CICLOS DE PLANTAS DE VAPOR

El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos. Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

1. CICLO RANKINE (CICLO DE POTENCIA DE VAPOR)

A. CICLO RANKINE SIMPLE

El ciclo de potencia de vapor, utiliza un fluido de trabajo que alternativamente

evapora y condensa, típicamente: Mediante la quema de un combustible, el

vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser

llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su

eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que

generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale

de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa

y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una

corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago).

Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en

fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de

esta manera el ciclo.

Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia,

como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina,

recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de

alimentación a caldera.

B. CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO

Una de las opciones para aumentar la eficiencia del Ciclo es la posibilidad de Aumentar la presión durante la adición de calor, pero esto generara a su vez que la cantidad de humedad del vapor aumente considerablemente cuando este se expanda en las últimas etapas de una turbina. Para aprovechar el incremento en la eficiencia con presiones mayores y evitarla formación de humedad al final de la expansión, el vapor es extraído en su totalidad en una etapa de presión intermedia y recalentado en la caldera hasta una temperatura media llevándolo posteriormente a la turbina para su expansión posterior hasta la presión de salida. Se puede considerar que la turbina está constituida por dos etapas, una de alta y otra de baja presión.

La temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento puede incrementarse si se aumenta el número de etapas de expansión y recalentamiento. Sin embargo, el uso de más de dos etapa de recalentamiento no es práctico, la ganancia en la eficiencia es tan pequeña que no justifica el

costo y la complejidad adicional. El doble recalentamiento se emplea sólo en plantas de energía de presión supercrítica.

Para calcular el rendimiento térmico de un ciclo de recalentamiento, hay que tomar en cuenta el trabajo que sale de ambas etapas de la turbina, así como el calor transferido en la zona de la caldera-sobrecalentador y en la zona de recalentamiento.

nt=W turbina alta+W turbinabaja−W bomba

qcal−qrecal

nt=(h3−h4 )+ (h5−h6 )−W B

(h3−h2)+ (h5−h4 )

C. CICLO RANKINE CON REGENERCION

Un examen cuidadoso del ciclo de Rankine revela que otro punto mejorable es el hecho de que el agua de alimentación que sale de la bomba entra en la caldera a una temperatura relativamente baja. Una solución sería comprimir más el agua hasta alcanzar una temperatura más elevada, pero las altas presiones que esto requeriría hacen que esta solución sea poco práctica. La solución habitual consiste en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para suministrar calor al fluido de trabajo, aumentado su temperatura antes de pasar por la fuente principal de calor (Caldera) a una presión determinada. Existen dos tipos de calentadores uno denominado calentador abierto o de contacto directo y el calentador cerrado o cambiador de calor de carcasa y tubos.

I. CALENTADORES ABIERTOS

El vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba de condensado. Se ajustan los flujos másicos de las corrientes que entran al calentador, de manera que el resultado de la mezcla a la salida del calentador sea líquido saturado a una presión determinada.

II. CALENTADORES CERRADOS

En un calentador cerrado no se mezclan las corrientes que entran. El agua de alimentación circula por el interior de los tubos que pasan por el calentador y el vapor extraído de la turbina para precalentar el agua, se condensa sobre los tubos.

2. COMPONENTES:

2.1. BOMBA DE ALIMENTACION:

Descripción

En una central termoeléctrica, las bombas de alimentación aseguran que el agua de proceso se bombee a través del proceso de generación de energía y sea reciclado de regreso al sistema después del proceso. A menos que las bombas de alimentación están trabajando eficazmente, la generación de energía no puede generarse o bien los costos de funcionamiento de las bombas de reserva serán elevados. Por lo tanto el buen rendimiento es clave en este sistema en particular.

