UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO
PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
CÁTEDRA: CONVERSION DE ENERGIA
TEMA 4
PLANTAS DE FUERZA
ING. CARACCIOLO GÓMEZ
PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR
Definición:
Son instalaciones térmicas donde se transforma la energía en forma
de calor en trabajo.
Características:
La principal característica de estas instalaciones, es la
producción de energía eléctrica, a partir de la combustión de
carbón, fuel-oil, gas natural entre otros; en una caldera
diseñada al efecto. Para producir vapor a partir del agua que
circula por una red de tubos en la caldera, Este vapor hace
girar los alabes cuyo eje rotor gira unido a un generador para
producir energía eléctrica. El vapor se enfría en un
condensador, convirtiéndose otra vez en agua que vuelve a la
caldera, para comenzar un nuevo ciclo.
PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR
PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR
Esquema de las Plantas de Fuerza:
Las plantas de fuerza se constituyen de una serie de sistemas esenciales
tanto para los procesos, como para los equipos que lo conforman.
1) Sistema de abastecimiento de Agua:
Para las plantas de vapor, el principal fluido de trabajo es agua, bien
sea para la generación de vapor o para los procesos de enfriamiento.
Las principales fuentes de abastecimiento de agua son: Océanos, ríos,
estanques, reservorios, aguas tratadas entre otros, La selección del
tipo de abastecimiento dependerá de las características geográficas y
ambientales, en las cuales trabaja la planta.
PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR
Fuente de abastecimiento
SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA
Descripción:
El agua como se encuentra en la naturaleza no es apta para su
empleo como agua de alimentación para las calderas y
sistemas de enfriamiento. Pero se puede usar después de un
tratamiento adecuado, es decir evitar los depósitos de lodos e
incrustaciones en la superficie interior de la caldera.
La forma de expresar la concentración de impurezas es en términos
de partes en peso del constituyente por millón de partes del
agua (ppm)
SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA
El tratamiento más apropiado y económicamente justificable
depende de las características del suministro de agua.
Entre los tipos de tratamientos tenemos:

Eliminación de sólidos suspendidos.

Tratamiento químico para eliminación de dureza.

Eliminación de dureza por intercambio cationico.

Desmineralización por eliminación completa de los sólidos disueltos.

