Pedro Fernndez Dez http://libros.redsauce.net/

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CENTRALESTERMICAS

I.- INTRODUCCIN A LOS GENERADORES DE VAPORhttp://libros.redsauce.net/

I.1.- INTRODUCCIN

Las calderas utilizan el calor para convertir agua lquida en vapor, que se destina a una gran varie-

dad de aplicaciones, entre las que se encuentran

la produccin de energa elctrica el calentamiento en procesos industriales

El vapor de agua es un recurso fundamental por

su disponibilidadsus propiedades ventajosassu naturaleza no txica

.

Los flujos de vapor y sus condiciones de presin y temperatura, pueden variar:

- Desde 0,1 kg/seg para su utilizacin en un determinado proceso, hasta ms de 1250 kg/seg en el caso de grandes

plantas de generacin de energa elctrica

- Desde 1 bar y 100C para algunas aplicaciones de calentamiento, hasta ms de 310 bar y 600C en plantas energti-

cas de ciclo avanzado

La utilizacin de determinados combustibles

carbnpetrleogas natural

y sus diferentes formas de manipulacin,

aumentan la complejidad y variedad de las unidades generadoras de vapor.

La energa nuclear tiene tambin un papel importante en el sector de la generacin de energa elc-

trica, aunque su futuro, al menos en Espaa, sigue siendo incierto a corto plazo.

Otras fuentes de calor para la generacin de electricidad, son una gran variedad de materiales de

biomasa y de subproductos de procesos industriales, como la turba, la madera y sus desechos, la paja,

los posos del caf, las cscaras de cereales, los desechos de las minas de carbn, el calor residual de fac-

toras siderrgicas, las energas geotrmica y solar, as como los procesos de generacin de vapor aso-

ciados a los de recuperacin de subproductos en determinados procesos, como la fabricacin de pasta de

papel, los residuos slidos municipales y la destruccin de residuos sanitarios peligrosos.

Los generadores de vapor diseados para cumplimentar tales objetivos, pueden ser:a) Pequeas calderas prefabricadas montadas en factora, completamente equipadas y automatizadas, que queman

gas y pueden suministrar vapor, a las que slo hay que acoplar la chimenea y conexiones

b) Calderas energticas de potencia para producir 1300 MW, Fig I.1, que entran dentro del grupo de las grandes calde-

ras energticas; se montan y construyen en el lugar de emplazamiento y pueden producir ms de 1250 kg/seg de vapor, a 275

bar y 550C; estas unidades, o sus equivalentes nucleares, forman parte de los sistemas actuales que se encuentran en explo-

tacin, siendo de gran complejidad.

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c) Otras calderas energticas de menor potencia, como las utilizadas en plantas de generacin de electricidad que que-

man 700 Tm/da de residuos en masa incandescente, Fig I.2, o las de combustin en lecho fluido circulante, etc

Para obtener un sistema generador de vapor que cumplimente las caractersticas de un determina-

do suministro de vapor en cualquiera de estas aplicaciones, hay que compaginar la ciencia fundamental,

la tecnologa, datos empricos y experiencia, con el equipamiento ms econmico posible.

Otros factores que se integran en el proceso de diseo son:

Las caractersticas del combustible

La proteccin del medio ambiente

El rendimiento trmico

Las caractersticas funcionales

Los costes de explotacin (produccin-control-mantenimiento)

Los requisitos legales y las condiciones climatolgicas y geogrficas locales, etc.

por lo que el diseo implica ponderar todos los factores mencionados tan complejos y, a veces, tan con-

trapuestos. Por ejemplo, la reduccin del contaminante NOx puede requerir una caldera con gran volu-

men de hogar, elevando los costes de inversin e incrementando los de mantenimiento.

Hay que procurar que el diseo del generador de vapor se oriente hacia determinadas tendencias,

para facilitar la mejor opcin posible en base a las siguientes consideraciones:

Fig I.1.- Generador de vapor Zimmer de carbn pulverizado para planta energtica de 1300 MWe.- Cincinnati G&E/Dayton

P&L/AEP-Columbus Southern Power.- Presin de salida 26,5 MPa; temperatura vapor 543C/538C (ao 1990)I.-2

Fig I.2.- Caldera para planta energtica quemando 680 Tm/da de residuos en masa incandescente

- El precio de los combustibles se incrementa en cuanto el suministro se haga ms inseguro, por lo que se hace necesario

mejorar la eficiencia, al tiempo que se flexibiliza la utilizacin de los combustibles.

- Las crecientes exigencias en el campo de la proteccin medioambiental tienen que conducir a mejorar la combustin,

para reducir la formacin de los NOx y las emisiones de CO2.

- El aumento de la demanda en muchas regiones puede conducir a la necesidad de mantener, en el generador de vapor,

determinados ciclos de carga que se harn ms frecuentes y rpidos.

I.2.- METODOLOGA

Para cumplir con los requerimientos de funcionamiento de un generador de vapor, se puede utilizar

el mtodo de iteracin mltiple en el que siempre es muy difcil encontrar una solucin directa, debido a

la complejidad real y a las interacciones que se presentan. El proceso de iteracin comienza por presu-

poner una solucin y un sistema particular, para el que se definen condiciones tales como:- Requisitos de flujo de vapor

- Fuentes de combustibles

- Dinmica funcional

- Lmites de emisiones, etc.

A partir de estos datos, se evala el generador de vapor teniendo en cuenta diferentes opciones, y la

necesidad de equipos para atender las caractersticas funcionales que se hayan fijado.

Para una caldera que queme carbn, el mtodo incluye:

- Los requisitos de suministro de vapor, para definir las entradas de

combustibleaireagua

, as como las condiciones de salida

que se deriven de esas entradas

- El clculo de los balances trmicos y, en particular, la absorcin de calor de cada tipo de superficie intercambiadora

integrada en el generador de vaporI.-3

Fig I.3.- Caldera de carbn y circulacin natural de 455 MW

- El clculo de la combustin para definir el aporte de calor y los flujos de gases, (aire y humos)

- La configuracin del sistema de combustin para completar el proceso, minimizando las emisiones, que afecta a la

preparacin del combustible, a la combustin y a la manipulacin del aire comburente

- La configuracin

del hogar

de las superficies de transferencia trmica

, atendiendo a temperaturas, materiales y relaciones ca-

ractersticas funcionales del sistema global

- El dimensionado de los dems componentes, tanto del lado del agua, como del lado del vapor

- Las zonas de recuperacin de calor en los intercambiadores finales, como los economizadores y los calentadores de aire

- La comprobacin de las caractersticas funcionales del sistema generador de vapor para asegurar que se cumplen los

criterios de diseo de todos sus equipos auxiliares

- La repeticin de los pasos anteriores, para todo el campo de cargas especificado, hasta que se alcancen el flujo y las

condiciones de presin y temperatura del vapor

- La utilizacin, en el diseo de las partes a presin, de las normas del Cdigo ASME

- El equipo de proteccin medioambiental necesario para alcanzar los niveles obligados de emisiones, y otros equipos au-

xiliares, como

el sistema de limpieza de las superficies intercambiadoraslos ventiladoresla instrumentacin de control , etc

Una consideracin a tener en cuenta radica en el ciclo de vida de la unidad generadora de vapor y de

sus diferentes sistemas auxiliares; en la actualidad, algunos generadores de vapor se construyen para

que puedan funcionar de forma eficiente y fiable durante 60 aos, perodo en el que los componentes se

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deterioran a causa del medio ambiente agresivo o habrn quedado obsoletos.

Para garantizar una determinada fiabilidad, se precisa de inspecciones rutinarias de las partes a

presin. Los procesos funcionales transitorios de la unidad, que influyen en la reduccin de vida de sta,

se monitorizan.

Las prcticas operativas, que incluyen

el tratamiento de aguas en todos sus niveles los procedimientos de funcionamiento cclicolos programas de mantenimiento

, pueden afectar sig-

nificativamente a la disponibilidad y fiabilidad del generador de vapor y sus auxiliares.

Los componentes principales de la unidad generadora de vapor tienen que ser susceptibles de po-

derse modernizar para mejorar las caractersticas funcionales del generador de vapor, decisiones que se

tienen que tomar en la fase de diseo.

I.3.- CONFIGURACIN DEL SISTEMA

La mayora de las aplicaciones de la generacin de vapor se destinan a los sectores de:- Produccin de electricidad

- Suministro de vapor a procesos

A veces se emplean, al mismo tiempo, combinaciones de estas dos aplicaciones, y se habla enton-

ces de la cogeneracin.

En toda aplicacin de vapor, el generador constituye el componente ms importante del sistema,

estando integrado por otros subsistemas y componentes. En la Fig I.4 se indican los subsistemas prin-

cipales de una planta de generacin de energa que quema carbn, que comprenden:

- La recepcin y preparacin del combustible

- El generador de vapor

- El equipo de combustin

- La proteccin medioambiental

- El grupo turbina-alternador

- El equipo de eliminacin de calor residual, incluyendo la torre de refrigeracin

El recorrido

del combustible de los productos de combustin

, se puede seguir teniendo en cuenta que:

- El sistema de manipulacin de combustible comprende su suministro, su preparacin para la combustin y su trans-

porte hasta el generador de vapor

- El sistema de aire asociado suministra el comburente a los distintos quemadores, por medio de un ventilador de tiro

forzado

- El subsistema del generador de vapor, (que incluye el calentador de aire), quema la mezcla combustible-aire, recupera

el calor liberado y genera el vapor a alta presin y temperatura

- Los humos abandonan el calentador de aire y pasan a travs de los subsistemas de separacin de partculas y de eli-

minacin de SO2 para retener los contaminantes

- La ceniza y los residuos slidos del depurador de humos se evacan

- Los humos se envan a la chimenea con ayuda de un ventilador de tiro inducido

El generador de vapor vaporiza el agua y suministra vapor a alta temperatura y presin, en condi-

ciones controladas.

A continuacin, el vapor se lleva a la turbina conectada a un alternador que se encarga de generar

electricidad

Una vez expansionado el vapor en la turbina, pasa al condensador, en el que se evaca su calor re-

sidual, condensando.

