de vapor

m& = Flujo másico obtenido

m& =sg

Kgh

Kg 04.23600

17360 =× de vapor

sgKg

m 04.2=&

11 Dato obtenido en el Ingenio La Troncal por el Ing. José Guevara, Jefe de Calderas y Turbinas.


63

3.3 ELECCIÓN DE LOS PRINCIPALES COMPONENTES DE LA

CENTRAL TERMICA

3.3.1 CALDERA O GENERADOR DE VAPOR

Introducción.

Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que,

aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua

para aplicaciones en la industria.

Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir

vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada

"marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina, la cual no

funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja

temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de

funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial

inglés muy conocido.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y

desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.

Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas

durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente

terreno frente a las turbinas.

Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia

directa) el mayor peso por KW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su

instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para

tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros.


64

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a

medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-

pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia

de un caballo.

Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más

de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió

redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en

homenaje a Watt.

3.3.1.1 GENERALIDADES

Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales:

Cámara de agua.

Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera.

El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en

unos 15 cm. por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores.

Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual

forma la cámara de agua.

Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la

superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y

pequeño volumen de agua.

Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción

antigua.

Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad

superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de calefacción.


65

Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de

humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de

calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.

Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos

tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la

superficie de calefacción.

Como características importantes podemos considerar que las calderas de

gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión

del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el

encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy

peligrosas en caso de explosión y poco económicas.

Por otro lado, las calderas de pequeño volumen de agua, por su gran

superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy

buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren

especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles

alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.

Cámara de vapor.

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe

separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el

consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que

aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

3.3.1.2 TIPOS DE CALDERAS

• Calderas de Gran Volumen de Agua.

• Calderas con Hervidores.

• Calderas de Hogar Interior.

• Caldera de Mediano Volumen de Agua.


66

Calderas de Pequeño Volumen de Agua.

Acuotubulares.

Las calderas acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en

centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor

diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las

máquinas a vapor de principios de siglo.

En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para

aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor

temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más

fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible

sólido.

La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista

entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión

y la temperatura.

A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con

tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho

líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se

aumente convenientemente su temperatura.

Tipos de calderas acuotubulares (Tipos, Características, Producción)

Figura 3.4 Tipos de calderas Acuotubulares


67

Un ejemplo de estas calderas es la caldera acuotubular STEINMÜLLER.

Estas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre

el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o cuerpo cilíndrico,

en donde se produce la separación del agua y el vapor. Además el vapor que se

obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un sobrecalentador.

La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una, a

una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de temperatura. Desde su

construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el año 1957 el Prof.

Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos, le incorporó sopladores y

quemadores para combustibles líquidos.

En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres

accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad,

termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.

A lo largo de los últimos 50 años, el concepto sobre el que se basa el proyecto

de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia

de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la

combustión, transmisión del calor, circulación del agua y de la mezcla agua-vapor y

del acondicionamiento del agua de alimentación.

Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaños, disposiciones,

capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.

La caldera de la derecha tiene un hogar con dos entradas para ingreso del

combustible sólido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal superior,

con las válvulas de seguridad incorporadas. Es para una presión de unas 30 atm. y

una temperatura de unos 400 ° C.


68

Figura 3.5 Estructura de una caldera humotubular

En las calderas anteriores, la izquierda en cambio, es del tipo humotubular

altamente reforzada, con tubos sobrecalentadores en los mismos conductos de humo,

preparada para combustible líquido o gaseoso, y aplicaciones navales.

Ventajas:

• La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas

presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.

• Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.

• Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".

• La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo,

ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.

• El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no

excede los 20 minutos.

• Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los

requerimientos de normas.

• Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación

automática.

• Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.

• Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-

combustible a presión.

• El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo

que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor


69

aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de

humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes

de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de

vapor hasta en un 20%.

Pirotubulares.

La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para

aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características.

El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición

horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y

una cámara superior de formación y acumulación de vapor.

La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de

adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de

salida de humos.

El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y

abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas

con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la

boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran

diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible

acumulación de lodos.

El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un

soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose como

unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones

a instalación.


70

Tipos de calderas pirotubulares.

Calderas horizontales.

Las calderas de vapor pirotubulares OLMAR, se fabrican con producciones

comprendidas entre un mínimo de 200 Kg/h y un máximo de 17.000 Kg/h y con

presiones que pueden oscilar desde 8 Kg/cm2 hasta 24 Kg/cm2.

Figura 3.6 Calderas Horizontales.

Cada unidad pasa por estrictos controles durante el proceso de fabricación.

Los resultados de estos controles, a los que se suman los que realizan nuestros

proveedores en su propio material, conforman un Expediente de Control de Calidad.

De esta forma se cumple lo indicado en el Código de Construcción, así como en

todas las normas oficiales en vigor, tanto nacionales como de la Unión Europea.

Los procesos de soldadura están homologados y los operarios cualificados,

siendo las soldaduras radiografiadas según las exigencias del Código de Diseño

empleado.

A diferencia de otras calderas, cuya parte trasera solo es asequible por el

interior del hogar, la caldera de vapor dispone en la parte de atrás de una puerta

abisagrada y de apertura total que deja al descubierto todo el interior. La facilidad de

manipulación y la total accesibilidad, permiten al operario realizar las tareas de

limpieza y mantenimiento desde el exterior y lo que es muy importante, incluso

inmediatamente después de haber detenido el quemador.


