RESEÑA HISTÓRICA Y ORIGEN DEL CICLO

Las turbinas a vapor y su origen• La primera turbina a vapor de la cual se tiene constatación histórica es la

turbina de Herón“, la cual data del año 175 A.C..• La siguiente turbina de vapor aparece en 1629, cuando Giovanni Brance

experimento con una rueda de agua modificada, dirigiéndole un chorro de vapor. La rueda giro, pero no tuvo la suficiente potencia como para producir trabajo útil.

• Hasta finales del siglo XIX, no se encontró ninguna aplicación practica a la turbina de vapor, y por lo tanto el desarrollo tecnológico de las mismas fue nulo, sin embargo, es a finales del siglo XIX cuando comienza la verdadera historia de las turbinas de vapor.

• El primero en encontrar un aprovechamiento a la turbina de vapor fue el inventor sueco De Laval (1845 - 1913), quien patento un desnatador centrifugo impulsado por una turbina de vapor de acción de una sola etapa. El desarrollo definitivo de la aplicación industrial de las turbinas de vapor se dio en la ultima década del siglo XIX, cuando el ingeniero ingles Charles Parsons desarrollo la turbina de vapor de reacción de varios escalonamientos, como motor marino apropiado para impulsar barcos de gran tonelaje, así el "Turbinia", fletado en 1895, fue el primer barco dotado de turbina de vapor. Casi simultáneamente , en EEUU, Charles G. Curtis, ideo para General Electric los alternadores accionados con turbinas de vapor.

El ciclo de Carnot.Conjuntamente al desarrollo de turbinas de vapor para ser utilizadas como fuente de potencia mecánica se fueron desarrollando los ciclos termodinamicos que rigen a estas maquinas, uno de los primeros ciclos propuestos fue el “ciclo de carnot". Nicolas Leonard Sadi Carnot definió en 1824 las características de su maquina ideal.Esta máquina ideal trabaja según un ciclo de cuatro etapas, dando lugar al llamado ciclo de Carnot:

El ciclo ideal de Rankine

William John Macquorn Rankine en 1859 publica el “Manual of Steam Engine”, en el que realiza importantes contribuciones a la termodinámica estableciendo el ciclo que lleva su nombre para el funcionamiento de las maquinas de vapor, e ideando la escala de temperaturas Rankine.

El ciclo propuesto contaba con 4 etapas o evoluciones, las cuales son descritas a continuación:Proceso 1-2: Expansión isoentropica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador.Proceso 2-3: Transmisión de calor desde el fluido de trabajo al refrigerante a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido saturado.Proceso 3-4: Compresión isoentropica en la bomba. En el se aumenta la presión del fluido mediante un compresor o bomba, al que se le aporta un determinado trabajo.Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.Existe la posibilidad de sobrecalentar" el fluido mas allá de la línea de saturación (1'), cuya importancia será discutida posteriormente.Como se puede ver este es un ciclo idealizado, pues se considera que las evoluciones son internamente reversibles, en la practica esto no es posible pues tenemos distintas irreversibilidades y perdidas, lo que se refleja en que los procesos 1-2 y 3-4 no son isoentropica.El rendimiento de este ciclo se puede calcular como = Wobtenido/Qentregado

EL CICLO REAL DE RANKINE

Mientras que en ciclo ideal no se consideraban ni las perdidas por transmisión de calor, ni las perdidas de carga en los conductos, en el ciclo real si que se deben considerar, además de tener en cuenta que las expansiones y compresiones no son isoentropicas.

Las principales irreversibilidades del ciclo son las siguientes:• Expansión 1-2 (turbina) no isoentrópica.• Compresión 3-4 (bomba) no isoentrópica.• Pérdidas de presión en el condensador y la caldera.Estas irreversibilidades llevan a una disminución del rendimiento del ciclo (al orden de un 30 %).

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Centrales Térmicas de Vapor

Una central termoeléctrica o central térmica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. Contribuye al efecto invernadero, pues libera dióxido de carbono.

Centrales termoeléctricas de ciclo convencional

Se llaman centrales clásicas o de ciclo convencional a aquellas centrales térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo (aceite) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental.A continuación se muestra el diagrama de funcionamiento de una central térmica de carbón de ciclo convencional:

Diagrama de una central térmica de carbón de ciclo convencional

ANTECEDENTES HISTÓRICOS EN EL PERU

En la década de los 50´s se instalan las primeras unidades de las Centrales Térmicas a Vapor que aún están operativas en nuestro sistema, luego han venido entrando otras unidades en diferentes etapas quedando finalmente ahora como se indica a continuación:

Central Térmica Chilina con 03 unidades de 4, 8 y 10 MW.

Central Térmica Ilo 1 con 04 unidades: 2x22 MWc/u y 2x66 MW c/u.

Central Térmica San Nicolás, con 3 unidades: 18.7, 17.1 y 25.9 MW.

Todas estas unidades operan con petróleo residual y están basadas en Ciclo Rankine Regenerativo.