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Fig I.4.- Perspectiva de una planta de generacin de energa que quema carbn

Fig I.5.- Esquema de una instalacin de generacin de energa que quema carbn

Antes de que el condensado retorne a la caldera, el agua procedente del condensador pasa a travs

de varias bombas y calentadores de agua, para incrementar su presin y temperatura.

El calor absorbido en el condensador se evacua a la atmsfera por medio de torres de refrigeracin,

que son los componentes ms visibles de toda instalacin de produccin de energa. La torre de refrigera-

cin de tiro natural es una estructura casi cilndrica hueca, por cuyo interior circula aire ascendente y

agua pulverizada descendente, que cede el calor evacuado por el condensador al aire que circula; estas

torres, en distintas versiones, existen en la mayora de los emplazamientos de las modernas plantas ge-

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neradoras de energa elctrica. En una instalacin de energa nuclear, la manipulacin de carbn de una

planta de combustible fsil se sustituye por un dispositivo para la manipulacin y almacenaje de los pa-

quetes de barras del combustible nuclear.

En una planta nuclear de produccin de electricidad, no se precisan los grandes equipos requeridos

para el control de la contaminacin atmosfrica, caractersticos de las centrales de combustible fsil.

Fig I.6.- Esquema de planta energtica de combustible nuclear

Procedimiento para el prediseo del generador de vapor.- La funcin principal del sistema generador de vapor es la de transformar en calor el contenido energtico (qumico o nuclear) relativo al

combustible, que se utiliza en producir vapor a alta presin y temperatura.

La amplia variedad

de las fuentes de combustibles

de las altas temperaturas de los procesosdel gran nmero de interfaces del sistema

, hacen que la fase de diseo sea complica-

da. Los pasos iniciales en la evaluacin del sistema de generacin de vapor son:

- La necesidad del suministro energtico o de la fuente de vapor adicional

- La seleccin del combustible y del tipo de sistema productor de vapor ms econmicos

- La ubicacin de la planta

- El ciclo energtico y las caractersticas del vapor de proceso que se desean

Los requerimientos principales se pueden clasificar en:

- Flujos mnimo, medio y mximo del vapor, la necesidad de una o ms etapas de vapor recalentado, la utilizacin del

vapor por el equipo auxiliar y otros requerimientos

- Fuente de aporte del agua a renovar, como consecuencia del vapor consumido, y su tratamiento qumico y temperatu-

ra antes de introducirla en el generador de vapor

- Tipos de combustibles considerados y sus caractersticas, incluyendo el del peor supuesto, junto con su anlisis qumico

inmediato, bien de cada combustible o de mezclas de los mismos

- Altura de la planta sobre el nivel del mar, historia y previsiones climatolgicas globales, posibilidad de terremotos, li-

mitacin de espacios, etc.

- Requerimientos de control de emisiones locales, comarcales, y estatales, as como toda la legislacin y normas guberna-

mentales aplicables

- Los tipos de equipos auxiliares, eficiencia global de la planta y de la caldera, accesos, penalizaciones a considerar en I.-7

las evaluaciones, modos operativos previstos incluyendo los requisitos en ciclicidad, como el servicio de carga

puntaintermedia

y

probable uso futuro de la planta.

Una vez establecidos estos requerimientos, comienza el diseo y evaluacin de la caldera de vapor.

Influencia de la fuente energtica.- El combustible principal seleccionado es el que tiene ms in-fluencia sobre la configuracin y el diseo del generador de vapor.

En el caso de la energa nuclear, se ha desarrollado un sistema nico para contener el combustible

y los productos de la reaccin nuclear, dando especial importancia a la seguridad y proteccin pblica a

la exposicin radiactiva. Como puntos vitales en el diseo del sistema se deben tener en cuenta:

- Unas caractersticas aceptables en los materiales, frente al medio ambiente de la radiacin

- Unas determinadas caractersticas termohidrulicas y mecnicas, mantenidas a largo plazo

Las previsiones para la manipulacin y preparacin de combustibles fsiles, biomasa y subproduc-

tos, varan mucho en lo que respecta a su combustin, recuperacin de calor, ensuciamiento de las su-

perficies intercambiadoras, corrosin de los materiales y control de las emisiones efluentes de la planta.

Por ejemplo, para una unidad que quema gas, Fig I.7, en lo que atae al sistema de almacenamiento y

manipulacin del combustible, se tienen unas necesidades mnimas; slo se precisa de un pequeo hogar

para su combustin y se pueden utilizar superficies intercambiadoras que estn poco espaciadas, ya

que no hay deposicin de cenizas.

El sobreespesor de corrosin de la unidad que quema gas, que se contempla en todo el diseo, es re-

lativamente pequeo y el control de emisiones se reduce finalmente al NOx trmico formado en la com-

bustin, resultando un diseo relativamente pequeo, compacto y econmico.

Cuando se utiliza un combustible slido, como el carbn, que tiene un notable nivel de cenizas, el sistema global es siempre mucho ms complejo, debiendo tener en cuenta que:

-El sistema tiene que incluir instalaciones de manipulacin y almacenamiento del combustible

- Se precisa un hogar mucho mayor para poder completar la combustin y unas superficies intercambiadoras que tienen

que estar mucho ms espaciadas que en el caso precedente del gas

Fig I.7.- Esquema de planta energtica que quema gas Fig I.8.- Esquema de planta energtica que quema carbn

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Ventilador forzado

Hogar

Ventilador aire secundario

Ventilador aire primario

Canaln cortezas

Conducto aire atemperacin

Salida humos

Sobrecalentador

Caldern de vapor

Economizador

Banco caldera

Puertas NOx

Quemadores

Tolva carbn

Alimentador carbn

Conducto aire primario

Molino

Hogarmecnico

Fig I.9.- Esquema de planta energtica que quema varios combustibles

- Hay que contar con equipamiento adicional, como:

- El de limpieza (para reducir el efecto del ensuciamiento y de la corrosin)

- El de calentamiento de aire, que se destina a secar el combustible y que ha de servir como aire caliente comburente

para la mejora de la combustin

- El de recogida y evacuacin de residuos slidos

La influencia del combustible en una caldera destinada a una planta de produccin de electricidad,

se indica en las Fig I.7.8, en las que se representan dos generadores de vapor, ambos para la misma pro-

duccin de vapor, uno quemando gas y otro quemando carbn.

Las dificultades particulares cuando se queman diversos combustibles slidos se muestran en la

Fig I.9, en la que se observan previsiones para quemar carbn pulverizado en lecho suspendido por me-

dio de quemadores adecuados, y tambin para quemar trozos y cortezas de madera, sobre parrilla m-

vil (hogar mecnico) en la parte baja del hogar de la unidad.

Influencia de las condiciones del vapor.- La presin y temperatura del vapor producido en los diversos tipos de generadores, tienen gran influencia en el diseo de los mismos. La Fig I.10 identifica di-

versos tipos de calderas clsicas y detalla el aporte calorfico relativo necesario para el calentamiento

del agua, vaporizacin, sobrecalentamiento del vapor y su eventual recalentamiento.

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La energa que se precisa para la vaporizacin se reduce incrementando la presin de la opera-

cin, por lo que las superficies intercambiadoras (en general configuradas por tubos), pueden ser muy di-

ferentes.

Fig I.10.- Absorcin energtica en el generador,

segn la funcin a desempear Fig I.11.- Caldereta

I.4.- FUNDAMENTOS DE LA GENERACIN DE VAPOR

VAPORIZACIN.- Si se dispone de una caldereta con agua a la que se aplica calor, la temperatu-ra del agua se incrementa y, para una presin dada, se alcanza la temperatura de vaporizacin,

(saturacin), comenzando la formacin de burbujas en el seno del agua que se est calentado. Si el apor-

te de calor contina, la temperatura permanece constante, el proceso de vaporizacin contina y el va-

por escapa por la superficie libre del lquido. Si el vapor se elimina del recipiente de modo continuado, la

temperatura se mantiene constante, hasta que se haya vaporizado todo el agua; a partir de este mo-

mento, si se mantiene el aporte de calor se incrementan la temperatura de la caldereta y la del vapor

que queda en el interior de la misma. Para tener un proceso de vaporizacin continuo, es necesario un

suministro regular de agua hacia la caldereta, igual a la cantidad de vapor producido y evacuado.

Vaporizacin en tubos.- Consiste en calentar tubos de di-metro relativamente pequeo, por los que circula un flujo de

agua, Fig I.12a. El agua subenfriada (a una temperatura por

debajo de la de saturacin), entra en un tubo al que se le apli-

ca calor. Conforme fluye por el tubo, el agua se calienta hasta

su punto de vaporizacin, se forman burbujas y se produce

vapor hmedo. En la mayora de las calderas que utilizan el

tubo vaporizador se obtiene una mezcla de vapor-agua, que

entra en un recipiente de grandes dimensiones (caldern de

vapor), en el que el vapor se separa del agua; a continuacin,

el agua separada se mezcla con el agua de aporte y este con-

junto retorna al tubo vaporizador.

Un caso especial lo constituye la caldera de proceso directo,

de paso nico Fig I.12b, en la que el flujo de vapor y el aporte

de calor se controlan de manera muy precisa, para que todo lo

que salga del tubo sea vapor; en consecuencia, para esta cla-

se de generador de vapor no es necesario el caldern de vapor.

CIRCULACIN.- En un sistema de produccin continua de vapor, el agua se hace circular por el

interior de los tubos en

flujo natural (termocirculacin)

en flujo forzado (bombeo)

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Fig I.12.- Proceso de vaporizacin tubular: (a) Generacin de vapor parcial (b) Generacin de vapor total

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En la circulacin natural, Fig I.13a:

- En el segmento de tubo no calentado (AB) no hay presencia de vapor

- La aplicacin de calor produce una mezcla vapor-agua en el tramo (BC)

- Como la densidad de la mezcla en el tramo (BC) es menor que la del agua en el tramo (AB), la gravedad provoca un

flujo descendente en (AB) y ascendente en el (BC) hacia el caldern de vapor

(a) Lazo simple circulacin natural o trmica ; (b) Lazo simple circulacin forzada o bombeada

Fig I.13.- Sistemas de circulacin simplificados

La velocidad del movimiento del agua depende de la diferencia entre la densidad media del agua no

calentada y de la mezcla citada vapor-agua.