71

Proceso de Vaporización.

El vapor o el agua caliente se producen mediante la transferencia de calor del

proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando, de esta

manera, su presión y su temperatura.

Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que el recipiente

contenedor o recipiente de presión debe diseñarse de forma tal que se logren los

limites de diseño deseado, con un factor de seguridad razonable.

Por lo general, en las calderas pequeñas empleadas para la calefacción

domestica, la presión máxima de operación es de 104000 N/m2. En el caso del agua

caliente, esta es igual a 232oC (450oF).

Las calderas grandes se diseñan para diferentes presiones y temperaturas, con

base en la aplicación dentro del ciclo del calor para la cual se diseña la unidad.

Importancia de la elección de un buen combustible en las calderas.

• Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de

kilocalorías / kilo que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos

porcentajes de materias volátiles y de cenizas.

• Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la

combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las

diferentes combinaciones químicas.

• El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos

(puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar

en dos grandes categorías:

1) Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente,

cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etcétera.

2) Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como

tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.


72

El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar

una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la

absorba.

Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad

exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se realice la

combustión completa.

Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar

el tiempo necesario para que la mezcla sea intima para que el combustible arda

completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión.

La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar consiste en relacionarla

directamente con el análisis del combustible usado, para el cálculo de la cantidad

necesaria de aire y de 103 productos gaseosos formados.

Aspectos importantes en la operación de calderas.

• Problema de tubos secos.

• Caudal de circulación: a partir del cálculo de la pérdida de carga en flujo

bifásico.

• Inestabilidad: repartición desigual del caudal entre tubos.

• Separación: evitar arrastre de vapor en el agua líquida y de gotas en el vapor.

• Control de la calidad del agua: tratamiento, PH, conductividad, niveles de

fosfatos.

3.3.1.3 RENDIMIENTO DE UNA CALDERA DE VAPOR

Rendimiento útil

Rendimiento útil: potencia útil de la caldera / potencia calorífica obtenida al quemar

el combustible.

Ș = Q / (m .PCI)


73

• Potencia útil de la caldera: caudal másico del vapor · cambio de entalpía

h m Q Δ=

• Potencia calorífica obtenida al quemar el combustible: consumo combustible

m · PCI

Pérdidas de calor.

Las pérdidas de calor que se generan en el funcionamiento de una caldera son:

• Pérdidas en chimeneas.

• Pérdidas por radiación y convección.

Pérdidas en chimeneas.

Las pérdidas que se generan en la combustión y que salen a través de la

chimenea son dos:

• pérdidas de calor sensible.

• pérdidas por inquemados.

Pérdidas de calor sensible = pérdidas más importantes

Depende esencialmente del porcentaje de CO2 y de la temperatura de humos

en la chimenea. A su vez, el porcentaje de CO2 depende del tipo de combustible

utilizado y del exceso de aire en la combustión. Para determinar las pérdidas del

calor sensible aplicaremos la fórmula siguiente:

Pérdidas del calor sensible ( )TaThPCI

CcVc−=

*

Vc: Volumen de gases de combustión en Nm3/kg

Cc: Calor específica de los gases de combustión (1.38-1.46 kJ/Nm3 K)

Th: Temperatura de humos en chimenea en ºC


74

Ta: Temperatura ambiente en ºC

PCI: Poder calorífico inferior del combustible (kJ/kg)

3.3.1.4 ELECCIÓN DE LA CALDERA

Para la Central Térmica de Yunguilla se elegirá una caldera de tipo

acuotubular, debido al tipo de central y rendimiento que presentan dichos

generadores de vapor, basándonos en la producción de vapor obtenido anteriormente

según la relación de la cantidad de bagazo.

Cálculo de la cantidad de vapor.

• Sabiendo que 0.5 Kg. de bagazo produce 1 Kg. de vapor, entonces:

KgTonelada 10001 =

KgToneladas 3680100068.3 =× de bagazo por hora

hKgKg

73605.0

3680= de vapor


75

CALDERA ELEGIDA

FABRICANTE: “CIT”

TABLA DE CARACTERÍSTICAS

Modelo Producción

Kg/v/h. Superficie de

calefacción m². Volumen m³.

Longitud mm.

Altura mm.

Anchomm.

CIT - 15 400 15 0,96 1.800 2905 1700

CIT - 20 500 20 1,06 2000 2905 1700

CIT - 25 800 25 1,33 2480 2905 1700

CIT - 30 900 30 1,50 2760 2905 1700

CIT - 35 1100 35 1,83 3320 2905 1700

CIT -.42 1400 42 2,15 3524 2905 1700

CIT - 50 1800 50 2,40 4360 2905 1700

CIT - 40 1000 40 1,85 2440 3650 2260

CIT - 60 1600 60 2,30 2780 3650 2260

CIT - 70 2000 70 2,50 2996 3650 2260

CIT - 85 2400 85 2,85 3260 3650 2260

CIT - 110 3000 110 3,35 3600 3650 2260

CIT - 150 4000 150 4,46 4040 3650 2260

CIT - 175 4500 175 5,35 4640 3650 2260

CIT - 180 5000 180 4,82 3860 4650 3060

CIT - 210 6000 210 5,44 4210 4650 3060

CIT - 230 7500 230 6,74 4973 4650 3060

CIT - 350 10000 350 8,06 5600 4650 3060

CIT - 410 12000 410 9,10 6300 4650 3060

CIT - 470 14000 470 9,60 6662 4650 3060

CIT - 500 16000 500 10,80 7930 4650 3060

CIT - 505 18000 500 16,50 7220 6400 4250

CIT - 650 20000 650 18,10 7830 6400 4250

CIT - 800 25000 800 19,30 8600 6400 4250

CIT - 950 30000 950 21,50 9620 6400 4250

Tabla 3.2 Características técnicas de calderas.

