Universidad de OrienteNcleo de AnzoteguiEscuela de Ingeniera y CIENCIAS AplicadasDepartamento de Mecnica

ingeniera de medicin

DISEO E INSTRUMENTACION DE UNA PLANTA DE VAPOR DE AGUA

Revisado por: Realizado por:Prof. Yordy, Gonzlez Br. Palma, WolfangSec: 01 C.I: 20.684.541 Br. Rengifo, Jess C.I: 21.065.213

Puerto La Cruz, Abril de 2013

INTRODUCCINEn este proyecto se realizar el diseo de un prototipo de planta de vapor, usando el calor generado en una caldera como fuente principal para la generacin de vapor y en el cual se utilizar como fluido de trabajo el agua. El anlisis termodinmico de la planta en cuestin se realizara basndose en el ciclo Rankine. El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinmico que tiene lugar en una central trmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, tpicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgnicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presin para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecnico en su eje. El vapor de baja presin que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado lquido. Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presin del fluido en fase lquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Mediante el ciclo Rankine se genera alrededor del 80% de toda la energa elctrica utilizada en todo el mundo, los equipos en los cuales se realiza esta conversin energtica son llamadas centrales termoelctricas, las comnmente denominadas centrales trmicas convencionales (de carbn, fueloil, o gas), las centrales nucleares, las centrales geotrmicas, las centrales para el aprovechamiento de la energa trmica de los ocanos, las centrales de biomasa con conversin trmica y las centrales termosolares, todas ellas son centrales termoelctricas y tienen muchos elementos y tecnologa en comn. En la actualidad, se estn tomando decisiones para la renovacin del sistema nacional de generacin de energa elctrica, que van a condicionar la estructura del mismo durante los prximos 20-40 aos. Sin embargo, los criterios en que se estn basando estas decisiones excluyen las consideraciones medioambientales, dichas consideraciones establecen que se deben construir plantas que causen el menor impacto posible en el medio ambiente. De igual manera en este proyecto se estudiara la instrumentacin con que debe contar la planta de manera que se obtenga un rendimiento satisfactorio de la misma. Dado el rol que desempea el operador de plantas de vapor, es importante que domine ciertos conocimientos relacionados con los instrumentos de medicin y/o control de las diferentes variables del proceso industrial para optimizar los valores de estas variables y as asegurar una mayor eficiencia en los procesos mejorando la calidad de operacin de la planta.

OBJETIVOSObjetivo general Disear un prototipo de una planta de vapor la cual ser analizada trmicamente basndose en el ciclo Rankine, que utilizara agua como fluido de trabajo aprovechando el calor generado en una caldera para producir el vapor.

Objetivos especficos

Seleccionar los equipos y accesorios adecuados para trabajar en el prototipo de planta de vapor que se pretende disear. Analizar el comportamiento que tiene el fluido de trabajo a medida que circula por los diferentes componentes que componen la planta de vapor. Realizar una instrumentacin adecuada del prototipo de planta de vapor a disear con la finalidad de garantizar un rendimiento satisfactorio de la misma. Conocer como es el proceso de generacin de energa elctrica mediante la utilizacin de una planta de vapor.

PROPUESTA DE DISEOSe propone la construccin de un prototipo de planta trmica, en la cual se utilizara el ciclo rankine para realizar el anlisis termodinmico del proceso que se lleva a cabo en la instalacin. El principio de funcionamiento de este ciclo consiste en la conversin de calor en trabajo.El fluido de trabajo utilizado es el agua, esto obedece a que es un recurso natural abundante en la zona y el costo asociado a la obtencin del mismo es bajo.La principal ventaja de las instalaciones trmicas se debe al bajo costo que implica su construccin, tomando en cuenta el precio por megavatio instalado; especialmente las centrales que utilizan el carbn como combustible debido a la simplicidad de construccin y la energa total que son capaces de generar.La desventaja acarreada en la construccin del prototipo planteado es la contaminacin atmosfrica proveniente de la quema de combustibles fsiles que tiene lugar en la caldera para la generacin de calor requerida en la produccin de vapor de agua utilizado en el ciclo y el calentamiento de las aguas fluviales ocasionado por el rechazo de calor que procede del fluido a la salida de la turbina. Por tales causas no cumple con las polticas medioambientales.

FUNDAMENTOS TERICOSCentral trmicaUna central trmica para produccin de energa elctrica, es una instalacin en donde la energa mecnica que se necesita para mover el rotor del generador y por tanto obtener la energa elctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El vapor generado tiene una gran presin, y se hace llegar a las turbinas para que en su expansin sea capaz de mover los rabes de las mismas.Los tipos de centrales trmicas no nucleares son: de carbn, de fuel o de gas natural. En dichas centrales la energa de la combustin del carbn, fuel o gas natural se emplea para hacer la transformacin del agua en vapor.Una central trmica se compone de una caldera y de una turbina que mueve el generador elctrico. La caldera es el elemento fundamental, y en ella se produce la combustin del carbn, fuel o gas.Plantas de vaporSon sistemas capaces de producir vapor tras ser conectados a una lnea de abastecimiento de fluido, combustible y energa elctrica.Para el anlisis del funcionamiento de la planta de vapor se toma en consideracin el ciclo Rankine.Importancia del vaporLo principal del ciclo Rankine es la generacin del vapor que es el estado en el que se encuentra un gas, cuando se encuentra por debajo de su temperatura crtica. En la grfica, el vapor es la llamada fase gaseosa, encerrada, por la lnea vertical que representa la temperatura crtica y las curvas azul (curva de vaporizacin) y roja curva de sublimacin, que representan los modos en que una materia lquida o slida se convierte en vapor. El vapor sobrecalentado es el gas que se encuentra por encima de su temperatura crtica pero por debajo de su presin crtica. No hay que confundirlo con el concepto de gas, aunque se suela utilizar ambos indistintamente. El trmino vapor se refiere estrictamente a aquel gas que se puede condensar por presurizacin a temperatura constante o por enfriamiento a presin constante. Normalmente la palabra vapor suele referirse al vapor de agua, gas que se produce por ebullicin cuando el agua se calienta a 100 C y una atmsfera de presin, o fuera de esa temperatura de cambio de estado, cuando el agua se encuentra, a cualquier temperatura por debajo de la crtica, a una presin por debajo de su presin de vapor a esa temperatura (ese es el fenmeno de la evaporacin).