El caudal que circula depende, entre otros, de los siguientes factores:

- La altura geomtrica de la caldera

- La presin de operacin del vapor generado en la misma

- El aporte calorfico

- Las secciones de paso libre equivalente que ofrezcan los componentes

Las calderas ms altas proporcionan mayor presin diferencial entre las dos ramas, calentada y

no calentada, y por eso pueden producir mayores gastos msicos de vapor.

Las presiones de vapor ms elevadas dan lugar a densidades superiores, lo mismo en el lado del

agua que en lado de la mezcla vapor-agua, lo que reduce la diferencia total de gasto entre las ramas ca-

lentada y no calentada, con lo que tiende a disminuir el flujo total.

Un aporte calorfico mayor incrementa la cantidad de vapor en los segmentos calentados y, por

tanto, reduce la densidad media de la mezcla vapor-agua, lo que aumenta el flujo de circulacin.

Un incremento de la seccin de paso para el flujo, lo mismo del lado del agua, que del de la mezcla

vapor-agua, aumenta la velocidad de circulacin.

Por cada unidad de peso de vapor generado, en general, la cantidad de agua que entra en el tubo

puede variar entre 3/1 y 25/1.

La circulacin forzada se representa en la Fig I.13b. Si se adapta una bomba al circuito simple del flujo considerado, la presin diferencial creada controlar la velocidad del flujo de agua.

En el caso de calderas pequeas de baja presin, la separacin vapor-agua se puede llevar a cabo

utilizando un caldern grande lleno de agua, aproximadamente hasta la mitad de su volumen. I.-11

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La separacin natural vapor-agua por la gravedad puede ser suficiente.

Sin embargo, en las actuales unidades de potencia elevada y altas presiones, se precisan separado-

res mecnicos centrfugos para lograr un vapor exento de humedad a la salida del caldern. Con la insta-

lacin de estos dispositivos en el interior del caldern, el tamao de ste se reduce considerablemente en

relacin con el que se requerira sin ellos y, por tanto, el coste de la inversin baja.

Para presiones muy altas no se usa caldern, por cuanto al aumentar la presin se alcanza el punto

crtico, a partir del cual ya no se produce la vaporizacin; por encima de la presin crtica, 221 bar, la

temperatura del agua aumenta, conforme prosigue la aplicacin de calor, pudindose disear generado-

res de vapor que operen con presiones de funcionamiento superiores a la crtica, no necesitndose calde-

rines de vapor, ni la separacin vapor-agua; estos generadores de vapor supercrticos funcionan en un

proceso directo o de paso nico.

Para calcular el flujo de vapor en un determinado diseo con unas condiciones especficas de opera-

cin, existen criterios que establecen:- El mnimo valor del flujo

- El mximo contenido de vapor admisible para cada uno de los tubos individuales

- El mximo flujo permisible en el caldern de vapor

I.5.- COMPONENTES DEL GENERADOR DE VAPOR DE COMBUSTIBLE FSIL

Los modernos generadores de vapor estn constituidos por configuraciones de secciones termohi-

drulicas complejas, con flujos de vapor y agua, que

calientan y vaporizan el agua

sobrecalientan el vapor

; estas superficies de in-

tercambio trmico se disponen de forma que:

- El combustible se queme completa y eficientemente, minimizando las emisiones posibles

- El vapor se genere a los valores especificados de caudal, presin y temperatura

- La energa se recupere en la mayor cuanta posible

Los principales componentes del sistema de

generacin de vapor

recuperacin del calor

incluyen:

- El hogar y el paso de conveccin o zona recuperadora de calor

- Los sobrecalentadores de vapor, primario y secundario

- El recalentador de vapor

- La caldera o banco vaporizador (en calderas industriales)

- El economizador

- El caldern de vapor

- El atemperador y el sistema de control de la temperatura

- El calentador de aire

componentes que estn formados por un nmero de equipos auxiliares, como:

- Molinos de carbn

- Sistema de combustin

- Conductos de humos y aire

- Ventiladores

- Equipo de limpieza del lado de humos

- Equipo de evacuacin de cenizas

Hogar.- Es un espacio libre, amplio y cerrado, para la combustin del combustible y la refrigera-cin de los humos, antes de que entren en el paso de conveccin o zona de recuperacin. Una temperatu-

ra excesiva de los humos a la salida del hogar, hacia los bancos tubulares, puede provocar una acumula-

cin de partculas en el lado exterior de los tubos o una excesiva temperatura del acero de los mismos.

La geometra y dimensiones del hogar dependen del combustible y del equipo de combustin. I.-12

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Las superficies intercambiadoras del sobrecalentador, recalentador y economizador se sitan en

secciones horizontales y verticales, con flujo descendente de humos dentro del cerramiento de la caldera,

constituyendo el paso de conveccin. En los modernos generadores de vapor, el hogar y las paredes del

paso de convencin estn formadas por tubos de acero al C de baja aleacin, refrigerados por vapor o

agua, para mantener la temperatura del metal tubular dentro de lmites aceptables.

Los tubos se conectan por la parte inferior y por la superior, a colectores o distribuidores que re-

nen o distribuyen el agua, el vapor o las mezclas vapor-agua. En la mayora de las unidades modernas,

los tubos de las paredes del hogar sirven tambin como componentes para la generacin del vapor; van

soldados entre s con varillas de acero interpuestas a lo largo de los mismos, formando las denominadas

paredes membrana, que son estancas a gases, continuas y rgidas.

Los tubos que configuran una pared membrana se construyen en paneles, transportables, con las

aberturas necesarias para instalar

los quemadores

los sopladores de limpieza del lado de humos las lumbreras de inyeccin de gases

Sobrecalentadores y recalentadores.- Se disean en forma de bancos de tubos alineados que in-crementan la temperatura del vapor saturado; son intercambiadores de una sola fase, con flujo de vapor

por el interior y flujo de humos por el exterior, en flujos cruzados.

Se fabrican con aceros aleados, por las altas temperaturas de operacin y estn configurados para

controlar:- La temperatura de salida del vapor

- El mantenimiento de la temperatura del metal dentro de lmites aceptables

- La cada de presin en el flujo del vapor

La diferencia principal entre un sobrecalentador y un recalentador radica en:

- La posicin (primero el sobrecalentador)

- En la presin del vapor

En una caldera con caldern, si la presin de salida del sobrecalentador es de 180 bar, la presin de

salida del recalentador sera de slo 40 bar.

El diseo y ubicacin de las superficies (que pueden ser horizontales o verticales), depende de:- Las temperaturas de salida

- La absorcin calorfica

- Las caractersticas del combustible

- Las peculiaridades del equipo de limpieza del lado de humos

El sobrecalentador, (a veces tambin el recalentador), est dividido en mltiples secciones, para fa-

cilitar el control de la temperatura del vapor y optimizar la recuperacin del calor.

Banco de caldera.- La superficie intercambiadora del hogar puede resultar escasa para generar el vapor requerido por la aplicacin final, por lo que se puede aadir un banco de caldera o banco vapori-

zador, que es necesario en muchas calderas industriales pequeas (de baja presin), no sindolo en las de

alta presin que equipan las plantas termoelctricas.

El banco de caldera se compone de:

Un calder n de vapor en la parte superiorUn calder n de agua en la parte inf erior Una serie de tubos que conec tan ambos calderines

Las partes internas del caldern de vapor y el tamao de los tubos del banco vaporizador, se dispo-

nen de forma que el agua subenfriada descienda por el interior de los tubos ms alejados del hogar, hacia

el caldern inferior (de agua); en ste, el agua se distribuye entre los dems tubos, a lo largo de los cuales

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se convierte parcialmente en vapor en su retorno al caldern superior.

El caldern de agua se designa frecuentemente como colector de fangos, porque en l se tienden a

depositar y recoger los sedimentos del agua de la caldera.

Economizador.- Es un intercambiador de calor de flujos en contracorriente que recupera la ener-ga residual de los humos, aguas abajo del sobrecalentador, y del recalentador, incrementando la tempe-

ratura del agua del sistema que entra en el caldern de vapor.

El banco tubular dispone de tubos en serpentn horizontales paralelos, con el flujo de agua por el in-

terior de los tubos, en contracorriente con el flujo de los humos.

El espaciado de los tubos tiene que ser el menor posible para facilitar:- El intercambio trmico

- La limpieza de la superficie tubular exterior

- Una cada de presin limitada en el lado de humos

Normalmente no se genera vapor en los tubos del economizador.

Caldern de vapor.- Es un recipiente cilndrico de grandes dimensiones, con un dimetro de 0,91,8 m y longitud que llega a los 30 m, ubicado en la parte alta de la caldera, en el que el vapor saturado

se separa de la mezcla vapor-agua que sale de los tubos de la caldera.

Se fabrican con virolas gruesas de acero laminado y fondos hemisfricos, y alojan los equipos de:- Separacin vapor-agua

- Purificacin del vapor

- Mezcla del agua de aporte y de los productos qumicos

Fig I.14.- Caldera simple que quema carbn; esquema de circulacin aire-humos;

el carbn pulverizado se sopla hacia el interior del hogar, en el que se quema en suspensin. I.-14

e, incluso, facilitan un limitado almacenamiento de agua para atender pequeos cambios instantneos

de carga de la unidad.

Las principales conexiones del caldern de vapor son:

- Las que reciben ms mezclas vapor-agua desde los tubos de caldera

- Las que evacan el vapor saturado, que suelen ser muy pocas en nmero

- Las que aaden el agua de aporte al sistema, normalmente reducidas a una dos

- Las que retoman el agua casi saturada y la llevan a la entrada de los tubos de caldera

El diagrama de control de la temperatura del vapor incluye:

a) La recirculacin parcial de los humos, bien hacia la parte baja del hogar (recirculacin de humos), o bien hacia la

parte superior del mismo (atemperacin de humos), desde el punto de toma ubicado al final del generador de vapor en el lado

de humos

b) Un ajuste adecuado del sistema de combustin, por modificacin de determinados parmetros

c) Aplicacin de vapor o de agua de baja temperatura, al flujo de vapor de alta temperatura, que se conoce como atem-

peracin de vapor; el componente ms frecuente en este caso, que es el ms extendido en la vertiente del agua, se denomina

atemperador atomizador.