Partes

El motor

Es la unidad de impulso para la bomba. En algunos casos, un motor impulsado a gas puede hacer funcionar la bomba. Está instalado en una base que lo mantiene en su lugar de forma segura. El cable de electricidad conecta el motor a una fuente de electricidad, como el enchufe eléctrico de una pared o la caja de un interruptor. En un extremo del motor se encuentra el árbol motor, que enciende la bomba. Este extremo también posee una cubierta de metal con agujeros marcados en ella para sostener el armazón de la bomba.

El armazón de la bomba

Está atornillado a un extremo del motor. Suele hacerse de metal fundido o plástico y proporciona una apertura tanto de entrada como de salida para que fluya el agua. Puede tener una tapa alrededor de su orilla para formar un sellado impermeable entre él y el motor.

El impulsor

Se encaja en el interior del armazón de la bomba y se une al árbol motor. Esta hecho de plástico y tiene alerones o veletas en él. Cuando la bomba gira, esos alerones o veletas actúan de forma similar a un ventilador. El impulsor produce un vacío que saca el agua condensada en el condensador a través del puerto de entrada en el armazón de la bomba. Luego obliga al agua a pasar por el puerto de salida, proporcionando la presión para conducir al agua al sistema de la caldera.

Interruptor de presión

Las bombas de agua suelen tener un interruptor de presión que detecta cuando la presión disminuye dentro del sistema. Esto indicará una demanda de más agua. A medida que la presión disminuye, el interruptor de presión se enciende, y activa la bomba para proporcionar más agua. Cuando se alcanza la presión adecuada, el interruptor apaga la bomba.

Principio de funcionamiento

El agua condensada es bombeada con la ayuda de las bombas de condensado a un tanque pulmón de alimentación del tren de generación de vapor llamado tanque de agua alimentación. Las bombas empleadas deben aumentar la presión del agua lo suficiente como para alcanzar el tanque de agua de alimentación, situado a gran altura, y para superar la pérdida de carga que produce atravesar diversos equipos. 

2.2. CALDERA

Descripción

Una caldera de vapor es un dispositivo que utiliza calor de la combustión de un

combustible para convertir el agua en vapor. Esta caldera consta de un horno o

cámara de combustión donde se quema el combustible, superficies para

transmitir el calor de combustión al agua y un espacio en el que el vapor se

acumula bajo presión.

La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.

Partes

Hogar o Fogón:

Es el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de Cámara de Combustión.

Los hogares se pueden clasificar en:

Según su ubicación: Hogar exterior Hogar interior

Según el tipo de combustible: Hogar para combustibles sólidos Hogar para combustibles líquidos y gaseosos

Según su construcción. Hogar liso Hogar corrugado

Esta clasificación rige solamente cuando el hogar de la caldera lo compone uno o más tubos a los cuales se les dan el nombre de Tubo Hogar.

Puerta Hogar:

Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se alimenta de combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control de fuego. En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador.

Emparrillado:

son piezas metálicas en formas de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del hogar y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del Aire primario que sirve para que se produzca la combustión.

Las parrillas deben adaptarse al combustible y cumplir los siguientes requisitos:

Deben permitir convenientemente el paso del aire Deben permitir que caigan las cenizas Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez Deben impedir que se junte escoria Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no se

quemen o deformen Deben ser durables

Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase agua para refrigerarlas y evitar recalentamientos.

Cenicero:

es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión. En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua.

Puerta del Cenicero:

Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogar. Cuando se hace limpieza de fuegos o se carga el hogar, se recomienda que dicha puerta permanezca cerrada con el objeto de evitar el retroceso de la llama.

Altar:

es un pequeño muro de ladrillo refractario, ubicado en el hogar, en el extremo opuesto a la puerta del hogar y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm.

Los objetivos del altar son: Impedir que al avivar, cargar o atizar los fuegos tire partículas de combustibles o escoria al primer tiro  de los gases.El altar forma también el cierre interior del cenicero.