El diagrama de fases muestra los cambios de estado de la materia. La curva con puntos de color verde que gira a la izquierda muestra el comportamiento anmalo del agua y en general, el de todos los materiales que cuando se funden sufren una contraccin de volumen especfico. La curva de fusin (en color verde) marca el punto de fusin para cada par (temperatura, presin). La curva de vaporizacin, en azul, lo mismo para el punto de ebullicin, y la curva de sublimacin, en rojo, muestra la presin de sublimacin para cada temperatura. Se muestra como ellos varan con la presin. El punto de unin entre las tres curvas verde, azul y rojo es el punto triple. El punto crtico se ve en el otro extremo de la curva azul de vaporizacin

Primeras mquinas en utilizar vapor.Una mquina de vapor es un motor de combustin externa que transforma la energa trmica de una cantidad de vapor de agua en energa mecnica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansin del volumen de un cilindro empujando un pistn. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el movimiento lineal alternativo del pistn del cilindro se transforma en un movimiento de rotacin que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador elctrico. Una vez alcanzado el final de carrera, el mbolo retorna a su posicin inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energa cintica de un volante de inercia. El vapor a presin se controla mediante una serie de vlvulas de entrada y salida que regulan la renovacin de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro. El motor o mquina de vapor se utiliz extensamente durante la Revolucin Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover mquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotores, motores marinos, etc. Las modernas mquinas de vapor utilizadas en la generacin de energa elctrica no son ya de mbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominacin genrica de turbinas de vapor. En la actualidad la mquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor elctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustin interna en el transporte.Inicio del ciclo RankineWilliam John Macquorn Rankine en 1859 publica el Manual of Steam Engine", en el que realiza importantes contribuciones a la termodinmica estableciendo el ciclo que lleva su nombre para el funcionamiento de las mquinas de vapor, e ideando la escala de temperaturas Rankine.El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinmico en el que se relaciona el consumo de calor con la produccin de trabajo. Como otros ciclos termodinmicos, la mxima eficiencia termodinmica es dada por el clculo de mxima eficiencia del Ciclo de Carnot. Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y fsico escocs William John Macquorn Rankine. El ciclo propuesto contaba con 4 etapas o evoluciones, las cuales son descritas a continuacin: Proceso 1-2: Expansin isoentrpica del fluido de trabajo en la turbina, desde la presin de la caldera hasta la presin del condensador.Proceso 2-3: Transmisin de calor desde el fluido de trabajo al refrigerante a presin constante en el condensador hasta el estado de lquido saturado. Proceso 3-4: Compresin isoentrpica en la bomba. En l se aumenta la presin del fluido mediante un compresor o bomba, al que se le aporta un determinado trabajo. Proceso 4-1: Transmisin de calor hacia el fluido de trabajo a presin constante en la caldera.

El ciclo Rankine ideal. El ciclo Rankine es un ciclo que convierte calor en trabajo. El calor se suministra externamente a un circuito cerrado, que por lo general usa agua. Este ciclo genera alrededor del 80% de toda la energa elctrica utilizada en todo el mundo, incluyendo a casi todas las centrales elctricas de energa solar trmica, biomasa, carbn y nuclear El ciclo Rankine se refiere a veces como un ciclo de Carnot prctico. La principal diferencia es que la adicin de calor (en la caldera) y el rechazo (en el condensador) son isobricas en el ciclo Rankine e isotrmicos en el ciclo de Carnot terico. Una bomba se utiliza para presurizar el fluido de trabajo recibido del condensador como un lquido en el ciclo Rankine en lugar de en forma de gas como en el ciclo de Carnot. El bombeo del fluido de trabajo a travs del ciclo, como un lquido requiere una pequea fraccin de la energa necesaria para su transporte en comparacin con la compresin del fluido de trabajo en forma de gas en un compresor (como en el ciclo de Carnot). Una de las principales ventajas que el ciclo Rankine tiene sobre los dems es que durante la etapa de compresin es relativamente poco el trabajo que se necesita para conducir la bomba, el fluido de trabajo est en su fase lquida. Al condensar el vapor a lquido, el trabajo requerido por la bomba consume slo del 1% al 3% de la potencia de la turbina y contribuye a una eficiencia mucho ms alta para un ciclo real. Este beneficio se pierde un poco debido a la temperatura de adicin de calor ms baja. Proceso 1-2: El fluido de trabajo es bombeado de baja a alta presin, ya que el fluido es un lquido en esta fase la bomba requiere poca energa de entrada. Proceso 2-3: El lquido de alta presin entra en una caldera, donde se calienta a presin constante por una fuente de calor externa para convertirse en un vapor saturado seco. La energa de entrada necesaria se puede calcular fcilmente utilizando el diagrama de Mollier o tablas de vapor. Proceso 3-4: El vapor saturado seco se expande a travs de una turbina, donde ocurre la generacin de energa. Esto disminuye la temperatura y la presin del vapor. El resultado de este proceso se puede calcular fcilmente utilizando el diagrama de entalpa-entropa Proceso 4-1: El vapor hmedo a continuacin, entra en un condensador donde se condensa a una presin constante para convertirse en un lquido saturado.Ciclo Rankine realEn un ciclo Rankine real, la compresin por la bomba y la expansin en la turbina no son isoentrpicos. En otras palabras, estos procesos no son reversibles, y la entropa aumenta durante los procesos (indicados en la figura como S). Esto hace que la energa requerida por la bomba sea mayor, y que el trabajo producido por la turbina sea ms pequeo que el producido en un estado ideal.Mientras que en ciclo ideal no se consideraban ni las prdidas por transmisin de calor, ni las prdidas de carga en los conductos, en el ciclo real s que se deben considerar, adems de tener en cuenta que las expansiones y compresiones no son isoentrpicas. Las principales irreversibilidades del ciclo son las siguientes: Expansin 1-2 (turbina) no isoentrpica. Compresin 3-4 (bomba) no isoentrpica. Prdidas de presin en el condensador y la caldera.Estas prdidas energticas llevan a que el diagrama T-S de un ciclo Rankine real se vea como el siguiente:

Diagrama T-S de un ciclo Rankine real.Nota: cabe destacar que las lneas punteadas representan la trayectoria real del ciclo.Estas irreversibilidades llevan a una disminucin del rendimiento del ciclo (al orden de un 30 %), lo cual ha llevado a la bsqueda de mecanismos para mejorar el rendimiento trmico del ciclo y en mejoras de las tecnologas que operan dentro de la central (mejores turbinas, bombas, etc.). Mejoras del ciclo RankineLa idea para mejorar un ciclo Rankine es aumentar el salto entlpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales trmicas (tanto de carbn, como ciclos combinados o nucleares) son:1. Reduccin de la presin del condensador: En este procedimiento se disminuye automticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina y una disminucin del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosin en los labes de la turbina.2. Aumentar la presin de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presin aumenta la temperatura a la cual se aade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.3. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura est limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.4. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansin. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansin da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presin de turbina.5. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentacin a la caldera, aumentando su entalpa. El nmero de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicara una mejora de rendimiento considerable frente a la complicacin tcnica que conllevan. SobrecalentamientoUna primera medicacin que introduce mejoras en el rendimiento del ciclo real de Rankine es el sobrecalentamiento, que consiste simplemente en calentar el agua en la caldera hasta que llegue a un punto de mayor temperatura que la temperatura de saturacin. Se pasa entonces de un ciclo donde el vapor al inicio de expansin est saturado, a uno donde esta sobrecalentado. El ciclo de Rankine con sobrecalentamiento se conoce tambin como ciclo de Hirn. El diagrama T S de un ciclo de Rankine ideal con sobrecalentamiento; los superndices representan la variante con sobrecalentamiento. Como se observa, el sobrecalentamiento no implica que el ttulo del vapor al final de la expansin sea mayor o igual que 1: en este punto puede tenerse vapor sobrecalentado, vapor saturado o mezcla. El condensado de la mezcla, sin embargo, puede producir erosin en los alabes de la turbina en este punto, por lo que se considera aceptable que el ttulo del vapor sea al menos de un 88%.