En las grandes unidades termoelctricas, para el control dinmico se usa (debido a su rapidez de

respuesta), un atemperador de inyeccin directa de agua o de vapor, que est diseado para resistir el

choque trmico propio del proceso; se ubica a la entrada del sobrecalentador o entre dos secciones del

mismo, para controlar mejor y con ms seguridad la temperatura del metal tubular en la seccin de sa-

lida del sobrecalentador, que es donde el metal alcanza mayor temperatura.

Calentador de aire.- No forma parte de los circuitos agua-vapor, pero juega un papel importante en la transferencia de calor y en la eficiencia del sistema generador de vapor.

En las calderas de alta presin, la temperatura de los humos a la salida del economizador es toda-

va bastante alta, por lo que el calentador de aire recupera una gran parte de esta energa residual y la

aade al aire comburente, para ahorrar as en consumo de combustible.

Los diseos de los calentadores de aire incluyen, entre otros,

los cambiadores de calor tubulareslos de chapa los regenerativos

I.6.- SISTEMAS DE FLUJOS

Sistema del flujo agua-vapor.- Los componentes del circuito agua-vapor se disponen para la consecucin del sistema ms econmico posible, con vistas a un determinado suministro continuo de

vapor.

El sistema de circulacin del flujo (excluido el recalentador) para una unidad de circulacin natural a

presin subcrtica, con caldern, se presenta en la Fig I.15, que es la referencia para todo lo que sigue.

El agua de alimentacin llega al colector inferior A del economizador y circula en ste hacia arriba,

en sentido contrario al flujo de humos. El agua se recoge en el colector de salida B del economizador, que

tambin puede estar situado dentro del flujo de humos.

Finalmente el agua de alimentacin fluye por un determinado conjunto de tuberas (BCD), que co-

nectan el colector de salida del economizador con el caldern de vapor D.

A veces es conveniente disponer el recorrido de las tuberas (BC) a lo largo del paso de conveccin,

hasta el colector de salida del economizador, que se ubica en la parte superior de la caldera. Estos tubos

se utilizan como soportes refrigerados por vapor, para mantener el sobrecalentador horizontal y el reca-

lentador, cuando estos bancos tubulares tengan vanos demasiado grandes, para poder soportarlos slo

en sus extremos. Posteriormente, el agua de alimentacin se inyecta en el caldern de vapor D dentro del I.-15

cual se mezcla con el agua descargada por los separadores vapor-agua, antes de que entre en las cone-

xiones de los tubos bajantes (DE), hacia la parte inferior del hogar. Desde la parte baja del hogar, los tu-

bos alimentadores (EF) llevan el agua a los colectores individuales F de cada una de las paredes mem-

brana del hogar. El agua circulante asciende a continuacin por las paredes del hogar, alcanzando el co-

lector de salida G y absorbiendo en este trayecto la energa trmica necesaria para transformarse en

una mezcla vapor-agua.

Fig I.15.- Esquema de circulacin del agua-vapor en la caldera que quema carbn

Estas mezclas abandonan los colectores de salida de las paredes del hogar, por medio de los tubos

ascendentes (GD), para descargar en el caldern de vapor a travs de los separadores vapor-agua. El

equipo de separacin retorna el agua, libre de vapor, hacia las conexiones de los tubos bajantes (DE).

La humedad residual que pueda quedar en el vapor cuando sale de los separadores primarios, se eli-

mina mediante separadores secundarios. El vapor ya completamente seco sale por las conexiones de

salida (HI y HJ) en el caldern de vapor.

El conjunto de los circuitos de vapor tiene dos funciones:

- La refrigeracin del cerramiento correspondiente al paso de conveccin

- La generacin de vapor sobrecalentado, con las condiciones requeridas

El vapor seco procedente del caldern pasa a travs de mltiples conexiones hasta un colector I, que

alimenta los tubos del techo del recinto de la unidad, y alcanza tambin unos colectores J, que alimenta

el conjunto de paredes membrana del paso horizontal de conveccin.

A continuacin el vapor fluye por las paredes membrana de las paredes, hasta que alcanza los co-

lectores de salida K; el vapor procedente de los colectores K y el que viene de los colectores L de salida de

los tubos del techo, facilita la refrigeracin del cerramiento del paso vertical de conveccin (LM). Este

vapor desciende por los paneles del cerramiento y se recoge en los colectores de salida M, aguas arriba

del banco correspondiente al economizador, en el lado de los humos. Posteriormente, el vapor asciende

por el sobrecalentador primario hasta su colector de salida N, desde el cual se dirige al colector P de en-

trada al sobrecalentador secundario, por medio de tuberas de conexin equipadas con un atemperador

atomizador O. El vapor sale del sobrecalentador secundario por su colector de salida Q.

Finalmente, el vapor sobrecalentado se saca al exterior R del generador de vapor, por medio de una I.-16

tubera que atraviesa el cerramiento de la unidad y se conduce por una tubera de vapor principal hasta

las vlvulas de control y la turbina de vapor.

Sistemas de combustin y auxiliares.- En los generadores de vapor que queman carbn, la ma-yora de los componentes no integrados en el sistema de vapor y sus auxiliares, forman parte de siste-

mas

de preparacin del combustible

de la combustin

, pudindose citar los siguientes:

- Preparacin de combustible:

alimentadores pulverizadores de carbn

- Sistemas de combustin: quemadores, detectores de llama, ignitores, controles, cajas de aire, etc

- Manipulacin de aire/humos: ventiladores, conductos de aire, conductos de humo, cortatiros, sistemas de medida y

control, silenciadores, etc

- Otros componentes y auxiliares: sopladores (equipo de limpieza de superficies intercambiadoras, lado humos), equipo

de captacin y manipulacin de ceniza, equipo de control y monitorizacin

El sistema de combustin tiene una gran influencia sobre el diseo global del hogar. Los quemado-

res habituales, generalmente dispuestos en paredes, se pueden ver en la Fig I.14.

Todas las unidades modernas que queman carbn, aceite o gas, estn dotadas con quemadores

montados en paredes, aunque tambin se utilizan otros sistemas de combustin, como

- Diversos tipos de hogares mecnicos

- Hogares ciclones

- Unidades de combustin en lecho fluidificado

en los que hay que procurar

- El control de la formacin y emisin de posibles contaminantes- Una combustin completa- Manipular la ceniza contenida en el combustible

Las caractersticas del combustible juegan un papel fundamental frente a cmo se pueden cumpli-

mentar estas funciones, y en el diseo y dimensionamiento de cada componente del equipo.

Circuito del flujo de gases.- En la Fig I.14 se pueden ver algunos de los auxiliares que se identifi-can a lo largo del recorrido del flujo de aire y humo de una planta generadora de electricidad, con una cal-

dera grande que quema carbn.

El aire se suministra por un ventilador de tiro forzado A, que lo impulsa hacia el calentador de aire

B, en el que se calienta para recuperar calor y mejorar la combustin. Gran parte de ese airesecundario

(70 a 80)%, pasa directamente a las cajas de aire C desde las que se distribuye a cada uno de los quema-

dores.

El resto del aireprimario soplado por A (20 a 30)%, pasa a un ventilador que lo enva a los molinos D,

en los que el carbn se seca y pulveriza convenientemente; este aireprimario caliente transporta el car-

bn seco y pulverizado a los quemadores E neumticamente, en los que se mezcla con el airesecundario y

el carbn, para lograr una combustin completa. El carbn y el aireprimario y secundario forman una mez-

cla que se quema rpidamente en el hogar F, ascendiendo los gases de combustin hacia la parte supe-

rior del hogar. Durante esta ascensin, los humos se refrigeran fundamentalmente por radiacin hasta

que alcanzan la salida G del hogar. Posteriormente los humos cruzan el

sobrecalentador sec undariorecalentadorsobrecalentador primario economizador

, antes

de abandonar el cerramiento H del generador de vapor. Finalmente, los humos pasan a travs del calen-

tador de aire B, y de algn que otro equipo de control de contaminacin, para llegar al ventilador de tiro

inducido I, previo a su evacuacin a la atmsfera.

I.-17

I.7.- CONTROL DE EMISIONES

Un elemento bsico en el diseo de un sistema de generacin de vapor que queme combustible fsil,

lo constituye la proteccin medioambiental, existiendo un amplio campo de reglamentaciones que esta-

blecen los lmites de las emisiones primarias de gases, lquidos y slidos, que se pueden tolerar en un pro-

ceso de generacin de vapor. Para las unidades que queman carbn, aceite o gas, las emisiones principa-

les de contaminantes atmosfricos incluyen el dixido de azufre

SO2, los perxidos de nitrgeno

NOx y

las partculas slidas de polvo volante.

En la evacuacin de lquidos hay que tener presente las trazas de productos qumicos utilizados en

el control de la corrosin y del ensuciamiento, as como tambin el calor evacuado desde el condensador.

Los residuos slidos comprenden la ceniza residual del combustible y de cualquier absorbente que se

haya empleado en el sistema de control de la contaminacin. Los residuos slidos y gaseosos proceden-

tes del combustible y del proceso de combustin se minimizan actuando sobre:

- La seleccin de un combustible adecuado

- El control del proceso de combustin

- El equipo ubicado aguas abajo del generador de vapor

Las emisiones de

SO2 se pueden reducir

Utilizando combustibles con bajo contenido en SCon la combustin en lecho fluidificadoMediante lavadores o depuradores de postcombustin

Las emisiones de NOx se controlan mediante

Quemadores especiales, con baja produccin de NO x Combustin en lecho fluidificado

La ceniza volante en polvo o partculas suspendidas en el seno de los humos se retiene por medio de

un

filtro de tela o sacos

precipitador electrosttico

, con rendimientos operativos del 99%.

El equipo de recogida de partculas, as como los subproductos slidos que se generan en los depura-

dores de

SO2, se deben

verter con cuidado al medio ambienteutilizar para alguna aplicacin industrial

La descarga de productos qumicos se minimiza cuando los sistemas se disean con descarga cero.

En la Tabla I.1 se indican algunas valores de emisiones, antes y despus del control, para una uni-

dad de produccin de electricidad de 500 MW.