Mampostería:

Se llama mampostería a la construcción de ladrillos refractarios o comunes que tiene como objeto cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor al exterior, Guiar los gases y humos calientes en su recorrido.

Para mejorar el aislamiento la mampostería se dispone, a veces, en sus paredes de espacios huecos (capas de aire) que dificultan el paso de calor al exterior. En algunos tipos de calderas, se ha eliminado totalmente la mampostería de ladrillo, colocándose solamente aislamiento térmico en el cuerpo principal y cajas de humo. Para este objeto se utilizan materiales aislantes, tales como lana de vidrio recubierta con planchas metálicas.

Conductos   de Humos:

es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos y los gases calientes que se han producido en la combustión, en estos conductos se realiza la transmisión de calor al agua que contiene la caldera. En las calderas ígneo tubulares, estos conductos (tubos) deben instalarse de modo que su extremo superior quede a 10 cm (4 “) por debajo del nivel mínimo de agua de la caldera.

Caja de Humo:

Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea.

Chimenea:

es el conducto de salida de los gases y humos de la combustión hacia la atmósfera, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios o molestias a la comunidad. Además, tiene como función producir el tiraje necesario para obtener una adecuada combustión, esto es, haciendo pasar el aire necesario y suficiente para quemar el combustible, en caldera que usan combustibles sólidos. (Tiraje naturalLas dimensiones de la chimenea en cuanto a su altura y diámetro estarán determinadas por el tiraje necesario y condiciones de instalación respecto a edificios vecinas. En las calderas modernas existe tiraje artificial en que el movimiento del aire se hace por ventiladores sin descartar, desde luego, los usos de la chimenea.

Regulador de Tiro o Templador:

Consiste en una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma. Tiene por objeto dar mayor o menor paso a la salida de los gases y humos de la combustión.

Este accesorio es accionado por el operador de la caldera para regular la cantidad de aire en la combustión, al permitir aumentar (al abrir) o disminuir (al cerrar) el caudal. Generalmente se usa en combinación con la puerta del cenicero.

Tapas de Registro o Puertas de Inspección:

Son aperturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos dependiendo de su tamaño:

Las puertas de hombres. Como su nombre lo indica, estas puertas tienen el tamaño suficiente para permitir el paso de un hombre para inspeccionar interiormente la caldera y limpiarla

o Las tapas de registro.- todas las calderas tienen convenientemente distribuidas cierto número de tapas que tienen por objeto inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o lavarlas, si es necesario extraer en forma mecánica o manual, los lodos que se hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas

o Casi todas las tapas tienen forma ovalada para ajustar de adentro hacia fuera, llevan empaquetadura para su ajuste hermético y un perno central para su apriete. Algunas calderas tienen orificios cilíndricos los cuales se sellan con tapas tornillos.

Puertas de Explosión:

Son puertas metálicas con contrapeso o resortes, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión. Solo son utilizables en calderas que trabajen con combustibles líquidos o gaseosos.

Cámara de Agua: 

Es el volumen de la caldera que está ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo.

Cámara de Vapor:

Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera.

Mientras más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara. En este espacio o cámara, el vapor debe separarse de las partículas de agua que lleva en suspensión. Por esta razón, algunas calderas tienen un pequeño cilindro en la parte superior de esta cámara, llamado “domo” y que contribuye a mejorar la calidad del vapor.

Cámara de Alimentación de Agua:

Es el espacio comprendido entre los niveles máximos y mínimos de agua. Durante el funcionamiento de la caldera se encuentra ocupado por agua y/o vapor, según sea donde se encuentre el nivel de agua.

