Tipos de Calderas: Humotubulares y Acuotubulares

Calderas Humotubulares (Pirotubulares)

Los gases de combustión circulan por dentro de los tubos, mientras que el agua rodea los tubos.

Características:

• Sencillas y fáciles de operar.
• Adecuadas para bajas y medias presiones.
• Usadas en aplicaciones pequeñas (calefacción, vapor de proceso).

Ventajas:

• Menor costo inicial.
• Operación sencilla y mantenimiento económico.

Desventajas:

• Limitadas en capacidad y presión.
• Más lentas en la generación de vapor.

Calderas Acuotubulares

El agua (o vapor) circula por dentro de los tubos, mientras que los gases de combustión rodean los tubos.

Características:

• Adecuadas para altas presiones y grandes capacidades.
• Usadas en centrales térmicas y procesos industriales grandes.

Ventajas:

• Mayor capacidad de generación de vapor.
• Soportan altas presiones y temperaturas.
• Respuesta más rápida a cambios de demanda.

Desventajas:

• Mayor costo inicial y mantenimiento más complejo.

Mejoras del Ciclo Rankine sobre el Ciclo Carnot

Las mejoras del ciclo Rankine respecto al ciclo Carnot se centran en hacer el sistema más práctico y eficiente en aplicaciones reales, especialmente en plantas de generación de energía. Estas mejoras incluyen:

1. Uso de Procesos Isobáricos en Lugar de Isotérmicos:

• En el ciclo Rankine, los procesos de transferencia de calor ocurren a presión constante (isobáricos) durante el calentamiento en la caldera y el enfriamiento en el condensador.
• En el ciclo Carnot, los procesos son isotérmicos (a temperatura constante), lo que es complicado de implementar porque requiere un intercambio de calor extremadamente lento y sistemas ideales.
• Ventaja: Los procesos isobáricos son más fáciles de llevar a cabo en equipos reales, como calderas y condensadores, y permiten un diseño más eficiente de los sistemas.

2. Evaporación y Condensación del Fluido de Trabajo:

• El ciclo Rankine utiliza un fluido de trabajo que cambia de fase (generalmente agua/vapor), lo que maximiza la transferencia de energía en la caldera y el condensador.
• El ciclo Carnot, aunque puede modelarse con cambios de fase, no los asume explícitamente en su formulación idealizada.
• Ventaja: El uso de cambios de fase permite una mayor absorción y liberación de energía térmica en volúmenes más pequeños.

3. Recalentamiento del Vapor:

• Después de una expansión parcial en la turbina, el vapor se recalienta en la caldera para incrementar su temperatura antes de una nueva expansión en la turbina.
• Esto reduce la humedad del vapor en las etapas finales de la turbina, lo que disminuye el riesgo de erosión y aumenta la eficiencia del ciclo.
• Ventaja: Mejora la eficiencia térmica y protege los equipos.

4. Regeneración (Calentamiento Regenerativo):

• Parte del vapor extraído de las primeras etapas de la turbina se usa para precalentar el agua de alimentación antes de entrar a la caldera.
• Esto disminuye el combustible necesario para calentar el agua en la caldera, aumentando la eficiencia global.
• Ventaja: Menor consumo de combustible y menor pérdida de calor.

5. Adaptación a Condiciones Reales:

• El ciclo Rankine incorpora turbinas y bombas reales que operan con eficiencias menores al 100%, en contraste con el ciclo Carnot, que supone procesos adiabáticos y reversibles ideales.
• Además, se ajusta para trabajar con temperaturas y presiones que son alcanzables con materiales y tecnologías actuales.
• Ventaja: Permite un diseño compatible con equipos mecánicos reales y limita problemas técnicos como altas presiones o temperaturas imposibles.

6. Condensador para Recuperar el Fluido de Trabajo:

• En el ciclo Rankine, el vapor que sale de la turbina se condensa para devolverlo al estado líquido y recircularlo con una bomba.
• Esto no es contemplado explícitamente en el ciclo Carnot.
• Ventaja: Minimiza pérdidas del fluido de trabajo y reduce el costo operativo al no necesitar reponerlo constantemente.

Tipos de Turbinas de Vapor

Las turbinas de vapor convierten la energía térmica del vapor en energía mecánica.