Tabla I.1.- Emisiones y subproductos de un generador de vapor de 500 MW que quema carbn

Potencia: 500 MW196 Tm/hora 49,4 kg/seg (Carbn bituminoso)

Subproductos: Azufre = 2,5% ; Ceniza = 16%Potencia calorfica = 28750 kJ/kg

Factor de carga = 65%

Emisiones Equipos tpicos control Sin control Sin control Con control Con controlLavador hmedo con caliza 9,3 8,4 0,9 0,8

2,9 2,6 0,9 0,7No aplicable 485 440 485 440

Polvo a atmsfera * Precipitado electrosttico o filtro de tela 22,9 20,8 0,05 0,04Descarga trmica en aguas Torre de refrigeracin, Tiro natural, Btu (MWt) 2,8 821 0 0Ceniza a vertedero * Vertido controlado 9,1 8,3 32 29Lodos de lavador, yeso+agua Vertido controlado 0 0 25 22,7

Tasa emisiones, ton/h, (t/h)

SOx medido en SO2

NOx medido en NO2

CO2 Quemador bajo NOx

109

* La reduccin en emisin de polvo se traduce en ms ceniza vertida

Las descargas de aguas se minimizan instalando sistemas de refrigeracin en circuito cerrado, con

I.-18

grandes torres de refrigeracin, para disipar en el aire el calor residual del ciclo energtico, en lugar de

emplear otras fuentes acuosas en circuito abierto; stos equipamientos se realizan en todas las plantas

energticas nuevas, sean de combustible fsil o nuclear.

I.8.- SISTEMAS NUCLEARES DE GENERACIN DE VAPOR

Los sistemas nucleares de generacin de vapor incluyen una serie de intercambiadores de calor,

recipientes a presin, bombas y componentes diversos, todos ellos altamente especializados, y utilizan

el calor generado por las reacciones de la fisin nuclear, para producir vapor con eficiencia y seguridad.

El sistema se basa en la energa liberada por los tomos de ciertos materiales, como el uranio,

cuando se fracturan o fisionan. La fisin tiene lugar cuando un ncleo de un tomo fisionable, captura

una partcula subatmica libre (neutrn); sto desequilibra las fuerzas internas que mantienen unido al

ncleo atmico, dividindose el ncleo, y produciendo tomos y un promedio de 2 a 3 neutrones, radiacin

gamma y energa trmica.

El sistema nuclear de vapor (NSS) se disea para cumplimentar una serie de funciones, que pue-

den resumirse en los puntos siguientes:- Alojar el combustible nuclear

- Controlar el rgimen de las reacciones nucleares, para lograr la produccin de la energa trmica requerida

- Estimular la fisin controlada del combustible nuclear

- Recoger el calor y generar el vapor

- Contener y almacenar de forma inocua y segura los productos formados por las reacciones nucleares

- Proveer los sistemas de emergencia necesarios para evitar la liberacin del material radiactivo hacia el medio ambien-

te, contaminacin que se puede originar lo mismo en la atmsfera que en el agua

El sistema actualmente empleado para la produccin de energa elctrica, en operacin comercial,

es el denominado reactor de agua a presin (PWR), Fig I.16.

Una diferencia fundamental entre los sistemas que funcionan por energa nuclear y por energa qu-

mica radica en la cantidad del combustible involucrado.

La energa liberada por un combustible nuclear, por unidad de masa, es de un orden de magnitud

muy superior al de un combustible fsil (energa qumica). Por ejemplo, 0,454 kg de uranio enriquecido al

3% producen la misma cantidad de energa trmica, que 45000 kg de carbn, en un sistema convencio-

nal de vapor fsil. Para una central de 500 MW de potencia elctrica, en un sistema de vapor convencio-

nal, hay que manipular aproximadamente 1.000.000 Tm/ao mientras que en una planta nuclear, slo

se precisan 10 Tm/ao de combustible nuclear.

Fig I.16.- Esquema de un reactor de agua a presin (PWR)I.-19

Fig I.17.- Esquema de un sistema nuclear de vapor. SIS (Sistema Inyeccin Seguridad)

La planta de combustible fsil se debe disear para un proceso continuo de suministro de combusti-

ble, mientras que la mayora de las plantas nucleares utilizan un mtodo de recarga de combustible, en

el que se sustituye, aproximadamente, slo un tercio del total de la carga del reactor, en perodos de in-

disponibilidad programada (paradas peridicas); una vez generado el vapor, el resto del sistema produc-

tor de energa de la planta nuclear (compuesta por turbina, condensador, sistema de refrigeracin, etc.)

es similar al utilizado en cualquier planta de combustible fsil.

Componentes del sistema nuclear de vapor NSS.- Este sistema nuclear de vapor consta de dos

circuitos de refrigeracin:

El circuito principal o primario

El circuito secundario

El circuito primario enfra el reactor, transporta el calor a dos o ms generadores de vapor, Fig I.16,

(slo uno est representado) y retorna el refrigerante hacia el reactor, por medio de cuatro o ms bom-

bas de refrigerante primario (slo se representa una).

El refrigerante es agua subenfriada y de alta pureza, que fluye en regmenes elevados:

- Entre 22,1 y 28,4 m3/seg

- Presiones del orden de 150 bar

- Temperaturas de 300C

El circuito primario cuenta con un presurizador que mantiene la presin operativa de la unidad, en

todo el circuito, en los niveles de diseo.

El circuito secundario incluye la generacin de vapor y las interfaces con el resto de la planta ener-

gtica. El agua de alta pureza, que proviene del ltimo calentador del agua de alimentacin, pasa al ge-

nerador de vapor y se convierte en vapor. Desde la salida del generador de vapor (sobrecalentado o satu-

rado), el vapor fluye hacia el exterior del edificio de contencin o zona biolgica, con direccin a la turbina

de alta presin. La presin de operacin de la turbina es del orden de 70 bar; el resto del circuito secun-

dario se asemeja a los sistemas que queman combustibles fsiles. El centro del NSS es la vasija del

reactor y la regin activa (ncleo) del reactor nuclear. El combustible, xido de uranio enriquecido entre

el 2,5% al 5%, se configura en forma de pastillas cilndricas comprimidas, por ejemplo, de 9,4 mm de di-

metro y 18 mm de longitud, que se colocan en el interior de unos tubos de Zircaloy (barras de combusti-

ble), que se sellan por ambos extremos, para proteger el combustible y contener los productos de las

reacciones nucleares; los tubos se agrupan en pequeos haces o paquetes, con los adecuados dispositi-

I.-20

vos espaciadores y de cierre, que se renen para configurar la regin activa o ncleo del reactor.

El cerramiento del reactor es un recipiente a presin, de acero de baja calidad, forrado con acero ino-

xidable para su proteccin contra la corrosin.

El resto del reactor comprende los dispositivos de distribucin de flujos, las barras de control, las es-

tructuras soporte del ncleo (regin activa), la pantalla trmica y el moderador.

En el caso del reactor PWR, el moderador es el agua que, desde el punto de vista del funcionamiento,

tiene una doble misin:

- Reduce la velocidad de los neutrones, con lo que se logra una velocidad ms idnea en las reacciones nucleares

- Acta como refrigerante, para mantener los materiales del ncleo dentro de lmites aceptables de temperatura y para

realizar el transporte de la energa trmica hacia los generadores de vapor

Las varillas de control contienen un determinado material que absorbe neutrones y se deslizan a vo-

luntad hacia el interior o el exterior del ncleo, controlando la reaccin nuclear y la generacin de energa.

Los generadores de vapor correspondientes a los NSS son de dos tipos y, para ambos, el recipiente

a presin es un intercambiador de calor de gran tamao, diseado para generar vapor como componente

del circuito secundario; pueden ser

a) De un paso, Fig I.21a b) De recirculacin, Fig I.21b

Fig I.18.- Diagrama de flujo del sistema de refrigeracin del reactor

I.-21

Fig I.19a.- Conjunto de componentes de un reactor de agua a presin (PWR)

a) Vasija del reactor; b) Generador de vapor; c) Presurizador ; d) Bomba de refrigeracin del ncleo

Fig I.19b.- Componentes de un reactor de agua a presin (PWR)

El fluido del circuito primario entra en una cmara y pasa desde ah por el interior de miles de tubos

de pequeo dimetro, del orden de 0,625= (15,9 mm), construidos con Inconel. El generador de vapor es

un gran recipiente a presin, fabricado con acero al carbono.

Una transferencia trmica efectiva, as como el evitar todo tipo de problemas derivados de las dila-

taciones trmicas y de las vibraciones inducidas por los flujos, se consigue mediante diseos especiales

que afectan a las placas tubulares, a las placas soporte o separadoras, a las protecciones y a los deflec-

tores. En el generador de vapor de un paso (OTSG), Fig I.21a, el agua del circuito secundario fluye desde

la parte inferior hacia la superior, del lado de la carcasa que encierra el haz tubular, y se convierte total-

mente en vapor sobrecalentado, de forma continua, pasando posteriormente a la turbina de AP.

En el generador de vapor de recirculacin (RSG), Fig I.21b, el agua fluye desde la parte inferior ha-

cia la superior, del lado de la carcasa que contiene el haz tubular, y se convierte parcialmente en vapor;

esta mezcla vapor-agua pasa a la parte alta de la carcasa, donde hay unos separadores vapor-agua que

proporcionan a la salida del generador de vapor, un vapor saturado seco, que se enva a la turbina de AP.I.-22

UserResaltar

El agua que sale de la parte alta de la carcasa procedente de los separadores, se mezcla con el agua de

alimentacin que procede del ciclo trmico regenerativo y se lleva a la parte inferior de la carcasa, por

debajo del haz tubular del ncleo.

El presurizador es un recipiente cilndrico a presin, que contiene agua y vapor en equilibrio. Me-diante unos sistemas de calentadores elctricos y de atomizadores, se mantiene la presin en el reci-

piente presurizador y en el circuito primario, siempre dentro de unos lmites prefijados.

