COGENERACIÓN. Santiago Quinchiguango

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1 COGENERACIÓN Santiago Quinchiguango Noviembre de 2014

2 8.3 Selección del motor térmico.

3 8.3 Selección del motor térmico. MOTORES TÉRMICOS INTRODUCCIÓN Los motores térmicos son dispositivos que transforman calor en trabajo. El calor procede usualmente de una reacción de combustión (aunque también puede ser de origen nuclear, solar, etc.), siendo absorbido por un fluido motor que, al describir un ciclo termodinámico, pone piezas en movimiento realizando un trabajo.

4 8.3 Selección del motor térmico. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS Los motores se puede clasificar atendiendo a diversos factores: En función del lugar donde se realiza la combustión: Motores de combustión externa: en éstos, el calor generado en la combustión es transmitido a uno o varios fluidos intermedios (agua, aceites, etc) el último de los cuales, que suele ser vapor de agua o un gas, lo transforma en energía mecánica a través de una máquina de movimiento alternativo o rotativo (es el caso de la máquina de vapor, de la turbina de vapor, del motor Stirling y de la turbina de gas de circuito cerrado).

5 8.3 Selección del motor térmico. Motores de combustión interna: en éstos, la combustión se realiza en el propio fluido motor, en una cámara interna del motor, y son los propios gases de la combustión los que, al expandirse, producen los movimientos de las piezas del motor (es el caso de los motores de explosión, motores de combustión o Diésel, turbinas de gas de ciclo abierto, motores de reacción, etc.). En función del tipo de movimiento producido: Motores alternativos: el fluido motor actúa sobre pistones que se desplazan subiendo y bajando en unos cilindros. Motores rotativos: el fluido motor actúa sobre pistones rotantes o sobre álabes de turbinas, Motores de chorro o de reacción: el fluido motor produce el empuje por el principio de acción y reacción.

6 8.3 Selección del motor térmico. Fuente:

7 8.3 Selección del motor térmico. Tipo Ventajas Desventajas Elevada relación electricidad/calor Alto rendimiento eléctrico Alto coste de mantenimiento Bajo coste Motor alternativo Tiempo de vida largo Energía térmica muy distribuida y a Capacidad de adaptación a variaciones baja temperatura de la demanda Turbina de vapor Turbina de gas Rendimiento global muy alto Baja relación electricidad/calor Extremadamente segura Posibilidad de emplear todo tipo de combustibles No permite alcanzar altas potencias eléctricas Larga vida de servicio Amplia gama de potencias Pues en marcha lenta Coste elevado Amplia gama de aplicaciones Limitación en los combustibles Muy fiable Elevada temperatura de la energía térmica Rango desde 0,5 a 100 MW Tiempo de vida relativamente corto Gases con alto contenido en oxígeno Fuente:

8 8.3.1 Configuración de la planta. A. COGENERACIÓN CON MOTOR DE GAS Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente. Fuente:

9 8.3.1 Configuración de la planta. B. COGENERACIÓN CON TURBINA DE GAS En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador. Parte de la energía se transforma en energía mecánica, que se transformará con la ayuda del alternador en energía eléctrica. Fuente:

10 8.3.1 Configuración de la planta. C. COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera convencional. El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Fuente:

11 8.3.1 Configuración de la planta. D. COGENERACIÓN EN CICLO COMBINADO CON TURBINA DE GAS Y VAPOR La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo que se denomina " Ciclo Combinado". En el gráfico adjunto puede verse que los gases de escape de la turbina pueden tirarse a la atmósfera si no se requiere aprovechamiento térmico, a través del bypass, o pueden atravesar la caldera de recuperación, donde se produce vapor de alta presión.

12 8.3.1 Configuración de la planta. D. COGENERACIÓN EN CICLO COMBINADO CON TURBINA DE GAS Y VAPOR Fuente:

13 8.3.1 Configuración de la planta. D. COGENERACIÓN EN CICLO COMBINADO CON TURBINA DE GAS Y VAPOR Este vapor puede descomprimirse en una turbina de vapor produciendo una energía eléctrica adicional. La salida de la turbina será vapor de baja presión, que puede aprovecharse como tal o condensarse en un condensador presurizado, produciendo agua caliente o agua sobrecalentada, que será utilizado en la industria asociada. En un ciclo combinado con turbina de gas el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hacen en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Por ello se requiere una ingeniería apropiada capaz de crear procesos adaptados al consumo de la planta industrial asociada a la cogeneración, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño.