Evaporación.
SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA
DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS PARA EL
ABASTECIMIENTO DE AGUA
Bombas:
Son dispositivos mecánicos, que ceden energía al fluido de trabajo
para incrementar la presión del mismo. Se utilizan para llevar o
impulsar el agua hacia la caldera.
DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS PARA EL
ABASTECIMIENTO DE AGUA
Tanque de Agua:
Son contenedores metálicos, que se encargan del almacenaje del
agua tratada, que será suministrada hacia la caldera.
SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR
Objetivo:
Tiene por objetivo suministrar tanta energía, al fluido de
trabajo (agua), para la obtención de vapor.
Generadores de vapor:
Son
unidades que se utilizan para colocar
disponibilidad
de
combustible (fuel-oil,
un
fluido,
carbón,
el
gas)
calor
y
a
de
un
todos
los
elementos necesarios para transferir tanto calor como
sea comercialmente factible.
SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR
Accesorios de los Generadores de vapor:
El generador de vapor, consiste de una caldera o
hervidor, un hogar y puede incluir equipos de
recuperación de calor como: Sobrecalentadotes,
Sistema de Tiro, Economizadores, Precalentadores
de Aire, Sistema de refrigeración de agua por aire y
agua por agua.
Generadores de vapor.
Caldera o Hervidor:
Área donde se transfiere calor al agua para transformarlo en vapor.
Clasificación:
Las calderas generalmente son clasificadas en dos (2) grandes grupos,
destacando que de hacer un análisis más riguroso este número puede
aumentar:
 Tubos de Humo o Pirotubulares.
 Tubo de agua o Acuotubulares.
Generadores de vapor.
Clasificación:
 Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares: En esta caldera circulan
los gases calientes de la combustión a través de los tubos y el líquido del
cual se desea obtener vapor circula en la parte exterior de los mismos.
Generadores de vapor.
Clasificación:
 Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:
Generadores de vapor.
Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:
Tipos:
 Tubos Horizontales
 Tubos Verticales
 De Barco
 De Locomotora
 Compactas
Ventajas:
 Costos Relativamente bajos.
 Ocupa poco espacio
 Facilidad de transporte
Generadores de vapor.
Calderas de Tubos de Humo o Pirotubulares:
Desventajas:
 Lenta circulación
 Contenido de agua pequeño en relación a la producción de vapor.
 Debe operarse con precaución para evitar explosiones
Generadores de vapor.
Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares: En esta caldera el líquido
del cual se desea obtener vapor circula a través de una gran cantidad de
tubos y rodeando a estos se encuentra los gases calientes de combustión.
Generadores de vapor.
Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares:
Tipos:
 Tubos Rectos
 Tubos Doblados
Tubos Rectos (Ventajas)
 Son simples, idénticos y fáciles de quitar
 Facilidad de mantenimiento por métodos mecánicos
 Mayor área de trasmisión de calor a una altura dada
 Puede tener varios tambores
Generadores de vapor.
Calderas de Tubo de agua o Acuotubulares:
Tubos Doblados (Ventajas)
 Mayor economía, en cuanto a fabricación, debido a soldaduras, aceros
mejorados y nuevas técnicas de fabricación.
 Mayor accesibilidad, para inspección, limpieza y mantenimiento.
 Adaptabilidad para operar a mayores tasas de evaporación y producir vapor
mas seco.
Desventajas de las Calderas Acutubulares:
 Es de difícil realizar mantenimiento por lo incomodo el acceso a la zona de
convección.
 Mantenimiento más costoso.
 El coeficiente de evaporación está estrechamente limitado por la circulación
interna.
 La superficie limitada para la liberación de vapor, dificulta la separación correcta
del aguay el vapor durante los consumos altos.
 Para su instalación requieren de una extensa área de terreno.
 Su montaje con puesta en servicio pueden tomarse de uno a dos años.
Generadores de vapor.
Caldera unitaria de tubos de agua; paso único del gas
Caldera de tipo de dos domos diseñada para quemar carbón pulverizado
Generadores de vapor.
Caldera radiante de circulación
natural, alimentación con
combustoleo y gas; 4200000 lb
(1900t) de vapor por h; presión de
2600 lb/pulg2 (183 kgf/cm2); 1005
ºF (540 ºC) de temperatura del
vapor; recalentado
Generadores de vapor.
Generadores de vapor.
Generadores de vapor.
Generadores de vapor.
1.2 Componentes de un Generador de Vapor:
 Hogar: Área donde se quema el combustible y se generan los gases
calientes de la combustión.
Fuente de calor
Tubos de
Enfriamiento
Pared
Refractaria
Están
ubicados
frente a una pared
refractaria ordinaria,
la cual protegen
parcialmente y de la
cual
los
tubos
reciben
calor
reflejado y radiante.
Generadores de vapor.
HOGARES
Generalidades:
El hogar de una unidad generadora de vapor, tiene como finalidad
proporcionar:
•
•
•
•
•
Un lugar para que funcione los quemadores y para alimentar el aire.
Un lugar para que se complete el proceso de combustión.
Los medios para utilizar, tan completamente como sea posible, la
energía dentro del mismo.
Una salida para descargar los productos de la combustión.
El medio para eliminar los residuos.
Generadores de vapor.
HOGARES
Las consideraciones principales que influyen en el diseño de un hogar:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
La clase, condición, preparación y características del combustible.
Las propiedades de las cenizas o escorias que puedan formarse.
Las cargas normales, mínimas y máximas que se mantendrán y sus
respectivas duraciones.
El tamaño y la relación del hogar respecto a la caldera.
El tipo de parrilla o quemadores a usarse y el método de encendido.
El coeficiente de exceso de aire que se desea usar.
El arrastre permisible de carbón en las cenizas volantes y los depósitos.
Los costos iniciales.
Los costos de operación.
Generadores de vapor.
SOBRECALENTADORES

Definición: Consisten de tubos a través de los cuales se hace pasar
vapor saturado que sale del tambor para que se calienten con los gases
de escapes que pasan sobre su superficie.

