CAPITULO II

Introduccin.2

2.1.- Generalidades y clasificacin de las calderas...................................3

2.2.- Sistema de alimentacin y quemado de combustible..7

2.3.- Produccin y caractersticas del vapor9

2.4.- Turbinas de vapor, clasificacin y caractersticas de diseo.......................10

2.5.- Ciclos trmicos con calderas y turbinas.....11

2.6.- Sistemas de recuperacin de condensado y torres de enfriamiento.11

2.7.- Sistemas y equipos de tratamiento de agua..13

Conclusiones.15

NDICE

2

Desde componentes diminutos pero nada insignificantes como las vlvulas de

presin y termmetros baromtricos una central trmica hasta los componentes

gigantescos que llegan a medir varios metros como el caso de las turbinas, es digna

de detenerse a su estudio detallado y cronolgico.

Ya que resulta beneficioso por las variadas ventajas que pueden ofrecer el conocer

el diagrama esquematizado y conexiones de una central trmica no solo por sus

recompensas monetarias que se obtienen en post produccin sino tambin de

manera relevante llama atencin de estudiosos ingenieros elctricos, mecnicos y

electromecnicos la manera singular de sus formas de actuacin o de trabajo es

decir al momento de entrar en accin.

Por ello en esta obra se encuentra una recopilacin y depuracin de informacin

fundamentada de libros de texto escritos por autores de renombre y otras

aportaciones de empresas fabricantes de modelos especficos de los diversos

componentes que enseguida se escudriarn y revisaran minuciosamente

utilizando ejemplos de centrales con componentes fabricados dentro y fuera del

pas.

INTRODUCCIN.

3

Tcnicamente se concibe como caldera a un recipiente en el que se lleva a cabo la

calefaccin del agua para ser convertida en vapor, por extensiones, se conoce

tambin con este nombre a todos los componentes auxiliares en conjunto como el

hogar llamado as al lugar donde se quema el combustible para producir el calor

necesario, los conductos de humo de combustin, los economizadores de agua de

alimentacin, los recalentadores de vapor, etc. Es decir que en trminos propios,

recibe el nombre de caldera todo el sistema de presin en el que el agua se

transforma en vapor, como producto final, por cesin de calor de una fuente a una

temperatura mucho ms alta.

Muchas veces se reserva el nombre de caldera cuando la presin del vapor es baja

y se denomina generador de vapor, si el funcionamiento se efecta a altas

presiones de vapor. Si el dispositivo utiliza gases o humos de combustin

producidos en un hogar independiente se denomina caldera de recuperacin y

finalmente cuando se utiliza para calentar otro fluido (generalmente agua o vapor a

presin), lleva el nombre de cambiador de calor o, tambin el de intercambiador de

calor. La parte central de una caldera es el almacn de combustin denominada

hogar (fig. 2.1)

Figura 2.1 Interior de la caldera (hogar)

CLASIFICACION DE LAS CALDERAS

Se mencionan solo las ms tpicas y sencillas tcnicamente hablando:

Calderas sin circulacin de agua

El tipo industrial ms primitivo es la caldera cilndrica simple. Progresivamente, las

empresas constructoras aadieron superficies de calefaccin complementarias,

consistentes en tubos servidores de gran dimetro unidos al cuerpo principal por

tubos huecos.

2.1.- GENERALIDADES Y CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS.

4

Posteriormente, y siempre para aumentar la superficie de calefaccin, aparecieron

las calderas pirotubulares o de tubos de humos, los cuales atravesaban el deposito

principal (figura 2.2). Con estas calderas los caudales no pasaban de 3 a 4

toneladas por hora y la presin estaba limitada casi siempre a unos 8 kg/cm2; el

rendimiento industrial no pasaba de 0.6 a 0.65 por causa de mala combustin

producida por la carga a mano y la ausencia de economizador.

Figura 2.2 Caldera del tipo pirotubular

Calderas con circulacin natural

En un sistema calentado, la circulacin natural se debe a una diferencia de dos

columnas de lquido de las que una, ms ligera, tiende, a elevarse, mientras que la

ms pesada tiende a descender. Esta diferencia de peso puede resultar de una

diferencia de temperatura, la ms caliente siendo la ms ligera. Pero en este caso,

la velocidad de circulacin es pequea porque la diferencia de densidad de ambas

columnas permanece moderada.