Ciclo de Rankine ideal con sobrecalentamiento.El sobrecalentamiento, sea el ciclo ideal o real, aumenta el rendimiento del ciclo debido al ensanchamiento del salto entlpico 4 1 que produce. Para una misma temperatura de final de expansin, y manteniendo constantes las presiones P1 y P4, la entalpia de inicio de expansin aumenta al aumentar la temperatura. De esta forma se logra incrementar el termino (h1 h4) en la expresin para el rendimiento, con el consecuente incremento del rendimiento. Puede entenderse ms fcilmente mirando la segunda expresin para el rendimiento, en funcin de las temperaturas: al aumentar la temperatura de inicio de expansin, aumenta el promedio de las temperaturas durante la absorcin de calor, y con ello el rendimiento. El incremento de la temperatura de inicio de expansin se consigue con la adicin de un intercambiador de calor a continuacin de la caldera, llamado sobrecalentador. Al conjunto de ambos intercambiadores se le llama Generador de Vapor. Aunque efectivamente el rendimiento del ciclo aumenta, pese a que se cede ms calor al vapor, el uso de dos intercambiadores requiere de ms combustible e implica mayor liberacin de gases de escape, por lo que su contribucin a mejorar el rendimiento global de la central no es una consecuencia directa.Modificaciones de presin y temperatura al inicio y trmino de expansin. As como el uso de vapor sobrecalentado en lugar de vapor saturado al inicio de la expansin produce un aumento en el rendimiento, tambin pueden producirlo el aumento de la presin de inicio de expansin, la disminucin de la presin de trmino de expansin y el aumento de la temperatura de inicio de expansin ms all del sobrecalentamiento. Por la misma razn que se explic para el sobrecalentamiento, el aumento de la temperatura de inicio de expansin, aumenta el rendimiento. Usar una alta temperatura de inicio de expansin, est limitado por la resistencia trmica de los materiales que reciben el vapor (constitutivos de la turbina). Actualmente existe desarrollo para llegar a una temperatura de inicio de expansin de hasta unos 600 C.La figura , que ilustra dos diagramas T -s, muestra como el aumento de la presin de inicio de expansin y la disminucin de la presin de trmino de expansin pueden aumentar el rendimiento.

Mejoras en el rendimientoEn el primer grfico se observa que trabajar en la caldera en la isbara que pasa por 1 significa aumentar indirectamente la temperatura de inicio de expansin, respecto a trabajar en aquella que pasa por 1, y con ello el promedio de temperaturas de absorcin aumenta, implicando un aumento en el rendimiento, siempre y cuando se mantenga fija la temperatura de trabajo del condensador. Actualmente la presin que puede alcanzarse al inicio de expansin es de unos 300bar. En el segundo grfico se observa que si la presin de termino de expansin, es decir, la presin de trabajo del condensador, es menor que la presin atmosfrica, se produce una disminucin indirecta de la temperatura de fin de expansin. Como se ve en la expresin para el rendimiento en funcin de la temperatura, cuando Ts disminuye, para una misma temperatura promedio de absorcin de calor, el rendimiento aumenta. Para aumentar la presin de inicio de expansin se requiere mayor transferencia energtica en la caldera. Asimismo, para trabajar a presin menor a la atmosfrica en el condensador, se requiere un equipo bien sellado. Estos requerimientos, limitan tcnica y econmicamente la introduccin de los cambios sugeridos en el estado del vapor para lograr un aumento de rendimiento.

RecalentamientoUna tercera alternativa para mejorar el rendimiento del ciclo es el recalentamiento. Esta tcnica consiste en no expandir el vapor hasta la presin del condensador en una sola etapa. La figura muestra una planta generadora con sobrecalentamiento y recalentamiento y su diagrama T -S asociado.

Ciclo de Rankine ideal con sobrecalentamiento y recalentamiento.

El vapor que sale sobrecalentado del generador de vapor es parcialmente expandido en una primera turbina, produciendo una parte de la potencia. Luego es conducido nuevamente al generador, donde aumenta su temperatura y luego es expandido en una segunda turbina, donde produce la parte restante de la potencia. La expansin puede hacerse tambin en ms de dos etapas. El incremento de rendimiento se debe en este caso a que la potencia total generada por las turbinas es mayor que para una expansin en una sola etapa. Debe hacerse, sin embargo, un balance entre el calor extra que es necesario aportar al vapor, y el trabajo extra efectivamente generado. Una ventaja adicional del recalentamiento es que aumenta el ttulo del vapor al trmino de la expansin y con ello disminuye el potencial dao a las turbinas.

Regeneracin. Una forma efectiva de aumentar el rendimiento, es precalentar el agua de alimentacin antes de que ella llegue a la caldera. Esto hace que la potencia calrica cedida por el generador de vapor, para llegar a una determinada temperatura de inicio de expansin, sea menor que aquella requerida si el agua entra sin previo calentamiento, y por lo tanto produce un incremento del rendimiento. Calentadores abiertos El proceso de precalentamiento de agua con calentador abierto se ilustra en la Figura

Ciclo de Rankine ideal con regeneracin, calentador abierto.El vapor inicia su expansin en una turbina de alta presin; al final de esta primera etapa de expansin, una fraccin Y de vapor es extrada del circuito y es conducido a un intercambiador de calor abierto, donde se mezcla con el agua que viene desde la bomba 1. La fraccin (1 - Y) termina de expandirse en una segunda turbina, y luego sigue por el condensador y la bomba 1. Cuando ambas fracciones se reencuentran en el intercambiador, que trabaja a la presin de descarga de la bomba 1, el agua se precalienta gracias a la mezcla con el vapor; la suma de ambas fracciones sale en 6 como lquido saturado y pasa por una segunda bomba que le da la presin necesaria para entrar a la caldera. La fraccin Y debe ser debidamente escogida de modo que las condiciones del fluido en 6 sean de lquido saturado. En la prctica, solo (1-Y) realiza trabajo en la turbina, por lo que debe corroborarse que las cantidades sean tales que la disminucin en la potencia producida sea menor que la reduccin de potencia calrica requerida para generar el vapor. Calentadores cerradosUna variante de la tcnica anterior es precalentar el agua con la fraccin Y de vapor extrada, ya no en un intercambiador de calor abierto, sino en uno cerrado. Este intercambiador puede ser simplemente del tipo tubos y carcasa, y tiene la ventaja de que, al no haber mezcla entre el agua y el vapor, ambas fracciones de flujo pueden trabajar a presiones distintas. La figura muestra un ejemplo de intercambiador de calor cerrado para ciclo de Rankine con regeneracin.

Calentador cerrado Pueden utilizarse distintas combinaciones de calentadores abiertos y cerrados que maximicen el rendimiento del ciclo. Es necesario aqu tener consideraciones econmicas que garanticen que la incorporacin de estos intercambiadores producir una disminucin en la potencia de la caldera suficientemente grande para superar la disminucin de trabajo producida por la extraccin de vapor. Ciclo BinarioLa central de vapor puede aumentar su rendimiento trmico utilizando dos circuitos en paralelo: uno que funcione a altas temperaturas y uno que funcione a bajas temperaturas. Un ciclo como el que se ilustra en la figura, utiliza mercurio y agua en circuitos paralelos. El agua, que funciona a baja temperatura, utiliza el calor cedido por el mercurio en su condensacin, para generar vapor y expandirse en una turbina de vapor.