Principio de funcionamiento

El agua de alimentación que va a la caldera es almacenada en un tanque o cámara de agua (nombre que se le da al espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera) con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera, así una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, a su vez una bomba de alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera por medio de tuberías (tubos), al tiempo que, se da la combustión en el horno u hogar, esta es visible por el funcionamiento del quemador en forma de flama, el quemador es controlado automáticamente para pasar solamente el combustible necesario (el combustible puede ser solidó, liquido o gaseoso, dentro de los más conocidos se encuentran el carbón, el combustóleo, y el gas), la flama o calor es dirigida y distribuida a las superficies de calentamiento o tuberías donde la energía térmica liberada en el proceso de combustión se transmite al agua contenida en los tubos (en algunos casos el agua fluye a través de los tubos y el calor es aplicado por fuera a este diseño se le conoce como Acuotubular, en otros casos los tubos están sumergidos en el agua y el calor pasa por el interior de los tubos a este diseño se le conoce como Piro tubular, estos dos diseños de calderas son los más utilizados) donde por medio de los procesos de radiación, conducción y convección el agua se transforma en vapor, dicho vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso o puede ser colectado en cámaras para su distribución; en la parte superior de la caldera se encuentra una chimenea la cual conduce hacia afuera los humos o gases de la combustión; en el fondo de la caldera se encuentra una válvula de salida llamada purga de fondo por donde salen del sistema la mayoría de polvos, lodos y otras sustancias no deseadas que son purgadas de la caldera.

En conjunto en la caldera existen múltiples controles de seguridad para aliviar la presión si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua es demasiado bajo o para automatizar el control del nivel del agua.

2.3. TURBINA:

Descripción:

Las turbinas de vapor son un medio popular y ecológico de producir energía. Estas máquinas producen vapor de agua en energía eléctrica mediante una tecnología simple y probada.

Las turbinas de vapor han sido utilizadas por más de 100 años para crear energía. La primera planta de energía, dirigida por Thomas Edison, utilizaba turbinas de vapor para generar energía.

Partes

La turbina se compone de tres partes principales:

El cuerpo del rotor, que contiene las coronas giratorias de alabes La carcasa, conteniendo las coronas fijas de toberas Alabes

Además, tiene una serie de elementos estructurales, mecánicos y auxiliares, como son cojinetes, válvulas de regulación, sistema de lubricación, sistema de refrigeración, virador, sistema de control, sistema de extracción de vahos, de aceite de control y sistema de sellado del vapor.

El rotor:

El rotor de una turbina de acción es de acero fundido con ciertas cantidades de Níquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de diámetro aproximadamente uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los alabes se acoplan en caliente al rotor. También se pueden fabricar haciendo de una sola pieza forjada al rotor, maquinando las ranuras necesarias para colocar los alabes.

Los alabes se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de cromo-hierro, con las curvaturas de diseño según los ángulos de salida de vapor y las velocidades necesarias. Son criticas las últimas etapas por la posibilidad de existencia de partículas de agua que erosionarían a los alabes. Por ello se fija una cinta de metal satélite soldado con soldadura de plata en el borde de ataque de cada alabe para retardar la erosión.

La carcasa:

La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan de hierro, acero o de aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de trabajo, obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presión son de materiales más resistentes que en la parte del escape. La humedad máxima debe ser de un 10% para las últimas etapas.

Normalmente se encuentra recubierta por una manta aislante que disminuye la radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se enfríe y pierda energía disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta manta aislante suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradación y permite desmontarla con mayor facilidad.

 Alabes:

Los alabes fijos y móviles se colocan en ranuras alrededor del rotor y carcasa. Los alabes se pueden asegurar solos o en grupos, fijándolos a su

posición por medio de un pequeño seguro, en forma perno, o mediante remaches. Los extremos de los alabes se fijan en un anillo donde se remachan, y los más largos a menudo se amarran entre si con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.

Válvula de regulación:

Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los elementos más importantes de la turbina de vapor. Es accionada hidráulicamente con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente. Forma parte de dos lazos de control: el lazo que controla la velocidad de la turbina y el lazo que controla la carga o potencia de la turbina.

Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales:

Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de una capa lubricante que disminuya la fricción. Son elementos de desgaste, que deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia establecida si su coste es bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado deficiente.