El agua de alimentacin fra entra en un caldern colocado longitudinalmente sobre

la furnte de calor. El agua fra baja por una tubera de circulacin por la parte trasera

a unos tubos inclinados que son calentados. Segn aumenta la temperatura de

agua y hierve, su densidad disminuye haciendo que circule el agua caliente y el

vapor por las tuberas inclinadas de la tubera de circulacin delantera entrando de

nuevo al calderin y dentro de este las burbujas de vapor se separan del agua

produciendo vapor para la planta sus capacidades tpicas abarcan desde 2250 kg/h

a 36000 kg/h.

5

Figura 2.3 Caldera tpica con tubos inclinados

Calderas con circulacin controlada.

Tienen el mismo funcionamiento y casi los mismo mecanismos de

accionamiento y proteccin pero con la variante de que utilizan una bomba para

incrementar gradualmente o en caso contrario la circulacin de agua vapor y es la

bomba de circulacin la que determina las caractersticas tcnicas especficas de

la caldera.

Calderas con circulacin forzada.

Utiliza un depsito auxiliar de agua para accionar el generador de vapor como una

caldera del prrafo anterior basndose en un arranque momentneo. Entre los ms

utilizados son los siguientes:

Generador de vapor Benson.

Generador monotubular de vapor Sulzer.

Las calderas de circulacin forzada se denominan tambin calderas de circuito

abierto por el hecho de que el agua solamente efecta un paso entre su entrada,

en un extremo de los haces tubulares, y su salida en forma de vapor, por el otro

extremo. Pueden emplearse tanto a presiones inferiores a la presin crtica

(alrededor de 230 kg/cm2), como a presiones superiores a sta. Pero generalmente

no se utilizan para presiones menores a 80 kg/cm2.

6

Figura 2.4 corte vertical de un generador de vapor Sulzer monotubular.

Presin del vapor: 95 kg/cm2

Potencia de vaporizacin: 125 tonelada/ horas

Temperatura de vapor recalentado: 520 C.

Calderas especiales

Las calderas pueden ser de construccin especial aunque utilizando combustibles

clsicos, por que resultan de una concepcin particular a permitir ciertas

condiciones de funcionamiento, sea del lado de agua, sea en la parte relacionada

con la combustin. Otras veces estn previstas para quemar combustibles

especiales y su disposicin constructiva debe adaptarse a las especiales

caractersticas de estos combustibles.

Para centrales un poco ms sofisticadas y complejas se recomienda la instalacin

de estos modelos singulares de calderas entre los que se mencionarn enseguida.

Calderas de doble circulacin

Generadores de vapor sobre alimentados

Calderas para ciclos binarios

Cambiadores vaporizadores para centrales nucleares.

7

Figura 2.5 Bosquejo vertical de una caldera de doble circulacin.

1. Alimentador secundario

2. Colector de entrada del recalentador

3. Colector intermedio del calentador

4. Colector de salida del recalentador

5. Bajadas de alimentacin de la seccin primaria de radiacin

6. Bajadas exteriores de alimentacin de la seccin secundaria

7. Purga continua

8. Calentador de aire

9. Registros de regulacin de recalentado.

10. Seccin primaria de carga elevada

11. Seccin secundaria de pequea carga.

El transporte de combustible slido (por lo general carbn) a las centrales, se

realiza casi siempre por va navegable o por va frrea. Si la central est situada

sobre un muelle martimo, resulta posible disponer de torres de descarga, que

pasan directamente el carbn a los depsitos de almacenamiento de la central.

Segn las condiciones de cada caso.

Desde el depsito, se conduce el fuel oil a la sala de calderas, por medio de

oleoductos, dispuestos de tal manera que, en caso de ruptura, no se inunde de

combustible el stano de la central. En el interior de la sala de calderas, antes de

llevarlo a los quemadores, se hace pasar el fuel oil por un calentador cerrado, en el

que alcanza la temperatura de unos 120 C. La cantidad de combustible

suministrado a cada caldera, se mide con un contador, para comprobar el

rendimiento por unidad.