En la década de los 90´se instaló la Central Térmica a Vapor ILO 21 que es la única que opera en Ciclo Regenerativo y con Recalentamiento y utiliza carbón mineral como combustible. Actualmente está conformada por una unidad de 135 MW.

Igualmente existen operando en los ingenios azucareros (Pomalca, Tumán, Pucalá, Cayaltí, Casa Grande, Cartavio, Laredo y Paramonga), varias unidades a vapor que operan como plantas de ciclo de cogeneración produciendo calor y electricidad para sus procesos industriales. Algunas de estas centrales están aisladas del SINAC por operar en 50 HZ. La capacidad total de estas unidades a vapor totalizan aproximadamente 90 MW.

FOTOS DE CENTRALES TÉRMICAS A VAPOR

C.T. CHILINA (Arequipa) C.T. ILO 21 (Ilo)

C.T. SAN NICOLÁS (Marcona)

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PLANTA DE VAPOR DE

ALCOHOL ETÍLICO (CICLO RANKINE), APROVECHANDO

ENERGÍA SOLAR”(TESIS DE MIZAEL ZAVALA SÁNCHEZ)

I

HIPÓTESIS

CENTRALES TERMOSOLARES

ELEMENTOSDEL PROTOTIPO

EQUIPO COMPLETO

ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO

RESULTADOS Y CONCLUSIONES• Cuando se utiliza como fuente principal de calor el sol, se debe contar con un diseño

muy eficiente en el captador de dicho calor, ya que de lo contrario no se logrará efectuar la transferencia de calor suficiente al fluido de trabajo y como consecuencia no se tendrá generación de vapor.

• Al trabajar con alcohol etílico (alcohol del 96°) como fluido de trabajo, el tiempo que se tarda en generar vapor, es mucho menor que con agua.

• La turbina-generador, puede ser accionada al menos con 0.3 Kg/cm2 de presión.• El tiempo que tarda la caldera en evaporizar el alcohol etílico varía de acuerdo a la

estación en que se esté.• La bomba vence fácilmente la presión con la que trabaja la caldera (0.3Kg/cm2), y

así logra llevar fácilmente el alcohol hasta la caldera.• En cuanto al condensador pudimos deducir que el condensador-recipiente es más

eficiente que el condensador-ventilador.• Todas las pruebas se realizaron con una presión de 0.3 Kg/cm2, pero con una

presión mayor se esperaría un mejor funcionamiento de la turbina y aumento de la• potencia producida.• Se obtuvo una corriente de 0.15 amperes y un voltaje de 4 volts en el generador-

turbina, con una presión de 0.3 Kg/cm2 y así logrando una potencia eléctrica generada de 0.60 watts.

OBJETIVO

• Diseñar y construir un prototipo de una planta de Ciclo Rankine, capaz de utilizar alcohol etílico como fluido de trabajo aprovechando la energía solar como fuente de calor.

RESUMEN

• Se diseñó y construyó un prototipo de una planta de Ciclo Rankine, capaz de utilizar alcohol etílico como fluido de trabajo, con la principal característica de producir vapor con energía solar.

• Este prototipo es un diseño de una central termosolar, algunos tipos de ellas en el mundo son utilizadas en la generación de electricidad y cuidado ambiental.

• Como el prototipo utiliza alcohol etílico como fluido de trabajo, se diseñó y construyó cada uno de los elementos con materiales apropiados para soportar el contacto con este fluido.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO

DELINGENIO “SANTA ANA”

RESUMEN

Hace algunos años, el Ingenio Santa Ana utilizaba directamente para sus procesos, agua proveniente del río Guacalate, en ese entonces utilizaba una serie de filtros de arena y coladores para poder limpiar el agua que se extraía de dicho río, no obstante, no se lograba el objetivo con totalidad. Este equipo funciona con un sistema que condensa el vapor que ya fue utilizado en el turbogenerador, generando un vacío que es necesario para su buen funcionamiento. Esta condensación se logra al hacer pasar agua fría por un serpentín que hace contacto directo con el vapor utilizado. Por esta razón, es de mucha importancia tener limpio este serpentín. Con el anterior sistema de suministro de agua, provocaba la obstrucción de este serpentín y era necesaria la limpieza de éste cada semana. Para un mejor funcionamiento de este condensador, se necesitaba un flujo constante de agua sin suciedad, esto se lograba mediante una torre de enfriamiento, el cual hace circular agua limpia a través del sistema del turbo condensador.

Proceso de producción de azúcar

• Son dispositivos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. El proceso es económico comparado con otros equipos de enfriamiento como los intercambiadores de calor donde el enfriamiento es a través de una pared. En la transmisión de calor por conducción, el agua caliente y el aire seco intercambian calor al entrar en contacto y como resultado se evapora una porción del agua debido a la diferencia de presiones.

Torre de enfriamiento

objetivos

• GeneralOptimizar la condensación de vapor, a través de conservar constante la temperatura del agua que re-circula en el condensador y la presión de vacío en el hotwell, y así mismo, mejorar la producción de energía eléctrica.