CARACTERISTICAS DE CALDERA ELEGIDA

Fabricante.………………………C.I.T

Producción de vapor…………….7500 Kg/Vap/H

Superficie de calefacción………..230 m2

Volumen…………………………6.74 m3


76

3.3.1.5 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN A LA

CALDERA

Este dato nos permitirá conocer la cantidad de agua necesaria, que se

necesitará alimentar a la caldera en una unidad de tiempo.

.1 caldVmQ η⋅⋅= &

m& = Flujo másico de vapor (Cantidad de vapor por unidad de tiempo)12.

1V = Volumen especifico de líquido saturado a la entrada de la caldera.

.caldη =Rendimiento de la caldera

hltQ

hmQ

Kgm

hKg

Q

52.6070

070.6

8.0001031.07360

3

3

=

=

⋅⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⋅=

hlitrosQ 52.6070=

3.3.2 TURBINA DE VAPOR

3.3.2.1 INTRODUCCION

El éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la

turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la máquina de vapor de

vaivén desarrollada por Watt utilizaba la presión del vapor, la turbina consigue

mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de éste. La turbina puede

ser más pequeña, más ligera y más barata que una máquina de vapor de vaivén de la

misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las máquinas de vapor

convencionales. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir

directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro

medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, 12 Dato obtenido en el literal 3.2.3 Cálculo de la cantidad de vapor.


77

la turbina de vapor ha reemplazado a las máquinas de vaivén en las centrales

generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión

a chorro.

Las turbinas de vapor se utilizan en la generación de energía eléctrica de

origen nuclear y en la propulsión de los buques con plantas nucleares. En las

aplicaciones de cogeneración que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso

industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se

extrae desde la turbina a la temperatura y la presión que necesita el proceso

industrial. Las turbinas de vapor pueden utilizarse en ciclos (escalones) combinados

con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las unidades

industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y

generadores eléctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW.

La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino que fue el

resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de

los participantes más notables en este desarrollo fueron el británico Charles Algernon

Parsons y el sueco Carl Gustaf Patrik de Laval. Parsons fue responsable del

denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias

fases, aprovechándose su energía en cada una de ellas. De Laval fue el primero en

diseñar chorros y palas adecuados para el uso eficiente de la expansión del vapor.

Funcionamiento de la turbina de vapor.

El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio

termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su

temperatura y se reduce su energía interna. Esta reducción de la energía interna se

transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que

permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se

expande, la reducción de su energía interna en 400 cal. puede producir un aumento

de la velocidad de las partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía

disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras.


78

Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de

las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los

que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía

cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta

velocidad. La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de turbina.

Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o

tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los

tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y

varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores.

3.3.2.2 TIPOS DE TURBINA DE VAPOR

La forma más sencilla de turbina de vapor es la denominada turbina de

acción, en la que los chorros de la turbina están sujetos a un punto dentro de la

carcasa de la turbina, y las palas están dispuestas en los bordes de ruedas que giran

alrededor de un eje central. El vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las

palas. Éstas absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que

hace girar la rueda y con ella el eje al que está unida. La turbina está diseñada de

forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una

serie de boquillas hasta que ha perdido la mayor parte de su energía interna.

En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del

vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas

móviles y las otras fijas. Las palas están colocadas de forma que cada par actúa como

una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande. Las palas de las

turbinas de reacción suelen montarse en un tambor en lugar de una rueda. El tambor

actúa como eje de la turbina.

Para que la energía del vapor se utilice eficientemente en ambos tipos de

turbina, es necesario utilizar varios escalones en cada uno de los cuales se convierte

en energía cinética una parte de la energía térmica del vapor. Si se hiciera toda la

conversión de los dos tipos de energía en un solo escalón, la velocidad rotatoria de la

rueda sería excesiva. Por lo general, se utilizan más escalones en las turbinas de

reacción que en las turbinas de acción. Se puede comprobar que, con el mismo


79

diámetro y la misma cantidad de energía, la turbina de reacción necesita el doble de

escalones para obtener un rendimiento máximo. Las turbinas más grandes, que

normalmente son de acción, emplean hasta cierto grado la reacción al principio del

recorrido del vapor para que el flujo de vapor sea eficaz. Muchas de las turbinas de

reacción utilizan primero un escalón de control de acción, lo que reduce el número de

escalones necesarios.

A causa del aumento de volumen del vapor cuando se expande, es necesario

aumentar en cada escalón el tamaño de las aberturas a través de las cuales pasa el

vapor. Durante el diseño real de las turbinas, este aumento se consigue alargando las

palas de un escalón a otro y aumentando el diámetro del tambor o la rueda a la que

están acopladas las palas. También se agregan dos o más secciones de turbina en

paralelo. Como resultado de esto, una turbina industrial pequeña puede ser

prácticamente cónica, con el diámetro más pequeño en el extremo de entrada, de

mayor presión, y el diámetro mayor en el extremo de salida. Las grandes turbinas de

una central eléctrica nuclear pueden tener cuatro rotores con una sección de alta

presión con flujo doble, seguida de tres secciones de baja presión y flujo doble.

Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una

sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares

para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje

para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y

un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire

entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de

vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza

axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un pistón de

equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor.

La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es

alta, dado el avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las

turbinas y la posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes,

con un sistema de recalentamiento. El rendimiento que se obtiene al transformar en

movimiento la energía teóricamente disponible suele superar el 90%. La eficiencia


80

termodinámica de una instalación de generación con vapor es mucho menor, dada la

pérdida de energía del vapor que sale de la turbina.

3.3.2.3 DIMENSIONAMIENTO

Cálculo de potencia: Para evaluar la potencia de una turbina de vapor

requerimos de los siguientes datos:

• Pi = Presión de entrada del vapor. (MPa)

• Ti = Temperatura de entrada del vapor. (K)

• P0= Presión de salida del vapor. (MPa)

• ηi = Eficiencia interna de la turbina.

• ηm = Eficiencia mecánica de la turbina

• mv = Flujo del vapor. (t/h)

Con estos datos y con la ayuda del diagrama de Molliere o de las tablas de

vapor, se obtiene, aplicando el modelo de volumen de control, la energía que produce la

máquina, teniéndose la siguiente información:

• W= Potencia en la flecha. (W)

• T0= Temperatura de salida del vapor. (K)

• hi= Entalpía de entrada del vapor. (kJ/kg)

• h0= Entalpía de salida del vapor. (kJ/kg)

• Tis= Temperatura de sobrecalentamiento del vapor a la entrada. (K)

• T0s= Temperatura de sobrecalentamiento a la salida, cuando exista. (K)

• χ= Calidad del vapor, cuando exista.

• CEV= Consumo especifico de vapor. (kg/Kw)

Con estos valores queda establecida la capacidad de generación eléctrica y las

características del vapor del proceso.


81

Figura 3.7 Diagrama P-V y T-S

La potencia de salida de la turbina, considerándola como grupo

turbogenerador se evalúa conforme a la siguiente expresión:

En donde W es la potencia real entregada por la turbina en wattios.

( )netoneto WmW && =

3.3.2.4 ELECCIÓN DEL TURBOGENERADOR

Para la elección del turbogenerador nos basamos en la producción de vapor

por segundo, que en este caso tenemos 2.04 Kg/seg.y a su ves en la presión de la

caldera elegida.


82

FABRICANTE WABASH

CARACTERISTICAS TECNICAS DEL TURBOGENERADOR

Tabla 3.3 Características técnicas de Turbinas.

CARACTERÍSTICAS DE LA TURBINA ELEGIDA

Fabricante…………………………WABASH

Capacidad…………………………750Kw

Velocidad………………………….3600rpm

Flujo másico……………………….2Kg/seg

Presión de entrada…………………250psi

Presión de salida…………………..10psi

CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR ELEGIDO

Fabricante…………………………WABASH

Potencia……………………………938KVA

Velocidad………………………….3600rpm

Voltaje……………………………2400V

Corriente…………………………226A

Factor de potencia……………….0.8


83

3.3.3 CICLO DE POTENCIA DE VAPOR REAL DE LA CENTRAL

TERMOELÉCTRICA “YUNGUILLA”

Hay que considerar que es un ciclo cerrado Ranking.

Dibujo esquemático del sistema.

Figura 3.8 Esquema del sistema.

Especificaciones técnicas del Turbo-Generador.

Presión de entrada…………….. 250PSI 1.72MPa

Temperatura de entrada……….. 500°F 260°C

Presión de salida……………… 10PSI 68.96Kpa

PSIPa 410450.11 −×= 8.1

32−°=°

FC

Șp% = Eficiencia adiabática de la bomba = 85%

ȘT % = Eficiencia adiabática de la turbina = 75%


84

Figura 3. 9 Esquema del sistema real

Figura 3.10 Diagrama T-S

Entrada de trabajo a al bomba. (Agua Saturada).

( )p

PPV

p

enbombaWsenWbomba

ηη121,,

,−

==

1V = volumen especifico del liquido saturado.

KgmV

3

1 001031.0=

( )[ ]⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅

−=

3

3

1

1

85.0

20.552580)001031.0(,

mKPa

KJkPa

Kgm

enWbomba


85

KgKJenWbomba 06.3, =

Salida de trabajo de la turbina. (Agua Sobrecalentada).

salturbWsTsalWturbina ,,, ⋅=η

( )shhTsalWturb 65, −⋅=η

KgKJh 27355 =

fgsfs hXhh ⋅+= 66

sX 6 = Calidad de vapor

fg

f

sS

SSX

−= 6

6

* MPaP 72.15 = (Agua Sobrecalentada)

( )KKg

KJS

SS

.6066.66

65

=

=

* KPaP 96.686 = (Agua Saturada)

( )

( )KKgKJS

kKgKJS

fg

f

.3060.6

.1835.1

=

=

( ) ( )

( )86.0

.3060.6

.1835.16066.6

6

6

=

−=

s

s

X

KKgKJ

kKgKJ

X


86

KgKJh

KgKJh

fg

f

2.2327

39.381

=

=

( )

KGKJh

KgKJ

KgKJh

hxhh

s

s

fgsfS

2382

2.232786.039.381

6

6

66

=

+=

⋅+=

( )( )

KGKJsalWturb

KgKJsalWturb

hhTsalWturb s

75.264,

2382273575.0,

, 65

=

−=

−⋅=η

Entrada de calor a la caldera.

enq = Calor absorbido

34 hhqen −=

* 4h (Agua Sobrecalentada)

KgKJh 8.30084 =

* 3h (Agua Saturada)

Kg

KJh 57.1673 =

( )

KgKJq

KgKJq

en

en

23.2841

57.1678.3008

=

−=


87

Por tanto.