Objetivo: La función de un sobrecalentador es levantar la temperatura
del vapor por encima de su temperatura de saturación con la menor
caída de presión posible.
TIPS: Por cada 100 ºF de aumento de la temperatura de sobrecalentamiento se logra un
3% dedisminuciónenelconsumoespecíficodecalordelacaldera.
Generadores de vapor.
SOBRECALENTADORES
Tipos de Sobrecalentadores:


Separados: requieren de una mampostería especial, espacio adicional y
atención frecuente.
Integrales: se instalan dentro de la mampostería del generador de
vapor, no requieren atención especial y son los que generalmente se
usan en centrales termoeléctricas.


Los sobrecalentadores integrales se dividen en dos grandes grupos: de
convección y de radiación.
Por Convección
Por Radiación

Combinado o Compensado
Generadores de vapor.
SOBRECALENTADORES
Tipos de Sobrecalentadores:
Por Convección.
Generadores de vapor.
SOBRECALENTADORES
Tipos de Sobrecalentadores:
Radiación.
Generadores de vapor.
SOBRECALENTADORES
Tipos de Sobrecalentadores:
Combinado.
Equipos de Recuperación de Calor
La recuperación de calor de los gases que
salen de un generador de vapor, puede
efectuarse por medio de unos
intercambiadores de calor llamados
economizadores o precalentadores de
aire o ambos en combinación.
Equipos de Recuperación de Calor
ECONOMIZADOR

Definición: Este elemento consiste de tubos que se colocan en la
trayectoria de los gases de escape y a través de los cuales se hace
pasar el agua de alimentación en camino hacia la caldera.

Función: el calor recuperado reduce la cantidad requerida de
combustible para convertir el agua de alimentación en vapor, aumentado
así la eficiencia de la unidad.

PRECALENTADORES
Con la introducción del calentamiento regenerativo del agua de
alimentación por medio de vapor extraído de varias etapas de la turbina,
se redujo la efectividad del economizador, y los gases salían a la
chimenea a más alta temperatura. Por eso, a veces se añaden
precalentadores de aire con el objeto de recuperar parte del calor que se
hubiera perdido de otra manera.
Equipos de Recuperación de Calor

PRECALENTADORES
Función: En tales aparatos el aire que se usa para la combustión se
calienta por contacto con las paredes de tubos o laminas. El calor así
devuelto al hogar reduce la cantidad de combustible quemado.
Ventajas y desventajas de los economizadores y precalentadores de aire:
 La ganancia térmica con su resultante elevación de la curva de
rendimiento y ahorro en combustible.
 El aplanamiento de la curva de rendimiento en la región de altas
capacidades o la posibilidad de las calderas y hogares de
trabajar a mayores capacidades manteniendo un alto
rendimiento.
 Proveen una reserva de suministro de agua caliente para hacer
frente a fluctuaciones de demanda o fuertes demandas
repentinas.
 Protegen a la caldera de recibir agua fría.
Equipos de Recuperación de Calor
Desventajas:
 Impiden el flujo de productos de combustión y disminuyen su
temperatura de la cual depende el tiro natural. Esto obliga a la
instalación de tiro mecánico con su consecuente costo inicial
extra, espacio necesario, costo de potencia absorbida, atención y
mantenimiento.
 Corrosión que puede ocurrir si los gases se enfrían debajo del
punto de roció de los vapores de acido sulfúrico con contenido en
los mismos.
 Costo extra del equipo, mantenimiento y reemplazo.
Equipos de Recuperación de Calor
Tipos de Economizadores: En la práctica moderna de centrales
termoeléctricas se usan dos tipos principales de economizadores: El
integral y el unitario.
Integral:
Equipos de Recuperación de Calor
Unitario.
Equipos de Recuperación de Calor
Clasificación
de
los
Precalentadores:
Los
precalentadores de aire se clasifican en dos grandes grupos:
recuperativos y regenerativos.
Recuperativos:
Equipos de Recuperación de Calor
Clasificación
de
los
Precalentadores:
Los
precalentadores de aire se clasifican en dos grandes grupos:
recuperativos y regenerativos.
Regenerativos:
Sistema de Tiro
Tiro (Definición): Tiro es la diferencia en la presión absoluta del
gas en cualquier punto dado de un conducto y la de la atmósfera a la
misma cota (altura).
Función: Esta consiste esencialmente en suministrar la energía necesaria para
mantener el flujo requerido de aire y gas a través del sistema. Esta energía puede
provenir de los ventiladores o los gases calientes de la chimenea.
Aparatos para producir Tiro: Estos se constituyen en gran variedad de
formas entre las cuales hay que seleccionar las apropiadas para cada
planta particular. Para tiro natural se emplean las chimeneas y para tiro
mecánico, los ventiladores de tiro forzado y lo de tiro inducido, según se
trate de suministrar aire para la combustión o extraer los gases de
escape, respectivamente.
Sistema de Tiro
Tipos