Turbina de Acción (Ejemplo: Curtis)

• La expansión del vapor ocurre únicamente en las toberas fijas, donde el vapor adquiere alta velocidad (energía cinética).
• En las ruedas móviles, la presión es constante, y el trabajo mecánico se genera al reducir la velocidad del vapor.
• Usada para altas presiones iniciales, menos eficiente a bajas presiones.
• Característica: Menor cantidad de etapas (2-3 típicamente).

Turbina de Reacción (Ejemplo: Parsons)

• La expansión del vapor ocurre tanto en las toberas fijas como en los álabes móviles, por lo que hay una caída de presión en ambas partes.
• Más eficiente a bajas presiones, pero requiere más etapas debido a que la extracción de energía es progresiva.
• Usada en ciclos Rankine para manejar bajas presiones al final del ciclo.

Turbina Mixta

• Combina etapas de acción y de reacción.
• Acción en las primeras etapas (altas presiones), con toberas que manejan el vapor de alta energía.
• Reacción en las últimas etapas (bajas presiones), con extracción más eficiente del vapor.
• Ventaja: Mayor flexibilidad y eficiencia global.

Puesta en Marcha de Turbinas

Turbina de Gas

• Inicio: Se pone en marcha el motor de lanzamiento a baja velocidad.
• Aceleración: Se aumenta la velocidad del motor.
• Combustión: Se inicia la combustión del combustible para generar energía.
• Lubricación inicial: Se activa un sistema de lubricación auxiliar.
• Cambio de lubricación: Se cambia a un sistema de lubricación principal.
• Acoplamiento: Se conecta mecánicamente el motor de lanzamiento a la turbina.
• Desacople y funcionamiento independiente: El motor de lanzamiento se desconecta y la turbina continúa acelerando por sí sola.

Turbina de Vapor

• Preparación inicial: Inspección visual, purga del sistema de vapor, verificación de lubricación y sistemas auxiliares.
• Calentamiento inicial: Introducción de vapor a baja presión y temperatura para evitar tensiones térmicas. Uso del virador para girar lentamente la turbina (3-5 rpm) y lograr un calentamiento uniforme.
• Aumento de velocidad: Incremento gradual de presión y temperatura del vapor. Desacople del virador y la turbina comienza a girar por sí sola hasta alcanzar la velocidad nominal de sincronización.
• Sincronización: La turbina se conecta al sistema eléctrico cuando alcanza la velocidad de sincronización, ajustando fase y frecuencia.
• Carga gradual: Incremento progresivo de la carga hasta alcanzar la potencia nominal. Monitoreo constante de parámetros como presión, temperatura y vibraciones.
• Estabilización: Operación a plena carga con ajustes finales del regulador para un rendimiento óptimo.

Características de las Turbinas de Gas (TG)

Las TG tienen las siguientes características en comparación con las turbinas de vapor y el motor diésel:

1. Potencia específica por unidad de peso: Aproximadamente 10 veces mayor que el motor diésel.
2. Potencia específica por unidad de volumen: Aproximadamente 3 veces mayor que la turbina de vapor y el motor diésel.
3. Potencia máxima en el eje, alrededor de 150 MW: 3 veces superior a la del motor diésel y muy inferior a la de la turbina de vapor (en turbinas de vapor puede llegar a sobrepasar los 4500 kW).
4. Rendimiento menor aproximadamente del 30% que la turbina de vapor y mucho menor que el motor diésel: Esta desventaja decrece mucho al emplear ciclos más complejos.
5. Combustible: En las TG móviles son más baratas que los motores diésel (con lo que se compensa en parte su menor rendimiento) y en las estacionarias más caro que en las turbinas de vapor.
6. Tiempo corto de arranque y parada: De 0,1 a 10 min según tipo (2 h en las turbinas de vapor).
7. Contaminación del medio ambiente menor que en los motores diésel y turbinas de vapor.
8. Consumo de agua de refrigeración mínimo o nulo.
9. Ruido grande a causa de la admisión del compresor y del escape, pero menor en muchos casos a los motores diésel.
10. El número de revoluciones en las TG es menor que en los turbocompresores.
11. Tiempo de montaje menor que las turbinas de vapor.
12. Flexibilidad en el combustible.

Acción Curtis

Acción Rateau

Parsons