( )

KgKJW

KgKJW

WWW

neto

neto

enbombasalturbneto

69.261

06.375.264

,,

=

−=

−=

La potencia producida por esta planta eléctrica.

( )netoneto WmW && =

m& = Flujo másico de vapor (Cantidad de vapor por unidad de tiempo).

sgKg

m 04.2=& De vapor (Cálculo de combustible).

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=

KgKJ

KgKJWneto 69.26104.2&

KWWneto 535=&

3.3.4 INTERCAMBIADOR DE CALOR (CONDENSADOR)

El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de

tamaños y tecnología como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento

químico, calefacción y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores

domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos especiales, etc.

En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los

radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por

conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por

una pared metálica.

En las calderas y los condensadores, es de fundamental importancia la

transferencia de calor por ebullición y condensación.


88

En ciertos tipos de intercambiadores de calor, como las torres de

enfriamiento, el flujo caliente (es decir, el agua) se enfría mezclándola directamente

con el fluido frío (es decir, el aire) o sea que el agua se enfría por convección y

vaporización al pulverizarla o dejarla caer en una corriente (o tiro) inducida de aire.

En los radiadores de las aplicaciones especiales, el calor sobrante,

transportado por el líquido refrigerante, es transmitido por convección y conducción

a la superficie de las aletas y de allí por radiación térmica al vacío.

En consecuencia el diseño térmico de los intercambiadores es un área en

donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.

El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más

complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del

diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las

condiciones económicas.

Así por ejemplo, aunque las consideraciones de costos son muy importantes

en instalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de proceso químico

las consideraciones de peso y de tamaño constituyen el factor predominante en la

selección del diseño en el caso de aplicaciones especiales y aeronáuticas. Por lo tanto

en este trabajo es importante hacer un tratamiento completo del diseño de

intercambiadores de calor.

Para la clasificación de los intercambiadores de calor tenemos tres categorías

importantes:

Regeneradores.

Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a

través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca

mezcla física como sea posible entre las dos corrientes.


89

La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica, es

muy importante en este dispositivo.

Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y

del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades

que deben conocer para analizar o diseñar los regeneradores.

Intercambiadores de tipo abierto.

Como su nombre lo indica, los intercambiadores de calor de tipo abierto son

dispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cámara

abierta, y ocurre una mezcla física completa de las corrientes.

Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este intercambiador

salen mezcladas en una sola.

El análisis de los intercambiadores de tipo abierto involucra la ley de la

conservación de la masa y la primera ley de la termodinámica; no se necesitan

ecuaciones de relación para el análisis o diseño de este tipo de intercambiador.

Intercambiadores de tipos cerrados o recuperadores.

Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre

transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen

contacto entre sí.

Las corrientes de fluido que están involucradas en esa forma están separadas

entre sí por una pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar

involucrada en el camino de la transferencia de calor.

En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por la convección desde el

fluido más cliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido y de ahí

por convección desde la superficie sólida al fluido más frío.


90

3.3.4.1 TIPOS DE INTERCAMBIADORES.

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basándose en:

clasificación por la distribución de flujo. Tenemos cuatro tipos de configuraciones

más comunes en la trayectoria del flujo.

En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por

el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y

salen por el otro extremo.

Figura 3.11 Flujo equicorriente

En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por

los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.

Figura 3.12 Flujo contracorriente

En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza

dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.


91

Figura 3.13 Flujo cruzado

En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza

transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.

Clasificación según su aplicación. Para caracterizar los intercambiadores de

calor basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales. Los

términos empleados para los principales tipos son:

Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los

intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor

para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo

caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura elevada.

Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas

como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas

nucleares para vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores de

superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.

El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que

el condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.

Intercambiadores de calor de coraza y tubos: Las unidades conocidas con

este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados

dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.


92

Figura 3. 14 Intercambiador de coraza

Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y

también en algunos casos los intercambiadores gas-gas.

Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los

coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es

generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que

los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido-líquido en un factor de

10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma

cantidad de calor.

Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias

dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de

construcción. La configuración más común de flujo de intercambiadores líquido-

líquido de coraza y tubos.

Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el

lado de los tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de

deflectores para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través

de él.

Intercambiadores compactos de calor: La importancia relativa de criterios

tales como potencia de bombeo, costo, peso y tamaño de un intercambiador de calor

varía mucho de una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar

tales criterios con respecto a la clase de aplicación.


93

Figura 3.15 Intercambiador compacto

Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o

en vehículos aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy

importantes.

Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la

superficie de menor coeficiente de transferencia de calor.

Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño y

dimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se han

diseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones.

Radiadores para plantas de fuerza espaciales: La remoción del calor

sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para

la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial

presenta problemas serios aún en plantas que generan sólo unos pocos kilovatios de

electricidad.

La única forma de disipar el calor sobrante de un vehículo espacial es

mediante la radiación térmica aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la

temperatura absoluta de la superficie y el flujo de calor radiante.


