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Las bombas de agua de alimentación al tren de generación de vapor sonbombas de alta presión, capaces de elevar ésta por encima de 120 bar.Como el vapor generado en el evaporadorpuede alcanzar los 100 bares de presión es

necesario que las bombas levanten algo más,para poder introducirlo en la caldera.Además, tienen que vencer la resistencia queo recen los precalentadores de alta presión !el economizador, además de las tuber"as,válvulas ! accesorios del circuito.

Como puede verse en la #gura, se tratageneralmente de bombas multietapa, !a queen una sola etapa ser"a complicado conseguirelevar tanto la presión con un buen rendimiento.

$l caudal que deben suministrar es variable. %ara una central termosolar de&0 '( de potencia eléctrica, los caudales )abituales rondan los && *g+s deagua suministrada por estas bombas, caudal que transportará losapro imadamente 1-0 '( térmicos necesarios para producir en elturbogenerador &0 '( eléctricos. La variación del caudal se realiza convariadores electrónicos de recuencia, que act an sobre la velocidad de girode la bomba.

/ombas de condensado

$l agua condensada es bombeada con la a!uda de las bombas decondensado a un tanque pulmón de alimentación del tren de generación devapor llamado tanque de agua alimentación. Las bombas empleadas debeaumentar la presión del agua lo su#ciente como para alcanzar el tanque deagua de alimentación, situado a gran altura, ! para superar la pérdida decarga que produce atravesar diversos equipos.

$stas bombas tienen la di#cultad de que aspiran el agua con poca presión)idrostática debida a la escasa di erencia de altura entre el pozo ! la bomba,por lo que es necesario dise ar alg n sistema que permita crear unapeque a presión )idrostática en la entrada a las bombas su#ciente para quela aspiración en ese punto ! su consiguiente ba ada de presión no provoquela vaporización del uido 3 enómeno per udicial para las bombas conocidocomo cavitación4. %or ello, las bombas o bien se instalan dentro de osos que

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se encuentran a un nivel in erior al del suelo, o bien seutiliza una bomba vertical cu!o rodete va situado en elinterior de un tubo enterrado, donde se provoca dic)apresión )idrostática

$l agua bombeada debe atravesar a)ora unosprecalentadores situados entre el tanque de agua dealimentación ! las propias bombas. 5u unción eselevar la temperatura del agua )asta unos 100 6C,utilizando como uido cale actor vapor e tra"do de laturbina de ba a presión. $stos precalentadores son

generalmente intercambiadores carcasa tubo, sin mezcla directa entre elvapor cale actor ! el condensado.

Caldera

7na caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor ocalentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a ladel ambiente ! presión ma!or que la atmos érica.

A la combinación de una caldera ! un sobrecalentador se le conoce comogenerador de vapor .

$l principio básico de uncionamiento de las calderas consiste en una cámaradonde se produce la combustión, con la a!uda del aire comburente ! através de una super#cie de intercambio se realiza la trans erencia de calor.

La estructura real de una caldera dependerá del tipo, no obstante, de ormagenerar podemos describir las siguientes partes8

• Quemador: sirve para quemar el combustible.

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• Hogar: alberga el quemador en su interior ! en su interior se realiza lacombustión del combustible utilizado ! la generación de los gasescalientes.

• Tubos de intercambio de calor: el u o de calor desde los gases)asta el agua se e ect a a través de su super#cie. 9ambién en ella segenerar las burbu as de vapor.

• Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas deagua liquida con los gases a n calientes, antes de alimentarla a la caldera.

• Chimenea: es la v"a de escape de los )umos ! gases de combustióndespués de )aber cedido calor al uido.

• Carcasa: contiene el )ogar ! el sistema de tubos de intercambio decalor.

Turbina7na turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna,donde a partir de la energ"a aportada por un combustible se produce energ"amecánica ! se genera una importante cantidad de calor en orma de gasescalientes ! con un alto porcenta e de o "geno.

Figura 2 8 :lu os en una turbina de gas.$l ciclo térmico que representa esta máquina es el ciclo /ra!ton. La máquinasigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el uido que

pasa a través de ella. $l aire es aspirado de la atmós era ! comprimido paradespués pasar a la cámara de combustión, donde se mezcla con elcombustible ! se produce la ignición. Los gases calientes, producto de lacombustión, u!en a través de la turbina. All" se e pansionan ! mueven ele e, que acciona el compresor de la turbina ! el alternador.

)ac"a tiempo en otros pa"ses.

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;. %A<9$5 %<=>C=%AL$5 ?$ LA 97</=>A ?$ @A5.Los principales elementos de la turbina de gas son cinco8 la admisión de aire,el compresor, la cámara de combustión, la turbina de e pansión ! el rotor. Acontinuación se detallan las principales caracter"sticas de cada uno de estoselementos.