14 8.3.1 Configuración de la planta. E. COGENERACIÓN CON MOTOR DE GAS Y TURBINA DE VAPOR En este tipo de plantas, el calor contenido en los humos de escape del motor se recupera en una caldera de recuperación, produciendo vapor que es utilizado en una turbina de vapor para producir más energía eléctrica o energía mecánica. Fuente:

15 8.3.1 Configuración de la planta. E. COGENERACIÓN CON MOTOR DE GAS Y TURBINA DE VAPOR Fuente:

16 8.3.2 Motor a gas Motor a gas. El gas natural como carburante, se usa en los motores de combustión interna al igual que se utilizan los carburantes líquidos como la gasolina o el diesel. Por ahora, ésta es la principal alternativa al petróleo, principal compuesto tanto de la gasolina como el diesel. Los motores de gas son los equipos con el rendimiento de conversión de energía térmica a eléctrica más elevado en la actualidad y producen mucha menos contaminación de CO2 (un 14% menos), por eso ya se usan en las llamadas centrales eléctricas de ciclo combinado y también en los coches.

17 8.3.2 Motor a gas En la cámara de combustión tiene lugar la combustión de gas y aire mezclados. Tienen forma cilíndrica y en su interior existe un pistón móvil que realiza la aspiración del combustible y el aire por un extremo mientras que por el otro extremo cede la energía desprendida en la combustión al eje motor mediante un sistema biela-manivela. Fuente:

18 8.3.2 Motor a gas a) El ciclo Otto desde el punto de vista funcional A pesar de que el motor de explosión de 4 tiempos es extraordinariamente conocido, demos un pequeño repaso al esquema de funcionamiento. El ciclo Otto se basa en el movimiento alternativo (de subida y bajada) del pistón en el interior del cilindro. El ciclo es abierto, pues la mezcla combustible gasaire se renueva en cada tiempo o fase de admisión. El ciclo completo consta de 4 tiempos, dos de subida del pistón y dos de bajada, como se vio anteriormente. Fuente:

19 8.3.3 Turbina a gas. Turbina a gas Transforman la energía cinética proveniente de la caldera Una turbina de gas es parecida a una turbina de vapor, pero es una máquina de combustión interna. En esta máquina los gases que empujan a la turbina son los propios gases de combustión. Esquemáticamente su funcionamiento se muestra en el siguiente dibujo: Las turbinas de gas se usan en los reactores de los aviones, por ejemplo. Son máquinas muy potentes que consumen gran cantidad de combustible y por tanto necesitan gran cantidad de aire. Fuente:

20 8.3.3 Turbina a gas. Fuente:

21 8.3.3 Turbina a gas. La siguiente imagen muestra un jet que es un tipo de turbina de gas. La turbina que inyecta aire en el sistema es la que está a la izquierda de la imagen y la de la derecha es la que es impulsada por los gases de combustión. Observa que ambas turbinas comparten el eje.

22 8.3.4 Turbina de vapor. Turbina de vapor Transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Fuente:

23 8.3.4 Turbina de vapor. Turbina de vapor de contrapresión En este sistema se inyecta agua en la caldera procedente del exterior, la cual se transforma en vapor, que mueve la turbina. El vapor saliente se baja de presión y se usa como tal (agua de la caldera en circuito abierto). Obviamente, el rendimiento de la turbina es muy bajo. Turbina de vapor de condensación En este sistema, parte del vapor se condensa y recircula en la caldera y turbina, y otra parte se emplea como tal. Ello hace necesario la inyección continua del agua del exterior en la caldera, para cubrir la que se evacúa en forma de vapor. El rendimiento es más elevado que en el sistema de contrapresión.

24 8.3.4 Turbina de vapor. Principio de operación: Flujo de vapor

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