94

Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales

el ciclo termodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece

al rojo. Aún así es difícil de mantener el tamaño del radiador para vehículos

espaciales dentro de valores razonables.

3.3.4.2 EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR

La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la

transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima

transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor.

A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor

capacidad mediante c.

En el caso del contra flujo, es aparente que conforme se aumenta el área del

intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la

temperatura de entrada del fluido máximo en el límite conforme el área se aproxima

al infinito.

En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura

de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente

en un intercambiador de tipo abierto.

Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan la

transferencia de calor lograda, por diferentes tipos de intercambiadores de calor.

3.3.4.3 CÁLCULO Y DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR

Para el diseño del intercambiador necesitamos saber el caudal de agua

necesario para condensar el vapor que sale de la turbina, el mismo que nos servirá

para utilizar nuevamente en la caldera. Para nuestro proyecto se elegirá un

intercambiador superficial de tubos que es el utilizado en centrales térmicas.


95

Salida de calor en el condensador (intercambiador de calor).

16 hhq ssal −=

KgKJh

KgKJh

s 2382

64.349

6

1

=

=

( )

KgKJq

KgKJq

sal

sal

82.2032

64.34946.2382

=

−=

Caudal de agua de salida del intercambiador de calor.

TpVmQ ηη ⋅⋅⋅= 6&

m& = Flujo másico de vapor.

6V = Volumen específico a salida de la turbina13.

pη = Rendimiento de la bomba=0.85

Tη = Rendimiento de la turbina=0.75

hmQ

Kgm

hKg

Q

3

3

856.4

)85.0()75.0(001035.07360

=

⋅⋅⋅=

hltQ 22.4856=

Es necesario tener en cuenta que el caudal que sale del intercambiador no es

el mismo que entra a la turbina, debido a las pérdidas que se sufre durante el proceso

de conducción del fluido, por lo tanto las pérdidas de caudal son:

hm

hm

hmQQQ ercsalcalentperd

333

.int... 20.185.407.6 =−=−=

13Dato de la tabla A-5 de agua saturada -tabla de presiones, del libro de Termodinámica tomo II, 2da edición. Autor: Yunus A. Cengel, Michael A. Boles


96

Por lo tanto se hace necesario inyectar esta cantidad de fluido a la cadera

para compensar las pérdidas.

DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR

Datos14:

C21.11F70generalen frío fluido del aTemperatur

7.5fluido del VelocidadV

3m tubodel LongitudL

0.022m7/8" tuberíala de externo Diámetrod

.8máxima Carga

8.1615604.2descarga deVapor

1

2

°=°==

==

=====

=

==

t

spie

piehlb

hlb

sKg

Figura 3.16 Intercambiador de calor de tubos.

Cálculo de la superficie de transferencia de calor

2

2

6.2019

.8

8.16156

máxima aarg

descarga deVapor

pie

piehlb

hlb

A

CA

==

=

27.187 mA =

14 D, L, V y t1 son datos obtenidos del libro de “Procesos de transferencia de calor” de Donald Q. Kern. Editorial Continental


97

Área de superficie del tubo.

LdA tubos ⋅⋅= π,

2, 207.03022.0 mmmA tubos =⋅⋅= π

Número de tubos del intercambiador de calor.

tubodel lsuperficia Area

calor de ncia transferede Superficie=tubosN

tubos76.906207.0

7.1872

2

==m

mN tubos

Para el diseño y la coordinación de la distribución de los tubos, asumimos que

en el lado a del intercambiador entran 35 tubos con un espacio entre ellos de un

diámetro del mismo que en nuestro caso es de 7/8”, y en el lado b realizamos una

distribución de 26 tubos.

mL

mma

mmb

3

54.1022.0235

15.1022.0226

==⋅⋅==⋅⋅=

Figura 3.17 Dimensiones y distribución de tubos del intercambiado diseñador.


98

Temperatura del fluido de salida

tD

s

saVanLUanti

tTTt

´1

2/"000279.0log ⋅⋅⋅⋅⋅

−−=

Donde:

2t = Temperatura del fluido de salida

sT = Temperatura del vapor de agua [°F]

1t = Temperatura del fluido frió en general.

DU = Coeficiente total de diseño.

L = longitud del tubo [pies]

n = # de pasos en los tubos.

a” = Área exterior por pie lineal [pies]

V = Velocidad del agua [pies/sg]

ta´ = agua de flujo por tubo [pulg2]

sT = 140°F

vCCCCU tLTCLD ⋅⋅⋅=

CLC = Factor de limpieza

TC = Factor de temperatura

LC = Factor de carga

tC = Factor para el tubo.

Fn

BtuU

U

D

D

°=

⋅⋅⋅⋅=

)(612

5.72631185.0


99

Ct

Ft

anti

FFFt

°=°=

⋅⋅⋅⋅⋅°−°

−°=

5.49

13.121

)475.05.7/()229.0226612000279.0log(

70140140

2

2

2

Gasto de agua de circulación

segltG

galG

FF

hlb

G

tt

adescdeVaporG

o

o

o

o

4

min600

500)7013.121(

9508.16156

500)(

950arg

12

=

=

×°−°

×=

×−×

=

3.3.5 BOMBAS

3.3.5.1 INTRODUCCIÓN

Las bombas son de gran importancia en el trasiego de fluidos, debido a su

capacidad de producir vacío, con lo cual se puede empujar el fluido hacia donde se

desee transportar. Existe una infinidad de bombas las cuales tienen distintas

funciones, todo depende del tipo de fluido de la temperatura a la cual se va a

transportar y la presión que se soportará.