Cojinete de empuje o axial:

El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la dirección del eje, Evitando el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor repercuta en el reductor, dañándolo seriamente. No se encuentra en contacto con el eje si no que hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje.

El cojinete está construido en un material blando y recubierto por una capa de material que disminuya la fricción entre el disco y el cojinete. Además, debe encontrarse convenientemente lubricado.

Para comprobar el estado de ese cojinete, además de la medida de la temperatura y de las vibraciones del eje, se mide de forma constante el desplazamiento axial. Si se excede el límite permitido, el sistema de control provoca la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta en marcha.

Sistema de lubricación:

Proporciona el fluido lubricante, generalmente aceite. Para asegurar la circulación del aceite en todo momento el sistema suele estar equipado con tres bombas:

Bomba mecánica principal: Esta acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre que este girando la turbina está girando la bomba, asegurándose así la presión de bombeo mejor que con una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques esta bomba no da presión suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al menos una bomba adicional

Bomba auxiliar: Se utiliza exclusivamente en los arranques, y sirve para asegurar la correcta presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este servicio. Se conecta antes del arranque de la turbina y se

desconecta a unas revoluciones determinadas durante el arranque, cambiándose automáticamente de la bomba auxiliar a la bomba principal. También se conecta durante las paradas de la turbina.

Bomba de emergencia: Si se produce un problema de suministro eléctrico en la planta, esta queda sin tensión, durante la parada habría un momento en que las turbina se quedaría sin lubricación, ya que la bomba auxiliar no tendría tensión. Para evitar este problema, las turbinas suelen ir equipadas con una bomba de emergencia que funciona con corriente continua proveniente de un sistema de baterías.

Sistema de extracción de vahos:

El depósito de aceite suele estar a presión inferior a la atmosférica para facilitar la extracción de vapores de aceite y dificultar una posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de lubricación suele ir equipado con un extractor.

Sistema de refrigeración de aceite:

El aceite en su recorrido de lubricación se calienta modificando su viscosidad, y por tanto, sus características lubricantes, llegando a degradarse si el calor es excesivo. Para evitarlo, el sistema de lubricación dispone de unos intercambiadores que enfrían el aceite, estos intercambiadores pueden ser aire-aceite, de forma que el calor del aceite se evacua a la atmósfera, o agua-aceite, de forma que el calor se transfiere al circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta.

Sistema de aceite de control:

Cuando la válvula de regulación se acciona oleo hidráulicamente el conjunto de turbina va equipado con un grupo de presión para el circuito de aceite de control. Este, debe mantener la presión normalmente entre los 50 y los 200 bares de presión hidráulica. El sistema de control gobierna la válvula de salida del grupo, que hace llegar al aceite hasta la válvula de regulación de entrada de vapor con la presión adecuada.

Sistema de sellado de vapor:

Las turbinas de vapor están equipadas con sellos de carbón, que se ajustan al eje, y/o con laberintos de vapor. Con esto se consigue evitar que el vapor salga a la atmósfera y disminuyan la eficiencia térmica de la turbina.

Virador:

El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no está en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razón este sistema se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.

Compensador:

Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación (generalmente las tuberías que conducen al condensador o el propio condensador). Ya que la carcasa de la turbina sufre grandes cambios de temperatura, este elemento de unión es imprescindible para controlar y amortiguar el efecto de dilataciones y contracciones

Principio de funcionamiento

Cuando el vapor caliente y a una determinada presión llega a la turbina procedente de la caldera, es aspirado desde el otro extremo por una fuente fría. Al ocurrir este proceso el vapor se expande y tiende a ocupar más espacio; para recuperar la energía del vapor, este atraviesa una serie de palas: Palas fijas (enganchadas al cuerpo de la turbina) y palas móviles (enganchadas al rotor). Cuando el vapor pasa por las palas fijas el paso se estrecha para ganar velocidad haciendo que se acelere el flujo del vapor en expansión, luego este vapor acelerado pasa por las palas móviles que tienen forma curva para cambiar la dirección del vapor y de este modo son empujadas hacia atrás, y como están enganchadas al rotor, lo hacen girar. Es así que la energía cinética del rotor se convierte en energía mecánica, esta energía mecánica aplicada al rotor se transmite luego al generador que la convierte en electricidad.