Ciclo binario de agua y mercurioEl agua, sin embargo, requiere de un calentamiento adicional para llegar a una temperatura de inicio de expansin adecuada. Es necesario verificar, que el costo de una instalacin como la propia de un ciclo binario, es efectivamente comparable al aumento de rendimiento por el hecho de generar ms potencia.Solo introduciendo mejoras como el sobrecalentamiento, el recalentamiento y la adecuada eleccin de las temperaturas y presiones de inicio y trmino de expansin, los ciclos de Rankine modificados de centrales trmicas pueden llegar a tener rendimientos cercanos al 40%. Para obtener rendimientos ms altos se hace necesaria la incorporacin de la tecnolgica de ciclo combinado, donde se realiza generacin mediante gas y mediante vapor en forma paralela e integrada. Elementos que componen al ciclo RankineEl ciclo Rankine est compuesto por una bomba, caldera, turbina y condensador. Cada elemento tiene sus caractersticas de acuerdo a la necesidad o a la cantidad de vapor que se producir. La bomba debe vencer la presin que genere la caldera, la turbina debe ser adecuada para la cierta cantidad de vapor generado, el condensador debe lograr disipar el calor del vapor hasta condensarlo. Y as poder tener un ciclo con un buen funcionamiento de cada elemento. Bombas Son los aparatos que sirven para impulsar sustancias a travs de conductos.

Clasificacin de las bombas. Todas las bombas pueden clasificarse en dos grupos generales: 1. Bombas de desplazamiento positivo. 2. Bombas de presin lmite. Las bombas de desplazamiento positivo no tienen lmite de presin mxima de impulsin, esta presin de salida puede llegar a valores que ponen en peligro la integridad de la bomba si el conducto de escape se cierra completamente. Para garantizar el funcionamiento seguro de ellas, es necesaria la utilizacin de alguna vlvula de seguridad que derive la salida en caso de obstruccin del conducto. Si el ajuste es apropiado, estas bombas pueden bombear el aire de su interior y con ello, crear la suficiente depresin en el conducto de admisin como para succionar el lquido a bombear desde niveles ms bajos que la posicin de la bomba, aun cuando estn llenas de aire. Se caracterizan porque el caudal de bombeo casi no es afectado por la presin de funcionamiento. Se pueden clasificar en: Bombas de mbolo. Bombas de engranes. Bombas de diafragma. Bombas de paletas. Las bombas de presin lmite son aquellas que impulsan el lquido solo hasta determinada presin, a partir de la cual el caudal es cero. Estas bombas pueden funcionar por un tiempo relativamente largo sin averas con el conducto de salida cerrado. Existe en ellas una dependencia generalmente no lineal entre el caudal bombeado y la presin de descarga. Las ms comunes son: Bombas centrfugas. Bombas de hlice Bombas de diafragma con resorte. Bomba utilizada normalmente en el ciclo Rankine en plantas termoelctricas. Bomba centrifuga. Una bomba centrfuga es un tipo de bomba hidrulica que transforma la energa mecnica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energa cintica y potencial requeridas. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos labes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrfuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por su forma lo conduce hacia las tabuladoras de salida o hacia el siguiente rodete (siguiente etapa).

Corte esquemtico de una bomba centrfuga. 1a carcasa, 1b cuerpo de bomba, 2 rodete, 3 tapa de impulsin, 4 cierre del eje, 5 soporte de cojinetes, 6 eje. Aunque la fuerza centrfuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del lquido, la energa que se aplica por unidad de masa del lquido es independiente de la densidad del lquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de lquido, la energa que se aplica y transfiere al lquido, (en pascales, Pa, metros de columna de agua m.c.a. o pie-lb/lb de lquido) es la misma para cualquier lquido sin que importe su densidad. Tradicionalmente la presin proporcionada por la bomba en metros de columna de agua o pie-lb/lb se expresa en metros o en pies y por ello que se denomina genricamente como "altura", y aun ms, porque las primeras bombas se dedicaban a subir agua de los pozos desde una cierta profundidad (o altura).Las bombas centrfugas tienen un uso muy extendido en la industria ya que son adecuadas casi para cualquier uso. Las ms comunes son las que estn construidas bajo normativa DIN 24255 (en formas e hidrulica) con un nico rodete, que abarcan capacidades hasta los 500 m/h y alturas manomtricas hasta los 100 metros con motores elctricos de velocidad normalizada. Estas bombas se suelen montar horizontales, pero tambin pueden estar verticales y para alcanzar mayores alturas se fabrican disponiendo varios rodetes sucesivos en un mismo cuerpo de bomba. De esta forma se acumulan las presiones parciales que ofrecen cada uno de ellos. En este caso se habla de bomba multifsica o multi-etapa, pudindose lograr de este modo alturas del orden de los 1200 metros para sistemas de alimentacin de calderas.Constituyen no menos del 80% de la produccin mundial de bombas, porque es la ms adecuada para mover ms cantidad de lquido que la bomba de desplazamiento positivo. No hay vlvulas en las bombas de tipo centrfugo; el flujo es uniforme y libre de impulsos de baja frecuencia. Los impulsores convencionales de bombas centrfugas se limitan a velocidades en el orden de 60 m/s (200 pie/s).Las bombas centrfugas, debido a sus caractersticas, son las bombas que ms se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes: a. Son aparatos giratorios. b. No tienen rganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos. c. La impulsin elctrica del motor que la mueve es bastante sencilla. d. Para una operacin definida, el gasto es constante y no se requiere dispositivo regulador. e. Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias. Aparte de las ventajas ya enumeradas, se unen las siguientes ventajas econmicas: 1. El precio de una bomba centrfuga es aproximadamente del precio de la bomba de mbolo equivalente. 2. El espacio requerido es aproximadamente 1/8 del de la bomba de mbolo equivalente. 3. El peso es muy pequeo y por lo tanto las cimentaciones tambin lo son. 4. El mantenimiento de una bomba centrfuga slo se reduce a renovar el aceite de las chumaceras, los empaques de la prensa-estopa y el nmero de elementos a cambiar es muy pequeo. CalderaUna caldera es una mquina o dispositivo de ingeniera que est diseado para generar vapor saturado. ste vapor se genera a travs de una transferencia de calor a presin constante, en la cual el fluido, originalmente en estado lquido, se calienta y cambia de estado. Segn la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato a presin en donde el calor procedente de cualquier fuente de energa se transforma en energa utilizable, a travs de un medio de transporte en fase lquida o vapor. Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase. Adems son recipientes a presin, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, las calderas son muy utilizadas en la industria para generarlo para aplicaciones como: Esterilizacin (tindalizacin), es comn encontrar calderas en los hospitales, las cuales generan vapor para esterilizar los instrumentos mdicos, tambin en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos as como para la elaboracin de alimentos en marmitas. Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petrales pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado. Generar electricidad a travs de un ciclo Rankine. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoelctricas.Es comn la confusin entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.HistoriaCuando James Watt observ que se podra utilizar el vapor como una fuerza econmica que remplazara la fuerza animal y manual, se empez a desarrollar la fabricacin de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias. Las primeras calderas tenan el inconveniente que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se aprovechaba mal el calor del combustible. Debido a esto y posteriormente se le introdujeron tubos, para aumentar la superficie de calefaccin. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua). Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza a travs de tubos durante su calentamiento. Son las ms utilizadas en las centrales termoelctricas, ya que permiten altas presiones a su salida, y gran capacidad de generacin. Pirotubulares: en este tipo el fluido en estado lquido se encuentra en un recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula gases a alta temperatura producto de un proceso de combustin. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes.Calderas utilizadas en un ciclo RankineCalderas acuotubulares. Se componen por uno o ms cilindros que almacenan el agua y vapor (colectores) unidos por tubos de pequeo dimetro por cuyo interior circula el agua. Estas calderas son apropiadas cuando el requerimiento de vapor, en cantidad y calidad es alto.Se construyen para capacidades mayores a 5.000 Kg./h de vapor (5 ton/h) con valores mximos en la actualidad de 2.000 ton/h. Permiten obtener vapor a temperaturas del orden de 550 C y presiones de 200kg/cm2 o ms.Partes principales que componen una calderaLas calderas pueden instalarse con Hogares para combustibles slidos, lquidos o gaseosos, todo depender del proyecto del equipo y de la seleccin del combustible a utilizar. Tambin para producir el tiro necesario para que la combustin se efectuara en buenas condiciones y en modo contino. 1.- Hogar: Fogn o caja de fuego, corresponde a la parte en que se quema el combustible. Se divide en puerta del hogar y cenicero 2.- Emparrillado: Tiene por objeto servir de sostn al lecho de combustible y permitir el paso del aire para la combustin. 3.- Altar: Es un muro de ladrillo refractario que descanse en una estructura metlica que va a continuacin de la parrilla. 4.- Conductos de humo: Es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos o los gases calientes que se han producido en la combustin. 5.- Cajas de humo: Corresponde al espacio de la caldera que desempea la funcin de caja colectora de los humos despus de haber pasado por todos los conductos antes de salir por la chimenea. 6.- Chimenea: Sirve para dar la salida a los gases de la combustin, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios y molestias al vecindario. Tambin para producir el tiro necesario para que la combustin se efectuara en buenas condiciones y en modo contino. 7.- Mampostera: Construccin de ladrillos refractarios y ladrillos comunes que tienen como objeto cubrir la caldera para evitar desprendimiento de calor al exterior. 8.- Cmara de agua: Volumen de la caldera que est ocupada por el agua y tiene como lmite inferior un cierto nivel mnimo, del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. 9.- Cmara de vapor: Es aquella parte de la caldera que queda sobre el nivel superior del agua (volumen ocupado por el vapor considerando el nivel mximo admisible de agua). 10.- Cmara de alimentacin de agua: Es el espacio comprendido entre los niveles mximos y mnimos del agua. 11.- Tapas de registro de inspeccin o lavado: Tapas que tienen por objeto permitir inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o lavarlas si es necesario para extraer, en forma mecnica o manual, los lodos que se hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas. 12.- Puertas de hombre: Puertas cuya tamao es suficiente para permitir el paso de un hombre para inspeccionar interiormente una caldera y limpiarla si es necesario (pueden tener una o ms puertas de hombre segn su tamao y del equipo)Combustibles que utilizan estas calderasLos combustibles ms comnmente usados son: Combustibles slidos: Carbn de piedra. Carboncillo. Lea. Basuras o desperdicio domstico.Combustibles lquidos: Petrleos Kerosn Alquitrn combustible Combustibles gaseosos: Gas licuado (de petrleo). Gas de alumbrado (de carbn).Intercambiador de calor (condensador). Un intercambiador de calor es un dispositivo diseado para transferir calor entre dos medios, que estn separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeracin, acondicionamiento de aire, produccin de energa y procesamiento qumico. Un intercambiador tpico es el radiador del motor de un automvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la accin del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre l y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo. Los intercambiadores de calor pueden clasificarse como: Intercambiadores de contacto directo: Son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla fsica completa. Intercambiadores de contacto indirecto: - Alternativos: Ambos fluidos reconocen un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable. - De superficie: Son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a travs de una superficie, cilndrica o plana, sin permitir el contacto directo. Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto: los cambiadores de flujo paralelo (intercambio lquido - lquido) y los cambiadores de flujo cruzado (intercambio lquido - gas).