Así surgen las bombas centrífugas que fundamentalmente son máquinas de

gran velocidad en comparación con las de movimiento alternativo, rotativas o de

desplazamiento. Funciona a altas velocidades, acopladas directamente al motor de

accionamiento, con lo que consigue que las pérdidas por transmisión sean mínimas.

Una bomba o una máquina soplante centrífuga consta esencialmente de uno o

más rodetes provistos de álabes, montados sobre un árbol giratorio y cerrado en el

interior de una cámara de presión denominada cubierta.


100

Principio y Funcionamiento.

Un equipo de bombeo es un transformador de energía, mecánica que puede

proceder de un motor eléctrico, térmico, etc. Y la convierte en energía, que un

fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad.

Así se tendrán bombas que funcionen para cambiar la posición de un cierto

fluido. Por ejemplo la bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el

agua del subsuelo se eleve a la superficie.

Un ejemplo de bombas que adicionan energía de presión sería una bomba en

un oleoducto, en donde las cotas de altura así como los diámetros de tuberías y

consecuentemente las velocidades fuesen iguales, en tanto que la presión fuesen

iguales, en tanto que la presión fuese incrementada para poder vencer las perdidas de

fricción que se tuviesen en la conducción.

Existen bombas que trabajan con presiones y alturas iguales que únicamente

adicionan energía de velocidad. Sin embargo a este respecto hay muchas

confusiones en los términos presión y velocidad por la acepción que llevan implícita

de las expresiones fuerza-tiempo. En la mayoría de las aplicaciones de energía

conferida por la bomba es una mezcla de las tres. Las cuales se comportan de

acuerdo con las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos.

Lo inverso a lo que sucede en una bomba se tiene en una máquina llamada

comúnmente turbina, la cual transforma la energía de un fluido en sus diferentes

componentes citadas en energía mecánica.

Para una mayor claridad, buscando una analogía con las máquinas eléctricas,

y para el caso específico del agua, una bomba sería un generador hidráulico, en tanto

que una turbina sería un motor hidráulico.

Normalmente un generador hidráulico (bomba) es accionado por un motor

eléctrico, térmico, etc. mientras que un motor hidráulico (turbina) acciona un gene-

rador eléctrico.


101

Tratándose de fluidos compresibles el generador suele llamarse compresor y

el motor puede ser una turbina de aire, gas o simplemente un motor térmico.

3.3.5.2 TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES

Existen básicamente de dos tipos: de acción directa, movidas por vapor y las

bombas de potencia. Existen muchas modificaciones de los diseños básicos,

construidas para servicios específicos en diferentes campos algunas se clasifican

como bombas rotatorias por los fabricantes, aunque en realidad utilizan el

movimiento recíprocamente de pistones o émbolos para asegurar la acción de

bombeo.

La clasificación de estas es:

• Pistón

• Embolo

• Diafragma

Bomba centrifuga horizontales.

Clases, tipos y componentes principales.

Las bombas centrifugas se fabrican en dos tipos: el horizontal y el vertical.

La bomba primera tiene un propulsor vertical conectado a un eje horizontal. La

bomba de tipo vertical consta de un propulsor horizontal conectado a un eje vertical.

La bomba centrifuga funciona bajo el principio de la centrifugación, en estas

bombas el motor o cualquier otro medio que las accione hace girar una hélice con las

arpas sumergidas en agua y encerradas en un estuche. El agua penetra en la caja e

inmediatamente en el flujo del centro de dicho impulsor hacia los bordes del mismo

o a las cajas parte exterior de la caja donde se eleva con rapidez la presión de la

carga.


102

Para aligerar esta presión, el agua escapa por el tubo de salida. La bomba

centrifuga no funciona hasta que la caja queda totalmente llena de agua o cebada.

Tanto las verticales como las horizontales succionan agua dentro de sus

propulsores, por lo que deben ser instaladas a solo unos cuatro metros sobre la

superficie del agua.

En estas condiciones el tipo vertical tiene mayor ventaja, porque puede

bajarse a la profundidad que separa el bombeo y el eje vertical es lanzado a la

superficie donde está el motor. La bomba centrifuga se limita al bombeo en los

depósitos de agua, lagos o pozos poco profundos, donde la succión no es mayor de 6

metros.

La bomba centrifuga horizontal es la más usada, cuesta menos, es fácil de

instalar y es más accesible para su inspección y mantenimiento, sin embargo,

requiere mayor espacio que la bomba de tipo vertical. En la siguiente figura se

muestra una bomba horizontal típica.

Figura 3.18 Sección transversal de una bomba centrifuga horizontal moderna

Existen varias formas de clasificar las bombas centrifugas y entre ellas se tienen

las siguientes:


103

Clasificación según el tipo de impulsor.

Impulsor abierto.

En esta clase de impulsor las paletas están unidas directamente al núcleo del

impulsor sin ningún plato en los extremos. Su uso está limitado a bombas muy

pequeñas, pero se puede manejar cualquier líquido y además inspeccionarlo es muy

sencillo. El impulsor se visualiza en la siguiente figura:

Figura 3.19 Impulsor abierto

Impulsor semi-abierto.

Su construcción varia en que está colocado un plato en el lado opuesto de la

entrada del liquido y por ende esta más reforzada que el impulsor abierto como las

paletas a estar unidas tienen la función de disminuir la presión en la parte posterior

del impulsor y la entrada de materiales extraños se alojan en la parte posterior del

mismo.