Las bombas de circulacin del circuito primario mantienen altos regmenes de flujo hacia el ncleo

del reactor, para

controlar su temperatura transferir el calor hacia los generadores de vapor

Fig I.20.- Esquemas de la vasija del reactor PWR y partes internas

I.-23

Placa tubular

Entrada refrigerante reactor

Entrada hombre

Entrada hombre

Placa tubular

Entrada auxiliaragua alimentacin

Deflector superior

Salida vapor

Entrada aguaalimentacin

Deflector inferior

Salida refrigerantereactor

Entrada hombre

Tubuladura vapor

Separadores humedad

Colector aguaalimentacin

Entrada agua alimentacin

Colector purga

Tubuladura primaria Fig I.21.- a) Generador de vapor de 1 paso; b.c) Generadores de vapor de recirculacin

Fig I.22.- Mdulos con barras de control y haz de barras de combustible

Fig I.23.- Bomba de refrigeracin Fig I.24.- Presurizador

I.-24

Tambin se dispone de un determinado nmero de sistemas de apoyo como:

- De carga y presurizacin del refrigerante del reactor

- De aplicacin del agua de aporte

- De refrigeracin del almacenamiento de combustible gastado

- De evacuacin del calor producido por la desintegracin de nclidos radiactivos, cuando el reactor se retira de servicio

Hay otros sistemas especializados que protegen al reactor, en el supuesto de que se produzca un

fallo en el sistema refrigerante primario, cuya funcin es mantener la temperatura de los paquetes de

barras de combustible dentro de lmites seguros.

I.9.- CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS NUCLEARES DE VAPOR (NSS)

Existe una gran variedad de sistemas de reactores para obtener la energa trmica del combustible

nuclear, que se destina a producir vapor en plantas generadoras de electricidad. Estos sistemas se iden-

tifican por el tipo de refrigerante y moderador que utilizan.

Los principales sistemas de reactores empleados en plantas termoelctricas para generacin de

vapor, son:

- Reactor de agua presurizada (PWR).- Es el sistema ya indicado, Fig I.16,17, que utiliza, a la vez,

agua como refrigerante y como moderador, siendo el combustible xido de uranio enriquecido.

- Reactor de agua en ebullicin (BWR).- Se elimina el generador de vapor, y se produce el vapor di-

rectamente en el ncleo del reactor. En este caso, la mezcla vapor-agua es, al mismo tiempo, refrigeran-

te y moderador, siendo el combustible uranio enriquecido, Fig I.25.

Bombas de recirculacin

Agua condensada

Bombas alimentacin

Filtro

Condensador

Turbinas Alternador Ncleo del reactor

Vapor

Agua

Fig I.25.- Esquema de un reactor de agua en ebullicin (BWR)

- Reactor de agua pesada presurizada (PHWR) CANDU.- En el circuito primario se utiliza agua pe-

sada (deuterio) como moderador y refrigerante. La configuracin del reactor es muy singular, aunque el

generador de vapor se asemeja al generador de vapor de los reactores de agua presurizada (PWR); el

combustible es uranio natural (no enriquecido), Fig I.27 y 28.

- Reactor refrigerado por gas (GCR).- Se trata de un reactor moderado por grafito y refrigerado por

helio o por dixido de carbono, Fig I.29 y 30.

- Reactor reproductor (BR).- Es un sistema avanzado de reactor ya comercializado, que utiliza Na

como refrigerante y que no tiene moderador. La peculiaridad del sistema radica en su diseo especial,

para producir ms material fisionable que el que consume el reactor, Fig I.31.

I.-25

Fig I.26- Vasijas de presin del reactor BWR, mostrando el sistema de control de barras de combustible

Fig I.27.- Esquema de un reactor de agua pesada presurizada (CANDU)

Fig I.28.- Esquema del ncleo de un reactor de agua pesada presurizada (CANDU)

I.-26

Fig I.29.- Esquema de reactor refrigerado por gas

Fig I.31.- Esquema del reactor reproductor BR

Sistemas de seguridad.- La seguridad de las centrales nucleares de generacin de vapor es priori-taria, tanto en su diseo como en su construccin y funcionamiento. El objetivo de la seguridad consiste

en minimizar la probabilidad de una posible liberacin de cualquier material radiactivo hacia el medio

ambiente; para ello se utilizan:

a) Programas de control de calidad, para el diseo, construccin (fabricacin y montaje) y mantenimiento de instalacio-

nes nucleares.

b) Diseos con mltiples barreras, para prevenir cualquier emisin de materiales radiactivos, como:

* El que las barras de combustible estn selladas

* El sistema de refrigeracin del circuito primario de la vasija del reactor y del edificio de contencin que contiene

en su interior la vasija del reactor

* El escudo o envoltura de contencin del edificio, realizado con hormign armado.

c) Sistemas de seguridad tecnolgica para hacer frente a las consecuencias de una prdida del refrigerante y para mante-

ner la integridad de las barreras, como:

* Los sistemas de emergencia para la retirada de servicio (parada) del reactor, con la rpida insercin de las ba-rras de control y la aplicacin de catalizadores solubles en el refrigerante primario, cuya utilizacin ayuda a la detencin de

las reacciones nucleares

* Los sistemas de emergencia, de alta y baja presin, para la refrigeracin del ncleo, con el fin de mantener la

temperatura del ncleo del reactor dentro de lmites aceptables y de evacuar el calor del combustible en el caso de prdida to-

tal del refrigerante primario o de rotura de una tubera

* El sistema de evacuacin de calor para el agua de refrigeracin y para el edificio de contencin

*- Los sistemas de aspersin y filtrado, para recoger y eliminar trazas de radiactividad del edificio de contencin.

I.-27

Como consecuencia de las altas densidades energticas y de la enorme generacin de calor produci-

do por la desintegracin de los nclidos radiactivos, la integridad del reactor depende de que la refrigera-

cin de las barras de combustible sea continua.

I.10.- DISEO DEL SISTEMA DE VAPOR

El proceso de diseo de los sistemas bsicos de generacin de vapor, con combustible fsil y con

combustible nuclear, requiere de una serie de evaluaciones particulares, ya que tienen muchos elemen-

tos comunes. Para ilustrar el desarrollo del proceso de diseo, vamos a elegir una pequea caldera que

quema gas natural, y de la que se especifican:

- El flujo de vapor 50,5 kg/seg

- Vapor sobrecalentado a 41,4 bar y 454C

- Agua de alimentacin de alta pureza a 138C

- La combustin del gas natural produce un flujo de gases de combustin a 1980C

Para optimizar el rendimiento trmico del generador de vapor, es necesario enfriar estos gases de

combustin lo ms posible, mientras se genera el vapor.

La temperatura mnima de salida de los gases de combustin se establece mediante factores tc-

nicos y econmicos, seleccionando una tem-

peratura de salida de 154C para los humos

que van hacia la chimenea de evacuacin.

Las curvas aproximadas de las temperatu-

ras de vapor y humo se indican en la Fig I.32

y definen el proceso de transferencia trmica.

La superficie intercambiadora correspondien-

te al conjunto del hogar, (6400 m2) se consi-

dera constituida por

- El banco de caldera- El sobrecalentador - El calentador de aire

Desde el punto de vista del diseo, la caldera se podra considerar como un calentador de vapor o

como un enfriador de humos, siendo esto ltimo lo que ms se usa en el diseo.

Conocida la cantidad de combustible se efectan los clculos de combustin, que definen:- El gasto de aire necesario

- El peso de los distintos productos producidos en la combustin

configurndose la superficie intercambiadora de la forma ms econmica posible, con el fin de refrigerar

los gases hasta la temperatura necesaria

y suficiente para alcanzar el rendimiento

trmico supuesto al generador de vapor.

Las superficies intercambiadoras del gene-

rador de vapor son

el sobrecalentadorla caldera o vaporizador

La Fig I.33 indica el proceso del calenta-

miento del fluido termodinmico agua-va-

por, entre las temperaturas de entrada del

agua, de 138C, y salida del vapor, 454C;

la curva indica que:

I.-28

Fig I.32.- Curvas temperatura vapor y gases de combustin

Fig I.33.- Perfil de temperaturas (agua + vapor)

- El 20% del calor absorbido se usa para llevar el agua hasta la temperatura de saturacin, 254C

- El 60% de la energa trmica global se emplea en la vaporizacin para producir el vapor saturado a la presin requerida

- El 20% restante se destina a sobrecalentar el vapor elevando su temperatura a 454C

El combustible y el proceso de combustin seleccionados determinan la geometra del hogar. En

este ejemplo se utilizaran quemadores circulares, cuya misin es mezclar rpidamente el combustible y

el aire comburente, para producir una llama estable y una combustin completa, minimizando la for-

macin de NOx; se construyen y disponen en una serie de tamaos estndar, para minimizar su coste;

su nmero y tamao se eligen de acuerdo con la experiencia, para proporcionar el aporte calorfico de-

seado y facilitar el nivel de control de todo el equipo, en el campo de cargas a considerar.

La caja de aire distribuye el aire comburente entre los quemadores y se disea para proporcionar

un flujo uniforme de aire comburente, incluso a bajas velocidades, con el fin de que los quemadores fun-

cionen adecuadamente en todo el campo de cargas.

A continuacin se determina el volumen del hogar para que se pueda producir en el mismo una

combustin completa.

A partir de las caractersticas de la llama desarrollada por el quemador seleccionado, se determina

la separacin entre quemadores y la de stos al suelo, techo y paredes laterales del hogar; las separacio-

nes tienen que evitar el impacto de la llama de cualquier quemador en las diversas superficies del hogar,

puesto que se podra recalentar la pared tubular y provocar el fallo de los tubos afectados.

Una vez determinadas las dimensiones del hogar, el volumen se rodea mediante superficies de

paredes-membrana refrigeradas por agua.

Con esta disposicin se obtiene:

- Una construccin estanca a gases

- Un cerramiento de acero que minimiza las prdidas energticas y que reduce bastante el mantenimiento del hogar

Los tubos del techo y del suelo estn ligeramente inclinados para favorecer el flujo de agua y para

evitar que quede atrapado el vapor en su interior, ya que cualquier vapor que quedase atrapado podra

provocar el recalentamiento del metal tubular.

La transferencia de calor desde la llama hacia las superficies que conforman el hogar se produce,

fundamentalmente, por radiacin trmica, por lo que los regmenes de aporte calorfico por unidad de

rea de estas superficies de hogar son muy altos e independientes de la temperatura de las paredes tu-

bulares. El agua en ebullicin proporciona un medio efectivo para refrigerar los tubos y para mantener

la temperatura del metal tubular dentro de

unos lmites aceptables, mientras permanez-

can las condiciones de vaporizacin.