Figura 9 8 9urbina de gas. %artes principales.;.1 Admisión de aire$l sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesariospara que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas depresión, temperatura ! limpieza. %ara ello cuenta con #ltros de varios tipos,

que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire ! deuna serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para acilitar queentre a la turbina la ma!or cantidad posible de masa de aire.;.2 Compresor de aireLa unción del compresor es elevar la presión del aire de combustión 3unavez #ltrado4 antes que entre en la cámara de combustión, en una relaciónque var"a seg n la turbina pero que normalmente está comprendida entre1081 ! ;081. $sta compresión se realiza en varias etapas ! consumeapro imadamente las 2+- partes del traba o producido por la turbina.$l control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando elángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. Ama!or ángulo, ma!or cantidad de aire de entrada al compresor, ! por tanto,a la turbina. $ste método se usa para me orar el comportamiento a cargaparcial de la turbina de gas, como se verá más adelante.7na parte del aire del compresor se utiliza para re rigeración de álabes ! dela cámara de combustión, de orma que apro imadamente un &0B de lamasa de aire es usado para este #n.

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;.- Cámara de combustión$n ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible

unto con el aire. $sta combustión a presión obliga a que el combustible seaintroducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre 1 ! &0 bar.

?ebido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión !para no reducir demasiado la vida til de los elementos componentes de lacámara, se traba a con un e ceso de aire alto, utilizando del -00 al ;00B delaire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir latemperatura de llama ! por otro re rigerar las partes más calientes de lacámara. %arte del aire que procede del compresor, se dirige directamente)acia las paredes de la cámara de combustión para mantener sutemperatura en valores convenientemente ba os. Dtra parte se )ace circularpor el interior de los álabes de la turbina, saliendo por ori#cios en los bordesque crean una pel"cula sobre la super#cie de los álabes

;.; 9urbina de e pansión$n la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energ"a contenida enlos gases de combustión, en orma de presión ! temperatura elevada3entalp"a4, a potencia mecánica 3en orma de rotación de un e e4. Como se )aindicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbidadirectamente por el compresor.

Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200E1;006C ! unapresión de 10 a -0 bar., salen a unos ;&0E 006C. $sa alta temperatura )ace

que la energ"a que contienen puedaser aprovec)ada bien para me orar elrendimiento de la turbina 3con unsistema conocido como<$@$>$<AC=F>, que consiste enutilizar estos gases para calentaradicionalmente la mezcla en lacámara de combustión4 o bien, comoes más )abitual, para generar vaporen una caldera de recuperación. $se

vapor posteriormente se introduce enuna turbina de vapor consiguiéndoseun aumento del rendimiento global

igual o incluso superior al &&B 3el rendimiento de la turbina de gas es de -0E-&B4.

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7n intercambiador de calor es un dispositivo dise ado para trans erircalor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que seencuentren en contacto. 5on parte esencial de los dispositivos decale acción , re rigeración , acondicionamiento de aire , producción de energ"a ! procesamiento qu"mico.

7n intercambiador t"pico es el radiador del motor de un automóvil , en el queel uido caloportador , calentado por la acción del motor, se en r"a por la

corriente de aire que u!e sobre él !, a su vez, reduce la temperatura delmotor volviendo a circular en el interior del mismo.

Los intercambiadores de calor pueden clasi#carse seg n como sea8

=ntercambiador de contacto indirecto alternativo, por rueda de inercia.

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• Intercambiadores de contacto directo: sonaquellos dispositivos en los que los uidossu ren una mezcla "sica completa.

• Intercambiadores de contacto indirecto:

1. Alternativos: ambos uidos recorren un mismoespacio de orma alternada, la mezcla entre los

uidos es despreciable.

2. De superfcie: son equipos en los que latrans erencia de calor se realiza a través de una

super#cie, cil"ndrica o plana, sin permitir el contacto directo.

$ isten dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto

• los cambiadores de u o paralelo 3intercambio l"quido E l"quido4• los cambiadores de u o cruzado 3intercambio l"quido E gas4

Clasi caci!n de los intercambiadores de calor de super cie

"ntercambiadores de calor tubulares$l cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricosconsta de dos tuber"as concéntricas, una en el interior de la otra, circulandolos dos uidos por el espacio anular ! por la tuber"a interior. Los u os

pueden ser en el mismo sentido 3corrientes paralelas4 o en sentido contrario3contracorriente4.