Figura 3.20 Impulsor semi-abierto


104

Impulsores cerrados.

Este impulsor se caracteriza porque además del plato posterior lo rodea una

corona circular en la parte anterior del impulsor. Esta corona es unida también a las

paletas y posee una abertura por donde el líquido ingresa al impulsor. Este es el

impulsor mas utilizado en las bombas centrifugas por su rendimiento que es superior

a las dos anteriores. Hay que hacer notar que debe ser utilizado en líquidos que no

tienen sólidos en suspensión.

Figura 3.21 Impulsor cerrado

Clasificación según el tipo de succión.

Los cuales pueden ser:

• Simple succión

• Doble succión

Las bombas de simple succión admiten agua solo por un lado del impulsor,

mientras que las de doble succión lo hacen por ambos lados.

Hay que hacer notar que las bombas de doble succión funcionan como si

existieran doble (dos) impulsores, uno en contra posición del otro y esto elimina el

problema de empuje axial. Otra ventaja es la seguridad con la que trabajan frente a

la cavitación, ya que el área de admisión del agua es superior a las de las bombas de

simple succión.

Clasificación según del número de impulsores empleados.

• Bombas de una fase

• Bombas de múltiples fases


105

Las bombas de una sola fase es la que la carga o altura manométrica total es

proporcional por un único impulsor. Ahora la bomba de múltiples fases alcanza su

altura manométrica o carga con dos o más impulsores, actuando en serie en una

misma carcaza y un único eje, es por esto que las bombas de múltiples fases es

utilizada en cargas manométricas muy altas.

3.3.5.3 BOMBAS CENTRÍFUGAS

Determinación de la potencia absorbida.

Potencia absorbida por la bomba.

La potencia absorbida por una bomba centrífuga es la requerida por esta en su

acoplamiento o al eje de la máquina de accionamiento, potencia mecánica que se

obtiene mediante la siguiente fórmula:

Con:

• ȡ en Kg/dm3

• g en m/s2

• Q en l/s

• H en m

La potencia absorbida por la bomba P puede obtenerse también, con bastante

exactitud, de la curva característica de la bomba, para una densidad ȡ = 1.0 Kg. /dm3.

Si la densidad ȡ fuera otra, se modifica la potencia resultante de la curva.

3.3.5.4 ELECCIÓN DE LA BOMBA CENTRIFUGA

Para la elección de la bomba se tomará en cuenta el caudal de agua que

tenemos a la salida del intercambiador de calor que según el cálculo anterior


106

obtuvimos 4.856 m3/h., además los metros de columna de agua obtenida de la

siguiente manera:

g

PH

⋅Δ

=ρ

PΔ = Variación de presión =Presión de salida –Presión de entrada

ρ = Densidad del agua= 31000m

Kg

g= Gravedad=0.981 2sm

Reemplazando datos tenemos:

23 8.91000

2524800

sm

mKg

PaH

⋅=

mcaH 8.257=

BOBMBA ELEGIDA

FABRICANTE: “GOULDS PUMPS”

TABLA DE CARACTERISTÍCAS15

Caudal Altura Rend. BEP NPSHr Potencia Motor Caudal Mín.

5m3/h 331m 60.6% 67% ------- 7.36Kw ------- 2.27m3/h

Tabla 3.4 Características técnicas de la bomba seleccionada.

15 Tabla obtenida de la página WEB: www.pump-flo.com


107

Figura 3.22 Curva característica de la bomba elegida.

CARACTERISTICAS DE LA BOMBA ELEGIDA

Fabricante………………………………Guolds Pupms

Tipo……………………………………..SUB

Velocidad……………………………….3450rpm

Caudal…………………………………..5m3/h

Potencia…………………………………7.36Kw


108

3.3.6 TUBERIAS DE PRESIÓN

Normalmente la tubería que se utiliza en este tipo de centrales son tuberías de

acero, de cédula 4016, debido al fluido que se va a utilizar y al manejo de diferentes

presiones.

CÁLCULO Y ELECCIÓN DE LA TUBERÍA

Para el cálculo de la tubería de presión se tomará en cuenta el caudal y la

velocidad de vapor en una unidad de tiempo.

v

VmA

V

QA

AvQ

4⋅=

=

⋅=

&

A= Área de la tubería.

m& = Flujo másico de vapor.

v = Velocidad del vapor.

4V = Volumen específico de vapor saturado.

22

3

4

lg35022.0

5.7

083.004.2

pmA

sm

Kgm

sKg

A

v

VmA

==

⋅=

⋅=

&

lg6.6 pD =

D= Diámetro de la tubería.

16 Comúnmente conocido como estándar o tubería de un espeso normal.


109

TUBERIA ELEGIDA

TABLA DE CARACTERISTICAS17

Tabla 3.5 Características técnicas de tuberías de presión.

CARACTERISTICAS DE LA TUBERIA ELEGIDA

Sección…………………………35 plg2.

Diámetro exterior………………6.62 plg.

Cédula…………………………..40*

Peso por pie lineal……………...19 lb de acero.

Tamaño del tubo………………..6 plg.

Presión/prueba………………….125kg/cm2.

17 Tabla obtenida de la página WEB: http://www.dipacmanta.com

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Capitulo3 Generacion de Energia Electrica Mediante Bagazo de Cana de Azucar NoPW