El vapor atraviesa, así pues, varias filas de palas fijas y móviles; mientras más avance ocupara cada vez más espacio, de ahí que el tamaño de las sucesivas filas de palas sea cada vez mayor para optimizar la conversión de la energía del vapor.

Cuando sale de la última fila de palas móviles, el vapor se dirige hacia el condensador para convertirse nuevamente en agua.

2.4. CONDENSADOR:

Descripción

Un condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor.

La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador (aerocondensadores) o con agua (esta última suele ser en circuito semicerrado con torre de refrigeración, o en circuito abierto proveniente de un río o del mar). El tipo de condensador más empleado en centrales termoeléctricas es el que utiliza agua como fluido refrigerante, que además utiliza un circuito semiabierto de refrigeración con una torre evaporativa como sumidero del calor latente de vaporización.

El propósito del condensador termodinámico es pues provocar el cambio de estado del vapor a la salida de la turbina para así obtener máxima eficiencia e

igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso al tren de generación de vapor. 

Partes

Tubos

Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la

superficie de transferencia de calor entre el fluido que circula por el interior de

los tubos, y la carcasa. Los tubos pueden ser completos o soldados y

generalmente están hechos de cobre o aleaciones de acero. Otras aleaciones

de níquel, titanio o aluminio pueden ser requeridas para aplicaciones

específicas.

Los tubos pueden ser desnudos o aletados. Las superficies extendidas se usan

cuando uno de los fluidos tiene un coeficiente de transferencia de calor mucho

menor que el otro fluido. Los tubos doblemente aletados pueden mejorar aún

más la eficiencia. Las aletas proveen de dos a cuatro veces el área de

transferencia de calor que proporcionaría el tubo desnudo. La cantidad de

pasos por los tubos y por la carcasa dependen de la caída de presión

disponible. A mayores velocidades, aumentan los coeficientes de transferencia

de calor, pero también las perdidas por fricción y la erosión en los materiales.

Por tanto, si la pérdida de presión es aceptable, es recomendable tener menos

cantidad de tubos, pero de mayor longitud en un área reducida. Generalmente

los pasos por los tubos oscilan entre 1 y 8. Los diseños estándares tienen uno,

dos o cuatro pasos por los tubos. En múltiples diseños se usan números pares

de pasos. Los números de pasos impares no son comunes, y resultan en

problemas térmicos y mecánicos en la fabricación y en la operación.

Placa tubular

Los tubos se mantienen en su lugar al ser insertados dentro de agujeros en la

placa tubular, fijándose mediante expansión o soldadura. La placa tubular es

generalmente una placa de metal sencilla que ha sido taladrada para albergar a

los tubos (en el patrón deseado), las empacaduras y los pernos. En el caso de

que se requiera una protección extra de las fugas puede utilizarse una doble

placa tubular.

El espacio entre las placas tubulares debe estar abierto a la atmósfera para

que cualquier fuga pueda ser detectada con rapidez. Para aplicaciones más

peligrosas puede usare una placa tubular triple, sellos gaseosos e incluso un

sistema de recirculación de las fugas.

La placa tubular además de sus requerimientos mecánicos debe ser capaz de

soportar el ataque corrosivo de ambos fluidos del intercambiador y debe ser

compatible electroquímicamente con el material de los tubos. A veces se

construyen de acero de bajo carbono cubierto metalúrgicamente por una

aleación resistente a la corrosión.