Intercambiador de calor (radiador) y ventilador.Funcin del condensadorLa funcin principal del condensador en una central trmica es ser el foco fro o sumidero de calor dentro del ciclo termodinmico del grupo trmico. Por tanto, su misin principal es condensar el vapor que proviene del escape de la turbina de vapor en condiciones prximas a la saturacin y evacuar el calor de condensacin (calor latente) al exterior mediante un fluido de intercambio (aire o agua). Adicionalmente, el condensador recibe los siguientes flujos: Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son incorporadas al circuito de condensado. El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua- vapor, a travs de los cierres de la turbina de vapor o con el agua de reposicin al ciclo. ste debe ser extrado y enviado al exterior mediante eyectores o bombas de vaco. El vapor procedente del escape de la turbo-bomba de agua de alimentacin, si la hay en la instalacin. El vapor de los by-passes de turbina de vapor, que en determinados modos de operacin transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en la caldera una vez atemperado. El agua de aportacin al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la purga contina. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado. Las condiciones en el interior del condensador son de saturacin, es decir, est a la presin de saturacin correspondiente a la temperatura de condensacin del vapor. Esta presin es siempre inferior a la atmosfrica, es decir, se puede hablar de vaco. Intercambiador de calor que utilizan las centrales termoelctricas. Estos se eligen de acuerdo a la comodidad de cada central termoelctrica. Segn su disposicin relativa con respecto de la turbina de vapor, los condensadores pueden clasificarse en: Axiales: Estn situados al mismo nivel que la turbina de vapor. Son tpicos de turbina de vapor hasta 150 MW, potencias hasta las cuales el cuerpo de baja presin es de un solo flujo y escape axial. Laterales: Estn situados al mismo nivel que la turbina de vapor. El cuerpo de baja presin de la turbina de vapor es de dos flujos. Inferiores: Estn situados debajo de la turbina de vapor de baja presin, lo que les obliga a estar metidos en un foso y que el pedestal del grupo turbogenerador est en una cota ms elevada, encarecindose la obra civil.Dadas las potencias de las centrales convencionales actuales, ste es el tipo de condensador ms usualmente empleado. La turbina de vapor de baja tiene doble flujo, pudiendo haber adems varios cuerpos. Segn el nmero de pasos pueden ser: Un paso. Hay una nica entrada y una nica salida de agua en cada cuerpo del condensador. Tpica en circuitos abiertos de refrigeracin. Dos pasos. El agua entra y sale dos veces en el cuerpo del condensador.

Segn el nmero de cuerpos: Un cuerpo. El condensador tiene una sola carcasa. Dos cuerpos. El condensador tiene dos carcasas independientes. Esta disposicin es muy til, ya que permite funcionar slo con medio condensador.Turbina Una turbina de vapor es una turbomquina motora, que transforma la energa de un flujo de vapor en energa mecnica a travs de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entindase el vapor) y el rodete, rgano principal de la turbina, que cuenta con palas o labes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energtico. Las turbinas de vapor estn presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre stos el ms importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presin. En la turbina se transforma la energa interna del vapor en energa mecnica que, tpicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor est formado por ruedas de labes unidas al eje y que constituyen la parte mvil de la turbina. El estator tambin est formado por labes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.

Turbina de vapor utilizada en una central termoelctrica.El trmino turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una mquina motora la cual cuenta con un conjunto de turbinas para transformar la energa del vapor, tambin al conjunto del rodete y los labes directores.Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaos, desde unidades de 1 hp (0.75 Kw) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2, 000,000 hp (1, 500,000 Kw) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por ser turbomquinas son susceptibles a los mismos criterios de clasificacin de stas. Por otro lado, es comn clasificarlas de acuerdo a su grado de reaccin. Turbinas de Accin: El cambio o salto entlpico o expansin es realizada en los labes directores o las toberas de inyeccin si se trata de la primera etapa de un conjunto de turbinas, estos elementos estn sujetos al estator. En el paso del vapor por el rotor la presin se mantendr constante y habr una reduccin de la velocidad. Turbinas de Reaccin: La expansin, es decir, el salto entlpico del vapor puede realizarse tanto en el rotor como en el estator, cuando este salto ocurre nicamente en el rotor la turbina se conoce como de reaccin pura.Turbinas utilizadas en un ciclo RankineLa turbina que utiliza un ciclo Rankine normalmente es de accin ya que esta aprovecha la presin del fluido de trabajo para ser accionada.