Transmisi!n de calor por conducci!nLa conducción es la orma en que tiene lugar la trans erencia de energ"a aescala molecular. Cuando las moléculas absorben energ"a térmica vibran sindesplazarse, aumentando la amplitud de la vibración con orme aumenta elnivel de energ"a. $sta vibración se transmite de unas moléculas a otras sinque tenga lugar movimiento alguno de traslación. $n la transmisión de calorpor conducción no )a! movimiento de materia. La conducción es el métodomás )abitual de transmisión de calor en procesos decalentamiento+en riamiento de materiales sólidos opacos. 5i e iste unagradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión decalor desde la zona de alta temperatura )acia la que está a temperatura másba a. $l u o de calor será proporcional al gradiente de temperatura.

Transmisi!n de calor por convecci!n

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Cuando un uido circula alrededor de un sólido, por e emplo por el interior deuna tuber"a, si e iste una di erencia de temperatura entre ambos, tiene lugarun intercambio de calor entre ellos. $sta transmisión de calor se debe almecanismo de convección. $l calentamiento ! en riamiento de gases !l"quidos son los e emplos más

)abituales de transmisión de calor porconvección. ?ependiendo de si el u odel uido es provocado arti#cialmenteo no, se distinguen dos tipos8 orzada! libre 3también llamada natural 4. Laconvección orzada implica el uso dealg n medio mecánico, como unabomba o un ventilador , para provocarel movimiento del uido. Ambosmecanismos pueden provocar unmovimiento laminar o turbulento del

uido.

C"C#$S %& '$T&(C") %& *)'$+

$l vapor es el uido de traba o más empleado en los ciclos de potencia devapor gracias a sus numerosas venta as, como ba o costo, disponibilidad !alta entalp"a de vaporización. Dtros uidos de traba o inclu!en al sodio, elpotasio ! el mercurio en aplicaciones de alta temperatura. $l ob etivoprincipal de una planta de potencia de vapor es producir energ"a eléctrica.$l ciclo de Carnot no es un modelo adecuado para los ciclos de potencia devapor porque no se puede alcanzar en la práctica. $l ciclo modelo para losciclos de potencia de vapor es el ciclo <an*ine.

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$l ciclo <an*ine es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. $lciclo ideal <an*ine, :igura 2.2G, no inclu!e ninguna irreversibilidad interna !está compuesto por los siguientes cuatro procesos reversibles8

-2 Compresi!n isoentr!pica en una bomba.

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2-/ )dici!n de calor apresi!nconstante en una caldera.

/-0 &1pansi!n isoentr!pica en unaturbina.

0- +echa3o de calor a presi!nconstante en un condensador.

)(4#"S"S %& &(&+56) %&# C"C#$ "%&)# +)(,"(&

Los componentes del ciclo <an*ine 3bomba, caldera, turbina ! condensador4son dispositivos de u o estacionario. Los cambios en la energ"a cinética !potencial del vapor suelen ser peque os respecto de los términos de traba o

! de trans erencia de calor !, por consiguiente, casi siempre se ignoran. %orlo tanto, se aplican las ecuaciones 2. 2 ! 2. - que corresponden a laecuación de conservación de la masa ! a la de conservación de la energ"apara u o estacionario.'ara la caldera:

'ara la turbina:

'ara el condensador:

'ara la bomba:

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%or ser el proceso en la bomba, adiabático reversible, se puede utilizar laecuación 2.120, resultando sencilla la integración !a que el volumenespec"#co del uido en una bomba, se puede considerar constante. 5eescoge como volumen espec"#co el volumen del l"quido saturado a la

entrada de la bomba8

C"C#$ %& '$T&(C") %& *)'$+ +&)#

$n el ciclo real se consideran las irreversibilidades en diversos componentes.La ricción del uido ! las pérdidas de calor indeseables )acia los alrededoresson las dos uentes más comunes de irreversibilidades.

?e particular importancia son las irreversibilidades que suceden dentro de labomba ! la turbina. 7na bomba requiere una entrada de traba o ma!or, !una turbina produce una salida de traba o más peque a como consecuenciade las irreversibilidades. $n condiciones ideales, el u o por estosdispositivos es isoentrópico. La desviación de las bombas ! turbinas realesde las isoentrópicas se compensa e actamente empleando efcienciasadiabáticas, de#nidas como

'ara la bomba

'ara la turbina

?onde los estados 1r ! -r son los estados de salida reales de la bomba ! laturbina respectivamente, 1i ! -i son los estados correspondientes para elcaso isoentrópico. :igura 2.2H.

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&F"C"&(C") T&+7"C) %&# C"C#$

La e#ciencia térmica del ciclo es la e#ciencia para una máquina térmica

Laboratorio de %lantas @eneradoras de Iapor

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'.A. Jumei 'ata Ki

>&

$duardo 'arcelo 5ánc)ez @utiérrez

1;HG; G

:ebrero 201