Deflectores

Hay dos tipos de deflectores, transversales y longitudinales. El propósito de los

deflectores longitudinales es controlar la dirección general del flujo del lado de

la carcasa. Por ejemplo, las carcasas tipo F, G y H tienen deflectores

longitudinales. Los deflectores transversales tienen dos funciones, la más

importante es la de mantener a los tubos en la posición adecuada durante la

operación y evita la vibración producida por los vórtices inducidos por el flujo.

En segundo lugar ellos guían al fluido del lado de la carcasa para acercarse en

lo posible a las características del flujo cruzado.

El tipo de reflector más común es el simple segmentado. El segmento cortado

debe ser inferior a la mitad del diámetro para asegurar que deflectores

adyacentes se solapen en al menos una fila completa de tubos. Para flujos de

líquidos en el lado de la carcasa el corte del deflector generalmente es del 20 a

25 por ciento; para flujos de gas a baja presión de 40 a 45 por ciento, con el

objetivo de minimizar la caída de presión.

Carcasa y boquillas del lado de la carcasa

La carcasa es la envolvente del segundo fluido, y las boquillas son los puertos

de entrada y salida. La carcasa generalmente es de sección circular y esta

hecha de una placa de acero conformado en forma cilíndrica y soldado

longitudinalmente. Carcasas de pequeños diámetros (hasta 24 pulgadas)

pueden ser hechas cortando un tubo del diámetro deseado con la longitud

correcta (pipe shells). La forma esférica de la casaca es importante al

determinar el diámetro de los reflectores que pueden ser insertados y el efecto

de fuga entre el deflector y la casaca. Las carcasas de tubo suelen se más

redondas que las carcasa roladas.

En intercambiadores grandes la carcasa esta hecha de acero de bajo carbono

siempre que sea posible por razones de economía aunque también pueden

usarse otras aleaciones cuando la corrosión o las altas temperaturas así lo

requieran.

La boquilla de entrada suele tener una placa justo debajo de ella para evitar

que la corriente choque directamente a alta velocidad en el tope del haz de

tubos. Se impacto puede causar erosión, cavilación, y vibraciones. Con el

objetivo de colocar esta laca y dejar suficiente espacio libre entre este y la

carcasa para que la caída de presión no sea excesiva puede ser necesario

omitir algunos tubos del patrón circular completo.

Canales del lado de los tubos y boquillas

Los canales y las boquillas simplemente dirigen el flujo del fluido del lado de los

tubos hacia el interior o exterior de los tubos del intercambiador. Como el fluido

del lado de los tubos es generalmente el más corrosivo, estos canales y

boquillas suelen ser hechos de materiales aleados (compatibles con la placa

tubular). Deben ser revestidos en lugar de aleaciones sólidas.

Cubiertas de canal

Las cubiertas de canal son placas redondas que están atornilladas a los bordes

del canal y pueden ser removidos para inspeccionar los tubos sin perturbar el

arreglo de los tubos. En pequeños intercambiadores suelen ser usados

cabezales con boquillas laterales en lugar de canales y cubiertas de canales.

Principio de funcionamiento

Luego de que el vapor de agua salga de la turbina esta comienza un ciclo de condensación para llevarla nuevamente a su estado líquido.

El interior de la carcasa tiene un gran haz de tubos por el interior de los cuales circula agua de refrigeración. El vapor entra por el exterior de la carcasa y rodea el haz de tubos. Como los tubos están más fríos que el vapor, este condensa. Las gotas de condensado que se forman en los tubos van cayendo al fondo de la carcasa. Allí se recolectan y se extraen del condensador.

Como la temperatura de condensación es muy inferior a 100ºC y suele estar muy cercana a la temperatura  ambiente, la presión dentro del condensador está por debajo de la presión atmosférica y típicamente está por debajo de 0,1 bar absolutos. Esto hace que la máquina que opera entre la caldera y el condensador disponga de un mayor salto de presión utilizable.