Funcionamiento de una turbina de vapor.MUESTRA DE CALCULOSUna planta elctrica de vapor opera en el ciclo Rankine real. Si la eficiencia adiabtica de la turbina es de 80 por ciento y la eficiencia adiabtica de la bomba es de 76 por ciento. Calcular: la eficiencia trmica del ciclo y la salida neta de potencia de la planta que tiene una relacin de flujo de masa e 15 Kg/s para las siguientes condiciones:Bomba Pent = 20 Kpa Psal = 1700 Kpa

Caldera Tent = 37 C Tsal = 425 C Pent = 1690 Kpa Psal = 1650 Kpa

Turbina Tent = 400 C Pent = 1600 Kpa Psal = 25 Kpa

Condensador Pent = 25 Kpa

La eficiencia trmica del ciclo es la relacin entre la salida neta de trabajo y la entrada de calor, y se determina del modo siguiente:

Entrada de trabajo a la bomba:Wbomba, ent = Wbomba, ent = = 2.23 KJ/KgSalida de trabajo de la turbina:Wturb, sal = ntWs,turb,sal = nt ( h5 h6s ) = 0.80 (3254.2 2417.39) KJ/KgWturb, sal = 669.45 KJ/KgEntrada de calor a la caldera: qen = h4 h3 = ( 3307.90 155.04) KJ/Kgqen = 3152.86 KJ/KgPor tanto, Wneto = Wturb, sal - Wbomba, ent = (669.45 - 2.23) KJ/Kg Wneto = 667.22 KJ/Kg nt = = = 0.212 ( o 21.2 % )La potencia producida por esta planta elctrica se determina como sigue:Potencia producida = flujo masico (Wneto ) = 15 Kg/s 667.22 KJ/KgPotencia producida = 10008.3 KWLa friccin del fluido ocasiona cadas de presin en la caldera, el condensador y las tuberas entre diversos componentes. Como consecuencia, el vapor sale de la caldera a una presin menor. Adems, la presin en la entrada de la turbina es un poco menor que la de la salida de la caldera debido a la cada de presin en los tubos conectores. La cada de presin en el condensador usualmente es muy pequea. Para compensar estas cada de presin, el agua debe bombearse a una presin ms alta que la que el ciclo ideal requiere. Para ello es necesario una bomba ms grande y una entrada de trabajo superior a la bomba.La otra fuente de irreversibilidad es la perdida trmica del vapor hacia los alrededores cuando este fluye por varios componentes. Para mantener el mismo nivel de salida neta de trabajo, es necesario transferir ms calor al vapor que est en la caldera para compensar esas prdidas trmicas indeseables. Como consecuencia, la eficiencia del ciclo disminuye. De particular importancia son las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina. Una bomba requiere una entrada de trabajo mayor, y una turbina produce una salida de trabajo ms pequea como consecuencia de las irreversibilidades. En condiciones ideales, el flujo por estos dispositivos es isotrpico. La desviacin de las bombas y turbinas reales de las isotrpicas se compensa exactamente empleando eficiencias adiabticas.

SELECCIN DE EQUIPOSEl ciclo Rankine est compuesto por una bomba, caldera, turbina y condensador. Cada elemento tiene sus caractersticas de acuerdo a la necesidad o a la cantidad de vapor que se producir. La bomba debe vencer la presin que genera la caldera, la turbina debe ser la adecuada para la cierta cantidad de vapor generado, el condensador debe lograr disipar el calor del vapor hasta condensarlo, y as poder tener un ciclo con buen funcionamiento de cada elemento.Bomba La bomba utilizada para el diseo del prototipo es una bomba centrifuga porque es la ms adecuada para mover cantidades mayores de lquido que la bomba de desplazamiento positivo. Las Bombas centrfugas tambin llamadas rotodinmicas, son siempre rotativas y son un tipo de bomba hidrulica que transforma la energa mecnica de un impulsor. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos labes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrfuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno de su forma lo conduce hacia las tubuladuras de salida o hacia el siguiente rodete se basa en la ecuacin de Euler y su elemento transmisor de energa se denomina impulsor rotatorio llamado rodete en energa cintica y potencial requeridas y es este elemento el que comunica energa al fluido en forma de energa cintica.Las bombas centrfugas tienen un uso muy extendido en la industria ya que son adecuadas casi para cualquier uso. Las ms comunes son las que estn construidas bajo normativa DIN 24255 (en formas e hidrulica) con un nico rodete, que abarcan capacidades hasta los 500 m/h y alturas manomtricas hasta los 100 metros con motores elctricos de velocidad normalizada.Ficha tcnica de la bomba que se utilizar Bomba centrifuga ISO 2858Capacidad

Caudal De 2 a 500 m3/h

Presin de servicioHasta 2000 Kpa

Temperatura de servicioDe -40 hasta 180 C

CalderaLa caldera usada en el diseo del prototipo ser una caldera de tipo acuotubular en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las ms utilizadas en las centrales termoelctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generacin. Ficha tcnica de la caldera que se utilizarCaldera acuotubular MH 300 BHPCapacidad

CombustibleF06 (fuel Oil)

Capacidad300 BHP

Produccin de vapor1.30 Kg/s

Presin de diseo2068,43 Kpa

TurbinaLa turbina de accin es la ms adecuada para el diseo del prototipo, ya que aprovecha la presin del fluido de trabajo para ser accionada, esto produce el movimiento de los alabes que hacen girar el eje conectado al generador elctrico.Ficha tcnica de la turbina que se utilizarTurbina SST-100Capacidad

PotenciaHasta 8.5 MW

Presin de entradaHasta 6500 Kpa

Temperatura de entradaHasta 480 C

Presin de vapor de salidaContrapresin de hasta 10 bar o condensacin da hasta 1Bar

CondensadorHay diversos diseos de condensadores, pero el ms comn, por lo menos en las instalaciones de generacin de potencia, es el condensador de paso transversal simple. Este diseo de condensador proporciona agua fra que pasa a travs de los tubos rectos de una cavidad llena de agua en un extremo hacia otra cavidad llena de agua en el otro extremo. Ya que el agua fluye una sola vez a travs del condensador se le denomina de un solo paso. La separacin entre las reas de las cavidades con agua y el rea donde condensa del vapor se hace mediante una tapa donde se colocan los tubos.Ficha tcnica del condensador que se utilizarCondensador GOST BT Capacidad

Temperatura de servicioDe -57 hasta 50 C

Presin de servicioHasta 25 bar

PROCEDIMIENTO DE OPERACINEl ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinmico que tiene lugar en una central trmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, tpicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgnicos). El fluido de trabajo utilizado en el ciclo se encuentra almacenado en un tanque, el cual es suministrado a las condiciones de entrada a la bomba, es decir como liquido saturado. Una vez proporcionado la cantidad de fluido de trabajo requerido el paso del mismo es obstruido mediante el cierre de una vlvula. El ciclo se inicia en la bomba, la cual se encarga de aumentar la presin del fluido hasta alcanzar la condicin de lquido comprimido. Posteriormente el fluido entra a la caldera donde es transformado a fase de vapor sobrecalentado a presin constante mediante la transferencia de calor producida en la quema de combustibles. Luego se conduce a una turbina donde se expande para generar trabajo mecnico en su eje que se encuentra unido al de un generador elctrico, encargado de producir la energa elctrica en la central trmica. Esta expansin del fluido de trabajo provoca el cambio de fase en el mismo a una mezcla saturada lquido-vapor. La mezcla de baja presin que se obtiene a la salida de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado lquido; habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeracin procedente del mar, de un ro, de un lago o de la atmsfera. El lquido procedente del condensador retorna a la entrada de la bomba completando de esta manera el ciclo.