Naturales
Sistema de Tiro
Tipos

Tiro Forzado (Ventiladores): Cualquier aparato que produce una
corriente de aire, se podría llamar ventilador. Un ventilador consiste en
una rueda o impulsor giratorio rodeado de una envolvente estática o
carcasa. En los ventiladores se comunica energía al gas trasegado
mediante el impulsor o rodete, con lo cual se crea una diferencia de
presión y se produce una corriente de gas.
Sistema de Tiro
Ventiladores



Clasificación: Una de las características para clasificar un ventilador es
la naturaleza del flujo por los conductos de las paletas del impulsor.
De tipo axial (de hélice, tubo-axial, deflector axial),
De flujo radial o centrífugos,

De flujo mixto y de flujo transver
Sistema de Tiro
Ventiladores


Clasificación:
De tipo axial (de hélice, tubo-axial, deflector axial)
Sistema de Tiro
Ventiladores


Clasificación:
De flujo radial o centrífugos.
Turbomaquinas
Definición: El papel de la turbina de vapor consiste en transformar
en energía mecánica la energía contenida en el vapor de agua bajo la
forma de energía térmica y de energía de presión la suma de estas dos
formas de energía, expresada en kilocalorías por kilogramo de fluido, se
caracteriza por la entalpía del vapor, función de la presión y de la
temperatura.
El principio de funcionamiento de las turbomáquinas se basa en la
interacción entre un rotor o impulsor que está constituido por álabes (fijos
y/o móviles), y un fluido específico (compresible o incompresible).
Tipos
 Turbomáquinas Hidráulicas
 Turbinas Térmicas
Turbomaquinas
TURBINA HIDRAULICA
Turbomaquinas
TURBINAS KAPLAN
Turbomaquinas
TURBINA PELTON
Turbomaquinas
Turbina Pelton
Turbomaquinas
Turbina de Vapor
Turbomaquinas

Turbinas de Gas
Turbomaquinas

Turbinas de Gas
Turbomaquinas
SISTEMA DE COMBUSTIBLE
Definición:
Su función es suministrar combustible al quemador (Fuel oil, carbón, gas
natural), para producir vapor, que es el medio utilizado para generar
calor y transformar el agua de la caldera en vapor.
Quemador:
S función es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire al sistema, de
manera de asegurar el encendido rápido y la combustión completa.
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
Función:
Se utiliza con la finalidad de disminuir la temperatura del fluido de trabajo y
refrigeración de los equipos.
Condensador:
Es un intercambiador de calor, que utiliza agua fría (de una corriente natural o
enfriada por una torre de enfriamiento) para enfriar y condensar el vapor
de escape de la turbina.
Tipos:
 Superficie
 Mezcla
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
Condensador Eyector
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
Tipos de Condensadores:


Superficie: El agua fría circula por tubos y el vapor por el exterior de los
tubos (mayor área de transmisión de calor). El diseño busca minimizar las
pérdidas de carga debidas al paso del vapor y aprovechar el intercambio
entre el liquido ya condensado y el vapor. Parte del vapor puede utilizarse
para volver a calentar el condensado a la salida, creando así un poco de
regeneración ( el agua que retorna a la caldera esta menos fría que lo
estaba al condensar).
Mezcla: Cuando, aparte de la turbina, hay otros usos del vapor que hacen
necesario reponer una cantidad sustancial de agua, pueden utilizarse
condensadores de mezcla, en los que el vapor condensa por contacto con
el agua fría.
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
CONDENSADORES
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
Torre de Enfriamiento:
Tiene como finalidad enfriar una corriente de agua por
vaporización parcial de esta con el siguiente
intercambio de calor sensible y latente de una corriente
de aire seco y frió que circula por el mismo aparato.
Pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque
se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo
de operación también reducido.
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GUÍA TEMA Nº4