2.2.- SISTEMA DE ALIMENTACIN Y QUEMADO DE COMBUSTIBLE.

8

El gas natural no necesita depsitos y, por lo tanto, el equipo auxiliar para

almacenamiento y transporte es ms econmico que el necesario para el fuel oil, y

mucho ms econmico todava que el del carbn.

El gas natural, procedente de la compaa suministradora, llega por un gasoducto

a una caseta de contadores, terminando en un colector desde donde se toman dos

ramales horizontales con llaves de paso, reguladores y equipo conector en cada

ramal, generalmente trabaja un solo ramal, se lleva la tubera general bajo el suelo

de la sala, derivando ramales con orificios de aforo para cada caldera, desde donde

pasan a los mecheros o quemadores.

Los hogares se clasifican en dos tipos generales:

Hogares de carga manual

Constituido por una parrilla fija, cubierta constantemente de combustible, que se va

reponiendo manualmente a medida que se consume.

Hogares mecnicos

Constituido por la parrilla y un dispositivo alimentador de combustible accionado

por un motor elctrico y aparte de no necesitar mano de obra presentan las

siguientes ventajas frente a los hogares de carga manual:

1. Posibilidad de emplear combustibles de baja calidad, de forma econmica

2. Adaptacin fcil y segura a las condiciones de funcionamiento de la caldera

3. Combustin mucho mejor

4. Disminucin de las prdidas de calor en el hogar y en la chimenea

5. Produccin de humos mucho menor

Y se subdividen segn el modo de alimentacin:

De parrilla mvil

De alimentacin superior

De proyeccin

De alimentacin inferior

Se utilizan para el calentamiento previo del aire de combustin, recuperando parte

del calor de los gases que van a la chimenea, es decir los gases de escape,

presentan modelos como:

Calentadores tubulares

Calentadores de placas

Calentadores regenerativos

9

Sus ventajas principales son:

Conservacin de la energa

Quemar con xito los combustibles de baja calidad

Aumento de rendimiento

Aumento de la capacidad

Mejor combustin

Figura 2.6 Hogar mecnico para combustibles bajos en cenizas y bajo nivel de

fusin

La cantidad necesaria para transformar en vapor saturado seco (sin agua), bajo

determinadas condiciones de temperatura y de presin, a 1 kg de agua, se

denomina calor total de vaporizacin, que consta de dos sumandos: el calor de

dilatacin, necesario para elevar la temperatura del lquido a su punto de ebullicin,

y el calor latente de vaporizacin que no produce ningn aumento de temperatura

sino que se invierte en el trabajo molecular del cambio de estado.

2.3.- PRODUCCIN Y CARACTERSTICAS DEL VAPOR

10

Figura 2.7 Condensador de agua- vapor.

Para comprender la importancia que tiene la presin del vapor en el funcionamiento

de una caldera, vamos a recordar unos conceptos sobre las propiedades del vapor

de agua. A la presin 1 atmosfera, el vapor comienza a formarse a unos 100 C y,

por lo tanto, a esta temperatura su sobrepresin es nula. Si se contina

comunicando calor al agua, aumenta la sobrepresin y la temperatura del vapor.

Al recalentarse, el vapor aumenta de volumen y se comprimen las condensaciones,

que tantas perdidas de calor ocasionan; adems el rendimiento de las maquinas

motrices es tanto mejor cuanto mayor sea el grado de recalentamiento del vapor.