INSTRUMENTACION DE LA PLANTA DE VAPORInstrumentacin de la bombaLa instrumentacin bsica de la bomba debe contar con los siguientes accesorios: Vlvula de Pie o de Zapata Como su nombre lo indica estas vlvulas van colocadas al pie de las instalaciones, esto es, en el extremo inferior de la tubera de succin y casi en contacto con el lquido. Las vlvulas de pie son las encargadas de impedir que se produzca el vaciado de la tubera de succin, fenmeno muy importante en los sistemas moto-bomba que no pueden funcionar si tienen dichas tuberas vacas. Cuando se para la bomba y las gavetas de la vlvula se cierran si estas asientan perfectamente, el agua no puede drenarse regresando al poso de succin. En conclusin esta clase de bombas tiene como finalidad permitir el cebado de la bomba manteniendo llena esta y la tubera despus de parado el bombeo.

Vlvula de pie con colador.

Vlvulas de cierre Los tipos de vlvulas de cierre ms utilizados en sistemas de bombeo son:1. De compuerta: Pueden ser de disco paralelo o de cua slida2. De aguja o de descarga anular.3. De mariposa.4. Cilndricas.Los modelos ms comunes tienen carcasas de hierro fundido, siendo de bronce las partes internas sujetas a desgaste como los anillos de sello. Las vlvulas pequeas son accionadas por medio de un volante de maniobra. Algunas veces cuando la vlvula queda abajo del piso se utilizan pedestales de maniobra con volante colocado en la prolongacin del vstago. En las grandes estaciones donde las tuberas son de dimetros muy grandes y las presiones pueden ser muy elevadas, la maniobra es hecha por un operador movido por motor elctrico.

Vlvulas de cierre.

Manmetros y Vacuometros.Cada bomba de una instalacin de bombeo debera ser dotada de instrumentos destinados a indicar la presin de salida y la depresin o presin existente en la boca de entrada. Para este fin se emplean respectivamente el manmetro y el vacuometro, los cuales estn colocados directamente a la bomba en tomas apropiadas que esta posee. Una pequea valvulita permite retirar el instrumento o aislarlo cuando sea necesario. La lectura en este instrumento se hace en trminos de presin, en el caso de que la bomba este girando pero con la descarga cerrada, el manmetro indica la presin mxima desarrollada por la mquina. Si hubiera flujo, la indicacin se referira a la presin manomtrica dinmica desarrollada por la bomba con el correspondiente caudal de descarga. Los manmetros, vacuometros y manovacuometros usados en estaciones de bombeo son de tipo Bourdon; Poseen internamente un anillo semicircular, hueco que se expande o se retrae a medida que aumenta o disminuye la presin en su interior. Manovacuometro.Manmetro.

Medidor de nivelEn las estaciones ms completas, se pueden instalar indicadores del nivel del agua en el poso de succin y a veces en el tanque o depsito de llegada. Los aparatos usados para esto son los clsicos limnimetros.

Junta de expansinLas juntas de expansin se usan algunas veces en las lneas de succin y descarga de las bombas centrfugas, para evitar que se transmita cualquier clase de esfuerzos de la tubera a la bomba, ya sea que estos esfuerzos sean por expansin al manejar lquidos calientes, desalineamiento de la tubera o cualquier otra causa. Algunas veces las juntas de expansin se forman doblando la tubera como es costumbre en las lneas de vapor. Ms frecuentemente las juntas de expansin son de tipo de deslizamiento o de diafragma corrugado (fuelle). Eliminan los esfuerzos de la tubera pero generan un problema muy diferente sea una reaccin y un torque de la bomba en su sistema de cimentacin.

Medidores de descargaEstos se colocan normalmente en la lnea de impulsin suficientemente lejos de la casa de bombas, para que las perturbaciones del flujo producidas por codos y accesorios se hayan disipado y no alteren el significado de la medida. Generalmente estos equipos poseen un registro continuo de la descarga y un totalizador.

Vlvulas de descargaEstas vlvulas se colocan en la parte baja de la conduccin y sirven para vaciarla y para limpiarla de posibles sedimentos que pueden haberse acumulado. Dependiendo de su tamao podrn ser de operacin manual, motorizada o de comando hidrulico.

Vlvulas de admisin y expulsin de aireSirven para expulsar el aire que pudo haber entrado a la tubera mezclado con el lquido o que sta presenta antes de comenzar su funcionamiento. Igualmente para admitir aire en la tubera y romper as el vaci que pueda producirse dentro de esta e impedir la falla por aplastamiento. En general se colocan en las partes altas de la conexin o en los cambios fuertes de pendiente. En la seleccin de las vlvulas, estas debern escogerse del tipo adecuado para la finalidad a que se vayan a destinar. Es frecuente sin embargo instalar vlvulas de menor dimetro que el de la tubera, ya que lo que se pierde por incremento de prdidas de carga, se ve compensando grandemente con el costo econmico de la vlvula.Instrumentacin bsica de la calderaControles necesarios en la caldera de vapor: Nivel de agua de alimentacin. Control de la llama. Control de presin. Temperatura del combustible. Temperatura de los gases de salida. Total de solidos disueltos.Nivel de agua de alimentacin Este control mantiene el nivel de agua por encima de los tubos fluxes. Para una mayor seguridad las calderas estn provistas de las siguientes indicaciones y protecciones.1. Nivel normal de trabajo.2. Bajo nivel.3. Extra bajo nivel.Instrumentos para controlar el nivel Control vertical usando flotante, uno muy conocido (MOBREY). Medidor capacitivo. Medidor ultrasnico.Control de la llama La fotocelda es la encargada de chequear que la llama este presente, si detecta un fallo desconecta la caldera, indicando mediante una seal de alarma lo ocurrido. Esto evita que se acumule en el hogar de la caldera combustible, pudiendo provocar explosiones peligrosas en su interior.Control de presin Se emplean los presostatos de ajuste fijo. Los presostatos de modulacin. Transmisores de presin.