La Fig I.34 muestra la influencia que tiene el

hogar en la temperatura de los gases de com-

bustin, que, entre los puntos A y B se reduce

desde 1980C a 1316C, mientras la vaporiza-

cin en las paredes de agua tiene lugar entre

(1) y (2), por lo que se transfiere una enorme

cantidad de calor a travs de una pequea su-

perficie.

Desde el hogar, los humos pasan a travs de

los tubos que configuran la pantalla del hogar,

en donde la temperatura de los gases sufre I.-29

Fig I.34.- Esquema de temperaturas (gases de combustin y vapor)

una pequea cada de 28C, entre los puntos B y C, siendo lo ms importante la proteccin parcial del

sobrecalentador frente a la radiacin trmica del hogar. Los tubos de la pantalla del hogar estn conec-

tados al caldern de vapor y contienen agua en proceso de vaporizacin.

A continuacin los gases cruzan el sobrecalentador bajando la temperatura de ste desde 1288C a

954C entre los puntos C y D. El vapor saturado procedente del caldern recorre los tubos del sobreca-

lentador, elevando su temperatura desde la de saturacin, 254C, hasta la de sobrecalentado, 454C, re-

querida a la salida, entre los puntos (5) y (4). La colocacin del sobrecalentador y su configuracin son

fundamentales para mantener la temperatura del vapor en todo el campo de cargas. La transferencia

de calor por radiacin desde el hogar, se combina con la transferencia de calor por conveccin desde los

gases de combustin que baan la superficie intercambiadora del sobrecalentador.

Cuando los gases de combustin son sucios, como los procedentes de la combustin del carbn, el

espaciado de los tubos del sobrecalentador se tiene que ajustar para evitar la acumulacin de ceniza y

para facilitar la utilizacin del equipo de limpieza.

Tras el sobrecalentador se ha recuperado la mitad de la energa de los gases de combustin, me-

diante una pequea superficie intercambiadora (inferior a la dcima parte de la correspondiente al con-

junto del hogar), lo que resulta posible por la gran diferencia de temperaturas que existe entre los gases

de combustin y el vapor.

A partir de aqu, como la temperatura de los gases de combustin se ha reducido mucho, hay que

prever superficies intercambiadoras mucho mayores, para que se pueda recuperar la energa trmica

que todava tienen los gases de combustin. El resto del vapor se genera al pasar los humos a travs del

banco de caldera o haz vaporizador, que se compone de un gran nmero de tubos, que conectan el calde-

rn de vapor (superior) con el caldern de lodos (inferior).

La temperatura del agua en vaporizacin es constante entre (5) y (6), mientras que la temperatu-

ra de los gases de combustin cae del orden de 556C, hasta alcanzar la temperatura de salida de 404C

entre los puntos D y E.

Los tubos del banco de caldera estn distanciados el mnimo posible, para incrementar el rgimen

de transferencia trmica. Si el flujo de gases de combustin est cargado de suciedad, el espaciado de los

tubos del banco de caldera se debe seleccionar para que se:

- Lmite la erosin de los tubos del banco

- Reduzca la degradacin de la termotransferencia por suciedad

- Permita la retirada de la ceniza con los sistemas de limpieza

El espaciado entre los tubos del banco de caldera viene limitado por la cada de presin que se pueda

admitir del lado de humos a travs del banco tubular.

En el banco tubular de caldera se pueden emplear tabiques deflectores, para obligar a los gases de

combustin a tener una velocidad y direccin adecuadas, con vistas a incrementar el rgimen de trans-

ferencia trmica y reducir el tamao y coste del banco.

Para recuperar el 30% de la energa restante suministrada por los humos, el banco de caldera re-

quiere una superficie que es nueve veces la que corresponde al hogar y al sobrecalentador, igual a 9 ve-

ces la superficie de alta temperatura. En este punto del proceso, la diferencia de temperaturas entre el

vapor saturado y los gases de combustin es slo de 150C, por la diferencia entre los puntos E y (6).

El tipo y disposicin de las superficies intercambiadoras adicionales viene impuesto por limitacio-

nes econmicas y tcnicas.

Se puede utilizar un economizador refrigerado por agua, para calentar el agua de alimentacin del

ciclo, al mismo tiempo que se enfran los humos. Si la temperatura mnima de salida de los gases de I.-30

combustin fuese, tericamente, igual a la temperatura de entrada del agua de alimentacin, 138C, el

economizador debera tener una superficie infinita para lograr la transferencia en tales condiciones; si la

temperatura de los humos fuese slo de 154C, la diferencia de temperaturas en ese punto del generador

de vapor se reduce a 17C, que conduce tambin a un intercambiador relativamente grande.

En lugar de incorporar un economizador para recuperar la energa residual de los humos, se puede

utilizar un calentador de aire para precalentar el aire comburente, lo que reduce el consumo de combus-

tible en el generador de vapor; as se mejora la combustin de combustibles difciles de quemar, como es

el caso de una extensa gama de carbones.

La evaluacin de estos parmetros permite seleccionar la solucin ms econmica que cumplimen-

te los requisitos tcnicos especificados; en este caso se tomara la decisin de usar un calentador de aire

y no un economizador.

Aire comburente.- El calentador de aire se disea para tomar aire del medio ambiente a 27C, (9) y elevar su temperatura a 300C, (8), suministrndolo as a los quemadores. Al mismo tiempo que el

aire se calienta, la temperatura de los gases de combustin cae desde 404C a 154C, tal como se indica

en el tramo de E a F. Si se utilizase una temperatura de salida de humos menor de 154C, las superfi-

cies intercambiadoras seran antieconmicamente grandes.

Cuando se utilizan combustibles como los aceites o carbones, se pueden producir componentes ci-

dos en el flujo de gases de combustin, como el SO2, y si en los humos de salida del generador de vapor se

utilizan temperaturas inferiores, se puede provocar su condensacin sobre las superficies intercambia-

doras con el consiguiente dao por corrosin.

Agua de alimentacin.- Su campo de temperaturas se presenta en un intervalo comprendido en-tre 138C y la temperatura de saturacin de 254C.

Si no existe economizador, el agua de alimentacin se suministra directamente al caldern de vapor,

en el que se mezcla con el agua de circulacin que fluye por los tubos del banco de caldera y del hogar

una vez que se ha extrado de ella el vapor y se ha enviado ste al sobrecalentador. En unidades indus-

triales, el flujo del agua de circulacin es 25 veces el del agua de alimentacin, por lo que cuando el agua

de alimentacin se mezcla en el caldern de vapor, alcanza muy rpidamente una temperatura que es

casi la de saturacin, sin que se produzca una apreciable disminucin de la temperatura en el agua de

circulacin que fluye por los tubos de caldera, lo que justifica suficientemente el trazo, prcticamente

vertical (7-6).

Las partes internas del caldern de vapor se disean especialmente para que el agua, ligeramente

subenfriada, descienda por los tubos del banco de caldera, hacia el caldern inferior (caldern de lodos);

este agua se distribuye entonces entre los restantes tubos del banco de caldera (tubos ascendentes) y

los tubos del cerramiento del hogar; en todos estos tubos, el agua se convierte parcialmente en vapor

(un 4% en peso); seguidamente, la mezcla vapor-agua retorna al caldern de vapor, en el que la mezcla

pasa a travs de separadores, envindose el vapor al sobrecalentador, mientras que el agua residual se

mezcla con el agua de alimentacin y de nuevo se distribuye entre los tubos descendentes.

I.-31

II.- TRANSFORMACIONES TERMODINMICAShttp://libros.redsauce.net/

II.1- INTRODUCCIN

La Termodinmica describe y define las transformaciones de una forma energtica a otra: qumica

a trmica, trmica a mecnica y mecnica a trmica.

Se fundamenta en los principios Primera y Segunda Ley de la Termodinmica siguientes:

- El principio de Conservacin de la Energa

- Slo parte de la energa disponible puede pasar a energa til o trabajo

que aparecen como consecuencia del desarrollo de la mquina de vapor y de los esfuerzos para formular

las observaciones de conversin del calor del vapor en trabajo mecnico.

Independientemente del tipo de trabajo o forma energtica que se considere, los conceptos calor,

trabajo y energa tienen significado prctico cuando se refieren a sistemas, procesos, ciclos y sus medios

exteriores. En el caso de un trabajo de expansin, el sistema est constituido por un fluido que se puede

expansionar o comprimir modificando su presin y temperatura.

Un ciclo es una determinada secuencia de procesos, capaz de producir un flujo neto de calor o de

trabajo, cuando la secuencia se dispone entre una fuente energtica y un sumidero de energa.El medio exterior rene todas las fuentes y sumideros de energa que puedan existir, para procurar

los intercambios de masa, calor y trabajo, hacia o desde el sistema.

El vapor es un sistema termodinmico, que se utiliza en la

generaci n de energ a elctrica transferencia trmica

, y tiene las

siguientes caractersticas:

- Elevada capacidad trmica

- Temperatura crtica muy elevada

- Amplia disponibilidad

- Naturaleza no txica

Cuando la capacidad trmica de un fluido de trabajo es elevada, se puede aplicar siempre una de-

terminada potencia o transferencia de calor, con equipos de tamao ms reducido. La gama de tempe-

raturas tiles del agua, y su elevado calor especfico, satisfacen las necesidades de muchos procesos in-

dustriales y las limitaciones de temperatura que presentan la prctica totalidad de los equipos de con-

versin energtica.II.-33

II.2.- PROPIEDADES DE LOS VAPORES Y GASES

Propiedades de los vapores.- Para analizar un proceso, o un ciclo, se necesitan propiedades del fluido de trabajo, como la entalpa, entropa y volumen especfico.

- La entalpa es una medida de la energa interna almacenada, por unidad de masa del flujo de vapor

- La entropa es una medida del potencial termodinmico de un sistema

- El volumen especfico es el volumen por unidad de masa del fluido

Las dos primeras columnas de las Tablas de vapor de agua definen una relacin biunvoca entre

presin y temperatura, en condiciones de saturacin, en las que ambas fases, lquida y gaseosa, coexis-

ten siempre en equilibrio termodinmico.