Las turbinas se clasifican de acuerdo a la presin del vapor son de baja, mediana

y alta poseen una serie de aspas montadas en la flecha motriz, el vapor es desviado

por las aspas por lo que se produce un poderoso par o momento de torsin. Las

aspas estn hechas de un acero especial para que soporten la alta temperatura y

las intensas fuerzas centrifugas, las turbinas de baja, mediana y alta presin estn

acopladas juntas para propulsar un generador comn. Sin embargo en algunas

instalaciones grandes esta disposicin no se cumple ya que cada tipo de turbina

impulsa a un generador de acuerdo a su capacidad

La eleccin de las caractersticas del vapor vivo se ha guiado por el deseo de

realizar una instalacin tena econmica como fuera posible que, presentara un alto

grado de seguridad. Estas caractersticas son:

Salida del recalentador primario..540 C y 150 kg/cm2

Salida del recalentador secundario.540 C y 40 kg/cm2

2.4.- TURBINAS DE VAPOR, CLASIFICACIN Y CARACTERSTICAS

DE DISEO.

11

Figura 2.8 Turbina trmica.

Como una central trmica de vapor tiene tanto mejor rendimiento cuanto ms frio

est el vapor de escape, a la salida de la turbina, el vapor se hace pasar por un

condensador que nos es ms que un dispositivo de refrigeracin donde el vapor se

condensa y se transforma nuevamente en agua; la condensacin se realiza

introduciendo agua fra a presin en el condensador, a la que se obliga a circular

por unos serpentines de refrigeracin esta se obtiene de dos formas; de un deposito

natural (rio o embalse) al que vuelve ya caliente despus de haber recorrido el

serpentn y la otra manera es cuando no se obtiene de un deposito natural o la

cantidad disponible es insuficiente, despus de la salida del condensador, se lleva

a torres de refrigeradoras donde se enfra para recircularla nuevamente hacia el

condensador.

En ocasiones de disponen de centrales trmicas sin condensador; generalmente el

vapor sale de la turbina a una presin superior al de la atmosfera y se aprovecha

para otros fines tales como calefaccin, el agua de alimentacin de la caldera puede

proceder de la condensacin del vapor de una fuente independiente o de ambos a

la vez. Estas centrales se construyen, sobre todo por empresas industriales que

necesitan grandes cantidades de vapor como fbricas textiles.

Para hablar del sistema de recuperacin primero debemos nombrar segn su

clasificacin los tipos de condensadores ya que cada uno utiliza especficamente

2.5.- CICLOS TRMICOS CON CALDERAS Y TURBINAS

2.6.- SISTEMAS DE RECUPERACIN DE CONDENSADO Y TORRES

DE ENFRIAMIENTO.

12

un sistema de recuperacin del agua recin condensada para mandarla a una torre

de refrigeracin.

Un condensador no es ms que un recipiente conectado a tubos de enfriamiento

donde se inyecta aire frio para convertir el vapor en agua nuevamente auxiliado por

maquinas como:

a) Bomba de agua de refrigeracin

b) Bomba de aire

c) Bomba de agua condensada

La bomba de agua de refrigeracin sirve para enviar al condensador el agua

necesaria para su refrigeracin, generalmente es del tipo de impulsin y debe

contarse con un peso de agua fra de 15 C de temperatura media, o de retorno a

25 C equivalente a 50-60 veces o 70-80 veces, respectivamente, el peso del vapor

que se va a condensar, con un vaco de 92 a 93 %.

Las bombas de agua condensada extraen el condensado acumulado de forma

continua, enva este lquido a un depsito elevado desde el cual fluye a escasa

presin hacia las bombas de alimentacin de las calderas.

Existen dos grupos e condensadores llamados as por la forma de suministro del

vapor: de chorro y de superficie.

Figura 2.9 Condensador de chorro

Las torres de enfriamiento tienen una tarea importante como la de regular la

temperatura del agua dentro del ciclo que recorre est dentro de la central trmica

as como eliminar los excedentes hacia lagunas y manglares auxiliando para

reiniciar el ciclo y actuando repetidamente para alimentar de nuevo al

condensador.

13

Se originaron las llamadas torres de refrigeracin, las cuales son estructuras

rectangulares de madera, hormign o metlicas provistas de pantallas adecuadas,

en las torres de refrigeracin la circulacin de aire se efecta, unas veces, con tiro

natural, es decir aprovechando el tiro provocado por una chimenea y, otras

veces, con tiro forzado, por medio de ventiladores aspirantes o soplantes.

Figura 2.10 Ejemplo de torres con ventiladores aspirantes

Existen dos sistemas para obtener agua en condiciones de alimentar calderas:

Tratamiento por procedimientos qumicos.