Presostato para la seguridad Si la presin llega a la que ha sido ajustada en el presostato, la caldera se para provocando una seal de alarma.Presostato para el arranque y parada Se fijan los valores de presin mnimo y mximo de trabajo de la caldera para su normal funcionamiento.Presostato para alto fuego En las calderas de dos pasos, es el encargado de colocar la segunda llama para incrementar el fuego, dependiendo de la presin a la cual ha sido ajustado.Presostato de modulacin La salida continua de este presostato es conectada al modulador, el cual se encarga de establecer la correcta relacin de aire-combustible, para mantener la presin en los valores prefijados.Temperatura del combustible El termostato es el encargado de que la caldera no comience su funcionamiento hasta que el combustible no alcance la temperatura necesaria para establecer una correcta atomizacin. Utilizado en las calderas de fuel ol.Temperatura de salida de los gases Se puede observar la temperatura de los gases mediante el termmetro que debe colocarse en la chimenea. Esto indica la eficiencia de la caldera, cuando la temperatura de los gases es muy alta es una manifestacin de que la caldera est sucia o incrustada.Total de solidos disueltos El objetivo de su control es evitar el arrastre de sustancias slidas y formacin de espumas. El control se realiza mediante un control de conductividad que determina cuando debe actuar la vlvula que est conectada en la tubera de extraccin de superficie. Tambin se extraen los slidos mediante una purga de fondo a la caldera, que puede ser manual o automtica.Instrumentacin de la turbinaEn el caso de las turbinas existen una serie de instrumentos que sirven para la medicin y control de magnitudes, algunos de ellos son: Transductores de caudalSon los medidores de caudal para las turbinas, consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor, y la diferencia de presiones debida al cambio de rea entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De esta manera el rotor est equilibrado hidrodinmicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales evitando as un rozamiento que necesariamente se producira.Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina y por tanto el caudal de flujo:1. De reluctancia: la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a travs del campo magntico creado por un imn permanentemente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala vara la reluctancia o resistencia al flujo del circuito magntico. Esta variacin cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que es proporcional al giro de la turbina.2. Inductivo: el rotor lleva incorporado un imn permanente y el campo magntico giratorio que se origina induce una corriente alterna en una bobina captadora exterior. La frecuencia generada por el rotor de la turbina es proporcional al caudal y el nmero de impulsos por unidad de caudal es constante. Reguladores de velocidadPor lo general las turbinas estn provistas de reguladores automticos, los cuales se componen esencialmente de un rgano sensible a las variaciones de velocidad de la turbina, el cual pone en movimiento a un servomotor que obliga a girar las paletas directrices del distribuidor. Actualmente se utilizan los reguladores de presin de aceite, los cuales consisten en un pndulo centrifugo, que mueve en un sentido o en otro una vlvula de distribucin que dirige el aceite a presin hacia una cara u otra del embolo del servomotor, abriendo o cerrando el distribuidor de la turbina. Los reguladores de velocidad pueden ser:1. Sensor de rgimen de giro: determina la velocidad de giro de la mquina mediante los impulsos originados por la reflexin de rayos infrarrojos en una banda incorporada al eje.2. Sensor de esfuerzo: es una galga extensiomtrica que mide la deformacin de un brazo, causado por un tensor conectado a la cinta.

Sensores o captadores de vibracinTienen la funcin de tomar las vibraciones totales de la turbina, se aplican para el registro peridico de los niveles de vibracin y pueden utilizarse para el balanceo dinmico de los rotores; Estos sensores estn compuestos por filtros, los cuales son dispositivos que desechan o descartan algunas partes de una seal, para que esta sea ms significativa. Las seales recogidas por estos instrumentos son elctricas y requieren ser convertidas en seales analgicas y / o digitalizadas para lograr una buena interpretacin.La informacin obtenida de estos sensores permitir relacionar los eventos de ocurrencia de la vibracin a los componentes que estn ligados al movimiento dinmico de la mquina. Esto facilitar la identificacin de las causas que producen la vibracin y las posibles fuerzas dinmicas dainas para la mquina. La vibracin puede causar en la turbina desbalanceo, desalineacin, desgaste de cojinetes, cavitacin, torcedura de ejes, desgaste de engranajes, partes sueltas, defectos elctricos, falla en rodamientos, deterioro de soportes, fuerzas en tuberas, distorsin trmica y desgaste en carcazas, entre otras. Sensores de presinLa presin es una variable fundamental de los procesos y su medicin puede utilizarse directamente para controlarlos o para inferir otras mediciones, por ejemplo: nivel, flujo y temperatura. Los sensores o transductores utilizados se conectan a un transmisor neumtico o electrnico con el fin de emitir una seal. Algunos tipos son:1. Sensor de presin diferencial: Posee tomas en ambos lados de la placa orificio, con el fin de medir el caudal de paso. El sensor se conecta a las tomas de la placa orificio mediante conexiones elsticas. Es el mtodo de medicin ms comn, tanto para control como para indicacin.2. Sensor de presin: es el encargado de determinar la diferencia de presin a ambos lados de la turbina.

Indicadores de temperaturaEl aumento de la temperatura est relacionado al aumento de friccin, por lo tanto es importante en una turbina controlar los cambios de temperatura, ya que pueden indicar el mal funcionamiento de algunas piezas. Para medir la temperatura se utilizan sensores llamados termopares, los cuales son dos alambres de diferentes materiales, unidos para producir una fuerza trmica electromotriz.Instrumentacin del condensadorSuele utilizarse un controlador simple de temperatura que acta sobre la vlvula de vapor. El control en adelanto (feedforward), combinado con el control clsico de realimentacin, tambin puede aplicarse en un intercambiador de calor, que compense el costo elevado de la instrumentacin implicada.

CONCLUSIONES Cuando se utiliza como fuente principal de calor generado una caldera, esta debe ser muy eficiente, ya que de lo contrario no se lograr efectuar la transferencia de calor suficiente al fluido de trabajo y como consecuencia no se tendr generacin de vapor. Al trabajar con agua como fluido de trabajo se debe tener en cuenta el tiempo requerido para generar el vapor. La turbina utilizada en el diseo de la planta puede trabajar con una presin de entrada de hasta 6500 Kpa La bomba es capaz de vencer la presin con la que trabaja la caldera, por lo que no tiene problema para llevar el fluido hasta la caldera. En el mercado existen algunos condensadores ms eficientes que otros. Se debe contar con una instrumentacin adecuada con la finalidad de supervisar el funcionamiento de los equipos que componen la planta y asi obtener un desempeo adecuado de la misma.

BIBLIOGRAFA[1] Yunus A, Cengel. (1996). Termodinmica. Segunda edicin. Editorial McGraw-Hill INTERAMERICANA EDITORES, S.A. Mxico, D.F[2] Antonio C, Sol. (1998). Instrumentacin Industrial. Sexta edicin. Editorial ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. Mxico, D.F[3] Catalogo para seleccin de bombas. [Disponible en: http://www.marienco.com/doc/nuevos/Catalogo%20de%20Productos%20%20Bombas%20Centrifugas%20Industriales.pdf][4] Catalogo para seleccin de bombas. [Disponible en: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/seleccionbombascentrifugas/seleccionbombascentrifugas.html][5] Catalogo para seleccin de calderas. [Disponible en: http://www.termovapor.com/][6] Catalogo para seleccin de turbinas. [Disponible en: https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/energy/oil_gas/Documents/Turbinas%20de%20vapor%20Industriales.pdf][7] Catalogo para seleccin de turbinas. [Disponible en: https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/energy/oil_gas/pages/turbinas_de_vapor.aspx][8] Catalogo para seleccin de condensador. [Disponible en: http://pdf.directindustry.com/pdf/onda/rl-rl-v-liquid-receivers/21365-275155.html] [9] Instrumentacin de bombas. [Disponible en: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/instrumentacionbombas/instrumentacionbombas.html][10] Instrumentacin de turbinas. [Disponible en: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/instrumentacion_turbinas/instrumentacion_turbinas.htm]

ANEXOS

Recorrido del fluido en la planta de vapor

Diagrama Temperatura (T) vs Entropa (s).

Bomba centrifuga ISO 2858