Planta termoeléctrica de biomasa

Máquinas Térmicas[pic 1]

Trabajo de curso: máquinas térmicas

Instalación térmica de vapor de generación

[pic 2]

Alex Bauza, Joan Josep Jaume, Oswin Crespo, Sergio Bueno

Grupo 10T3

Fecha entrega: 26/10/22

1. Introducción

Este proyecto se enfoca en el ámbito del ahorro energético a partir del conocimiento técnico de algunos de los procedimientos de la máquina térmica, es por eso que se busca optimizar una instalación real o ficticia que funcione a partir del flujo y transformación de energía térmica.

Analizando las instalaciones y partiendo de la experiencia, no solo se busca que sea rentable en cuanto a proyecto financiero, sino que también es necesario afinar al máximo su rendimiento y funcionamiento para minimizar el impacto ambiental que tendrá como infraestructura de generación de energía.

Por lo tanto, se unen estas dos ideas para obtener una planta térmica de vapor de generación que siga los objetivos establecidos como proyecto.

1. Objetivos

Estos objetivos se centrarán en la idea principal del estudio, la creación de una instalación que sea capaz de generar energía a partir de una fuente de calor y aprovechar el calor residual del proceso de generación en otro sector o subproceso. Por lo tanto, los objetivos vendrán pautados por:

• Diseño de una planta de generación de energía barata y de poco impacto ambiental.
• Realizar un análisis sobre las centrales termoeléctricas y los sistemas que las conforman.
• Realizar los cálculos de flujos y parámetros de la instalación a proponer, aplicando los conocimientos obtenidos en la materia y haciendo uso de la herramienta STEAM SYSTEM MODELER TOOL.
• Analizar el impacto medioambiental y el costo económico que tendrá el sistema propuesto.

1. Máquina térmica

Una vez centrados en los objetivos a cumplir para el proyecto, se ha escogido una central termoeléctrica como base, este tipo de central aprovecha una fuente de calor para producir vapor de agua y usarlo como fluido de trabajo, de esta manera, se convierte la energía térmica en energía eléctrica a partir de una turbina de vapor. A continuación se muestra un esquema general de este tipo de plantas y su funcionamiento.

Ilustración 1. Esquema de una central termoeléctrica.

Fuente: https://www3.gobiernodecanarias.org/medusa/ecoblog/fsancac/2014/11/03/central-termoelectrica-esquemas/

Estas centrales termoeléctricas funcionan bajo el ciclo Rankine, este es el ciclo termodinámico ideal para cualquier planta generadora que use vapor de agua. El ciclo Rankine consta de 4 caminos que se pueden describir en un diagrama T-S:

Ilustración 2. Diagrama Rankine T-S ideal.

Fuente: THERMODYNAMICS: AN ENGINEERING APPROACH

• Camino 1-2: Se aumenta la presión del agua mediante isoentrópicamente con el uso de una bomba (Aporte de trabajo).
• Camino 2-3: Se aporta calor al fluido manteniendo una presión constante mediante el uso de una caldera de combustión externa.
• Camino 3-4: Expansión del vapor isoentrópicamente mediante el uso de una turbina (Generación de trabajo).
• Camino 4-1: Se extrae el calor restante para condensar todo el vapor de agua y poder comenzar el ciclo nuevamente.

Se debe tener en cuenta que en el mundo real es imposible cumplir con ciertas facultades de este ciclo como lo son los procesos estrictamente isoentrópicos o mantener una presión puramente constante, de esta manera se puede trabajar con diagramas modificados.

Ilustración 3. Diagrama Rankine T-S real.

Fuente: THERMODYNAMICS: AN ENGINEERING APPROACH

Estos ciclos reales son muy difíciles de seguir al momento de realizar un cálculo. Debido a la naturaleza del proyecto, el diseño del sistema de este proyecto se basará en el diagrama teórico, suponiendo que la variación con el real será mínima o despreciable. Por otro lado, algo a resaltar de este ciclo termodinámico es que la energía obtenida aumentará si la diferencia entre presión máxima  y mínima es mayor, por lo tanto, se puede disminuir la presión de funcionamiento del condensador o aumentar la presión de funcionamiento de la caldera para poder extraer más energía del sistema.

Ilustración 4. Disminución de presión de condensador.                Ilustración 5. Aumento de presión de caldera.

Fuente: THERMODYNAMICS: AN ENGINEERING APPROACH

Existe un problema al llevar a cabo estas modificaciones debido a que las turbinas siempre deben trabajar con fluidos en estado gaseoso para evitar daños en la misma y si estas modificaciones son muy exageradas causarán que exista condensación antes de lo previsto. En consecuencia, el ciclo presenta ineficiencias al desaprovechar el calor extraído y no poderlo convertir en trabajo para evitar que exista cambios de fase dentro de la turbina. Existen muchas variantes que buscan optimizar los diseños basados en este ciclo, en los siguientes apartados se estudiarán las diferentes variantes con las que se busca aumentar la eficacia del sistema a diseñar.

...