Consiste en aadir al agua que se ha de tratar, determinadas sustancias que

produzcan la precipitacin de materias incrustantes que contenga.

Procedimiento cal-sosa.

Se aade al agua carbonato sdico, los compuestos clcicos y magnsicos del

agua, pudiendo separarse posteriormente por filtracin.

Procedimiento de la permutita.

Se utilizan ciertos silicatos hidratados de aluminio y sodio, naturales o artificiales,

denominados permutitas y que tienen la propiedad de absorber el calcio y el

magnesio de las aguas que atraviesan, permutndolos (de ah su nombre) con el

aluminio y el sodio, que son sus elementos constituyentes.

2.7.- SISTEMAS Y EQUIPOS DE TRATAMIENTO DE AGUA

14

Tratamiento por procedimientos trmicos.

Utilizan dispositivos para producir agua destilada para la alimentacin de las

calderas denominados vaporizadores. En ellos, y mediante la correspondiente

aportacin de calor, el agua cruda se evaporiza y el vapor producido (denominado

vapor secundario) se condensa despus, cediendo el calor a un refrigerador. El

agua as destilada tiene una temperatura prxima a 100 C, con la que entra en la

caldera. Los vaporizadores se dividen en:

Vaporizador de simple efecto

Vaporizador de mltiple efecto

Adems de estos artefactos se utilizan otras mquinas elctricas como las

bombas que se utilizan para inyectar agua a la caldera por medio de la compleja

red de tubera que resulta extensa para poder enfriar an ms el agua por

conveccin con el aire y mantener el ritmo de llenado con rapidez y potencia para

llegar a propulsar hasta zonas de gran altura, no se podra dar un nmero exacto

de bombas en el sistema ya que cada planta posee caractersticas peculiares. As

como vlvulas, llaves de paso y seccionadores que salen de los estanques y

distribuyen el agua hacia direcciones diferentes.

2.11 Bombeo del agua en una central trmica de Tula, hidalgo

15

Claramente se puede afirmar que sin las leyes y postulados que rigen el

electromagnetismo como la ley de induccin de Faraday, el principio de la mano

derecha de Lenz y las teoras de Amper y Ohm que fueron pioneros e impulsores

del conocimiento, no se tendra ni la dcima parte de lo que actualmente es un

generador ni mucho menos su aplicacin en una central trmica para satisfacer y

abastecer a la poblacin de energa elctrica con el dinamismo que la caracteriza.

Por ello se deben seguir con las iniciativas y aportaciones futuras que tanto

enriquecen de modernizacin y optimizan los componentes elctricos y magnticos

para gente con las mismas convicciones que los mencionados anteriormente con

fines de buena contribucin a la sociedad incentivando las ganas de la innovacin

tecnolgica.

Haciendo mencin a las investigaciones y experimentaciones que dieron origen a

todos los conocimientos que ahora se tiene, no est por dems saberlo que no se

obtuvieron de la noche a la maana sino que con mucho esfuerzo y perseverancia

realizando cientos y cientos de pruebas que arrojaron datos errneos y divagaron

las lneas o seguimientos de las teoras presentadas.

Debido a la analoga del prrafo anterior este texto intenta ser una clara invitacin

para despertar conciencia y seguir con la tendencia de cambios que han sufrido los

generadores y sus aplicaciones para as tener un pas a la vanguardia en cuanto a

tecnologa basadas en investigaciones y poder deshacer los mitos que rodean el

mbito de generacin por medio de instalaciones trmicas para poder llegar a tener

el suficiente auto abastecimiento de energa dentro Mxico, recordando que estas

pautas mencionadas resultan indicadores claves de un pas en desarrollo

econmico ofreciendo mejor calidad de vida para sus habitantes.

Se obtuvo informacin veraz y fidedigna de libros y datos tcnicos de empresas

para poder llegar a lo que se analiz en el desarrollo del trabajo esperando hayan

servido de algo para dar idea de todo lo que comprende obtener electricidad que

resulta complicado y muy costoso.

CONCLUSIN.