Para una presin determinada, el vapor calentado a mayor temperatura que la de saturacin es el

vapor sobrecalentado y el agua enfriada a menor temperatura que la de saturacin es agua subenfriada

En condiciones de sobrecalentamiento o de subenfriamiento, las propiedades del fluido termodinmi-

co (entalpa, entropa y volumen especfico) son funcin de la temperatura y de la presin. Sin embargo,

en condiciones saturadas en las que coexisten las mezclas de agua y vapor, la situacin es ms comple-

ja; para definir las propiedades exactas se requiere otro parmetro que se conoce como calidad termodi-

nmica de equilibrio, o ttulo x, que se define como el tanto por uno en peso de vapor saturado en la mez-

cla lquido-vapor, es decir:

x =

mvmv + ml

siendo: mv la masa de vapor saturado

ml la masa de agua

La entalpa i de la mezcla (vapor hmedo), su entropa s y su volumen especfico v se pueden calcu-

lar conocido el ttulo x, por las ecuaciones:

i = il + x ( iv - il )

s = sl + x ( sv - sl )

v = vl + x (vv- vl )

Los problemas de Ingeniera se plantean sobre diferencias de entalpa o entropa. Las Tablas de va-

por de agua indican un cero arbitrario de referencia para la energa interna y para la entropa, el punto

triple, correspondiente a la temperatura de 0,01C y presin de vapor 0,6112 kPa. En el punto triple

coexisten en equilibrio los tres estados (slido, lquido y vapor).

Propiedades de los gases.- El aire es un fluido de trabajo muy comn en algunos ciclos termodi-nmicos y se precisan del mismo unas propiedades bien definidas y fiables para analizar los procesos y

los ciclos. El aire y otros muchos gases utilizados en aplicaciones de ciclos energticos, se consideran

como gases ideales que cumplen la ley fundamental de los gases perfectos:

p v = R T

en la que p y T son la presin y temperatura absoluta del gas, y R es una constante propia del gas de

que se trate; para el aire seco, R = 0,287 kJ/kgK.

La ley de los gases perfectos se utiliza para realizar un primer anlisis aproximado del proceso o del

ciclo de que se trate, ya que implica clculos simples. Los clculos finales, ms precisos, se realizan uti-

lizando propiedades tabuladas de los gases.

II.-34

II.3.- CONSERVACIN DE MASA Y ENERGA

Los diferentes procesos termodinmicos vienen regulados por las leyes de conservacin de la masa y de la energa, con excepcin de las reacciones nucleares; las leyes de conservacin establecen que la

masa total y la energa total (en cualquiera de sus formas) no se pueden crear ni destruir en un proceso.

Fig II.1.- Balance energtico en un sistema

Para un sistema energtico de flujo abierto, en el que continuamente entra y sale masa, Fig II.2, es-

tas leyes se expresan en la forma:

- Conservacin de la masa:

m1- m2= m

- Conservacin de la energa: E2 - E1 + E(t) = Q - T

en las que:

m es el flujo de masa, y m es la variacin de la masa del sistemaE es la energa total fluyendo hacia o desde el procesoE(t) es la variacin de energa almacenada en el sistemaQ es el calor que entra o sale del sistemaT es el trabajo que sale o entra en el sistema (1) y (2) son las condiciones de entrada y salida, respectivamente

En rgimen estacionario, los parmetros m y E(t) son iguales a cero.

Los trminos

E2- E1 + E(t), representan la energa almacenada, que entra o sale del sistema como

parte del flujo msico, y la acumulacin de energa total almacenada dentro del sistema.

El trmino Q es el calor transferido al sistema y el trmino T el trabajo desarrollado por el mismo.Los componentes de la energa almacenada representada por el trmino E son las energas interna,

cintica y potencial.

En un sistema abierto, se necesita un trabajo para mover la masa hacia el sistema, y un trabajo

realizado por el sistema para mover la masa hacia el exterior; el trabajo total es el producto de la masa

por la presin del sistema y por el volumen especfico.

Si se separa este trabajo de los dems realizados por el sistema y se subdivide la energa almace-

nada, la conservacin de la energa se expresa por la expresin:

m2 ( u + p v +

c 22 gc

)2 - m1 (u + p v + c2

2 gc)1+ E ( t ) = Q - Tk

siendo: u la energa interna almacenada

p la presin del sistema

v el volumen especfico

c la velocidad del fluido

z la cota

Tk la suma de los trabajos realizados por el sistema

II.-35

Los trminos de trabajo asociados al movimiento msico de entrada y salida del sistema (p v) se

han agrupado con la energa almacenada que cruza la frontera del sistema, (trabajo de circulacin); to-

dos los dems trabajos realizados por el sistema se representan por el trmino Tk.Para los procesos en rgimen estacionario, la ecuacin de la energa anterior se puede simplificar

ms; en este supuesto, en un intervalo de tiempo dado, la masa que entra es igual a la que sale del siste-

ma, por lo que la ecuacin precedente se puede dividir por

m2 por

m1 (que son iguales) obtenindose un

balance entre la energa almacenada, debida a los flujos de entrada y salida, y los trminos de calor y

trabajo, referidos a la unidad de masa; en este caso, el trmino de energa almacenada es cero y la con-

servacin de la energa, se puede expresar en la forma:

u + p v( ) + c

2

2gc + ( z

ggc

) = q - wk

en la que cada trmino es la variacin de las propiedades del fluido entre la entrada y la salida.

- El valor de u es la variacin de energa interna almacenada, asociada a los movimientos y fuerzas atmicas y mole-culares. La energa interna comprende todas las formas energticas, con excepcin de la cintica y de la potencial

- El trmino (pv) se puede interpretar como la energa almacenada externamente, en la que se refleja el trabajo reque-

rido para mover la unidad de masa saliendo del sistema y entrando al mismo

- Los restantes trminos de energa almacenada externamente dependen de los aspectos fsicos del sistema

El trmino (

c 2

2 g) es la diferencia de la energa cintica total del fluido, entre la entrada y salida del sistema

El trmino (

z g

g c) representa la variacin de la energa potencial, (diferencia de cotas)

- La aceleracin de la gravedad g = 9,8 m/seg2

- La constante de proporcionalidad gc es propia del sistema anglosajn de unidades, y cuyo valor se obtiene de la equi-

valencia entre fuerza y el producto de la masa por la aceleracin, es decir: Fuerza = Masa Aceleracin

gcEn el sistema ingls de unidades, cuando se ejerce 1 libra fuerza (1 lbf), sobre 1 libra masa (1 lbm), sta se acelera

32,17 ft/seg2.

En el sistema internacional SI de unidades, la fuerza de 1 N sobre 1 kg masa (1 kgm), la acelera en 1 m/seg2, por lo que

los valores de gc son:

gc = 32,17 lbm ft/lbf seg2

gc = 1 Kgm/N seg2

y el trmino de energa potencial en el sistema internacional de unidades SI

se puede poner como (z g).

La aplicacin de la ecuacin de la energa requiere siempre de una congruencia dimensional en todos

sus trminos, de modo que se deben introducir las constantes de conversin; por ejemplo, los trminos u

y q se expresan normalmente en unidades Btu/lb o J/kg, pero se pueden convertir respectivamente en

(ft.lb/lb) (N.m/kg), multiplicando por el equivalente mecnico del calor J de valor:

J = 778,16 ft.lbf /BtuJ = 1 N m/J

En el anlisis de las mquinas de vapor, las cantidades de calor se definen como positivas cuando se

aplican al sistema y el trabajo es positivo cuando sale del sistema. Como u y pv son propiedades del sis-

tema, tambin es propiedad del sistema su suma (u + p v) que se presenta cuando la masa entra o sale

del mismo y se define como entalpa

i = u + p vJ

, que se expresa usualmente en Btu/lb o J/kg.

II.4.- ALGUNAS APLICACIONES DE LA ECUACIN DE LA ENERGA

Turbina de vapor.- Para aplicar la ecuacin de la energa, cada componente se considera como un sistema independiente, Fig II.2. En la mayora de los casos prcticos de turbinas de vapor, los valores de

II.-36

q, z, ( c

2

2gc) , entre los puntos de admisin (1) y escape (2) de la mquina, son muy pequeos en com-

paracin con el valor de la diferencia

(i2 - i1 ) , por lo que, en consecuencia, se puede poner:

u2 + p2v2

J u1

p1v1J

= wkJ

i2 - i1 = wkJ

que indica que, el trabajo realizado por la turbina

wkJ

, es la diferencia entre las entalpas correspondien-

tes al vapor entrante y saliente en la misma, (trabajo de circulacin), aunque es muy raro que se conoz-

can ambos valores de la entalpa y de ah que se requieran ms datos del proceso, para as llegar a su

determinacin.

Caldera de vapor.- La caldera o generador de vapor no realiza trabajo alguno, cualquiera que sea

el caso considerado, de modo que

wk= 0 .

Los valores correspondientes a las variaciones de energa potencial z y cintica ( c

2

2gc) , desde la

entrada (1) del agua de alimentacin hasta la salida (2) de vapor son muy pequeos, comparados con

la diferencia

(i2 - i1 ) .

La ecuacin de la energa, en rgimen estacionario, es

q = i2- i1, en la que el calor aplicado a la cal-

dera q por unidad de masa de fluido, es igual a la diferencia entre la entalpa

i2 del vapor que sale de la

misma y la

i1 del agua de alimentacin que entra en el generador de vapor.

Si se asume que la presin vara muy poco a lo largo de la transformacin en toda la unidad genera-

dora de vapor, y se conoce la presin del caldern, la ecuacin anterior se resuelve en cuanto se conozca

la temperatura del agua de alimentacin a la entrada de la caldera.

Flujo a travs de un orificio.- En el caso de un flujo de agua a travs de un orificio, la variacin del volumen especfico entre la entrada y salida del mismo resulta despreciable, como consecuencia de la

prctica incompresibilidad del agua; tambin son despreciables

z, u, wk y q, y la ecuacin de la ener-

ga se reduce a la expresin:

c22

2gc -

c12

2gc = ( p1- p2 ) v

en la que el incremento de energ