• Específicos1. Especificar la operación correcta de la torre de enfriamiento.2. Proporcionar material técnico para efectuar un mantenimiento correcto de los equipos que componen la torre de enfriamiento para un mejor desempeño.3. Comparar la eficiencia térmica del ciclo Rankine en cuestión, con la tabla publicada por la Comisión Nacional de la Electricidad de México (CONAE), referente a tecnologías de cogeneración.4. Demostrar teóricamente los beneficios obtenidos al haber implementado la torre de enfriamiento al ciclo Rankine, de la cual es parte la unidad de 25 MW.

VentajasVentajas operativas del equipo

• La ventaja que tiene este tipo de torre es que el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco, lográndose un máximo rendimiento.

• El motor de movimiento del eje de los ventiladores está ubicado fuera del sistema en sí, es decir, no tiene contacto directo con la corriente de aire húmedo que circula dentro de la misma, protegiéndolo así de un corto circuito que se podría provocar por el ambiente húmedo que se mantiene en el sistema.

• La empaquetadura que utiliza este tipo de torres está diseñada para que el área de contacto de aire-agua sea más amplia, beneficiando así la transferencia de calor.

• Los eliminadores de rocío que contienen este tipo de torres, evita que gotas de agua que son arrastradas por el flujo de aire se pierda.

Ventajas ambientales

• Se puede mencionar entre otras ventajas que tienen los sistemas evaporativos como son las torres de enfriamiento, es la gran cantidad de agua limpia que se reintegra a la atmósfera como consecuencia de la evaporación.

• Con este sistema el agua caliente proveniente de un proceso industrial se recircula nuevamente en el interior de la torre, evitando así verter esta agua a ríos, lagos o mares como habitualmente se hacía. Esta práctica provocaba que las especies acuáticas que vivían en estos sumideros se extinguieran totalmente.

COMPARACIÓN DEL CICLO RANKINE QUE OPERA CON UN TURBO GENERADOR DE 25 MW ANTES Y DESPUÉS DE UTILIZAR LA TORRE

DE ENFRIAMIENTO

Trabajo de turbina:• El trabajo interno de la

turbina está dado por el flujo de vapor que sale de cada extracción multiplicado por la diferencia de entalpías entre la entrada y la salida de la extracción.

Trabajo de bombas• Se calcula ahora el trabajo

realizado por las bombas; el valor calculado se debe dividir entre la eficiencia de las bombas, pues en la realidad el trabajo realizado por la bomba no es un proceso adiabático. Calor suministrado

• El calor suministrado por el generador de vapor está dado como la diferencia de la entalpía a la entrada y la salida.

Rendimiento térmico del ciclo

Razón por kilovatio• Está dado por la cantidad de kilovatios que se

generan por cada libra de vapor que se produce en la caldera. Entonces, la razón de vapor por kilovatio generado va a estar dada como el cociente entre el flujo de vapor que se expansiona en la turbina y la energía eléctrica que se produce con esta cantidad de vapor.

ANÁLISIS DE RESULTADOS:

• Razón de libras de vapor consumidas por kilovatio generado antes de la implementación de la torre de enfriamiento. RVantes= 10.8 lbvap/Kw.

• Razón de libras de vapor consumidas por kilovatio generado después de la implementación de la torre de enfriamiento.RVdespués= 9.88 lbvap/Kw.

• Ahorro de libras de vapor por kilovatio.RVahorro = RVantes – RvdespuésRVahorro = 10.8-9.88RVahorro = 0.92 lbvap/Kw.

CONCLUSIONES

• La torre de enfriamiento transfiere al ambiente el calor que extrae del agua que re-circula en el condensador, y envía de regreso agua fría a una temperatura constante. Esto permite que la condensación del vapor se realice a la misma temperatura, y se mantenga constante el valor de 27 “Hg de presión de vacío en el hotwell; al mejorar la condensación de vapor en el condensador, se beneficia grandemente la producción de energía eléctrica.

• La correcta operación de la torre de enfriamiento genera grandes beneficios al proceso, como es un menor consumo de combustible en la caldera, una mejor operación del condensador y de la turbina, y un mayor aprovechamiento del vapor generado, que se traduce en el aumento del rendimiento térmico del ciclo.

• Con base en el análisis termodinámico efectuado sobre el ciclo regenerativo de la unidad de 25 MW, se pudo determinar que el rendimiento térmico del ciclo es del 52%, valor similar a lo publicado por la CONAE (52%), lo que indica que el sistema convierte correctamente la energía del vapor en energía mecánica para la generación de energía eléctrica.

• La razón de libras de vapor consumidas por kilovatio generado disminuye con la operación de la torre de enfriamiento operando dentro del proceso, de un valor estimado de 10.8 a 9.88, que sugiere un aumento en la eficiencia del ciclo comparada con la operación anterior, donde se utilizaba agua de enfriamiento proveniente del río Guacalate para la re-circulación dentro del condensador