Ciclo Rankine

El ciclo Rankine es un proceso termodinámico que convierte el calor en trabajo mecánico utilizando vapor de agua como fluido de trabajo. Este ciclo consta de cinco procesos principales:

  1. Calentamiento
  2. Vaporización
  3. Expansión
  4. Condensación
  5. Bombeo

Un ejemplo común del ciclo Rankine se encuentra en las plantas de energía. En este caso, se quema combustible (como carbón) en una caldera para calentar agua y producir vapor. El vapor a alta presión se expande a través de una turbina, lo que transforma la energía térmica en energía mecánica para generar electricidad. Finalmente, el vapor se enfría y condensa en un condensador, y el agua condensada se bombea de nuevo a la caldera para reiniciar el ciclo.

Definiciones Básicas de Calderas

  • Presión de Régimen:

    Presión constante de funcionamiento cuando la caldera está en servicio a pleno rendimiento. En calderas modernas, suele ser superior a 60 kp/cm2. Se mide a la salida del calentador.

  • Presión de Timbre o de Seguridad:

    Presión máxima que puede soportar la caldera en relación a su seguridad. Es la presión a la que se cargan las válvulas de seguridad y es ligeramente superior a la presión de régimen. Esta presión se reduce gradualmente a lo largo de la vida útil de la caldera.

  • Presión de Prueba de la Caldera:

    Prueba que determina la resistencia de la caldera y se realiza cada cierto tiempo. Es una prueba hidráulica que la caldera debe soportar sin ningún tipo de deformación ni pérdidas. Normalmente, se prueba a una presión un 25% superior a la presión de timbre.

  • Capacidad o Potencia de Vapor:

    Cantidad de vapor máximo que puede generar la caldera en funcionamiento. Se expresa en kg/h o Tm/h.

  • Superficie de Calefacción:

    Superficie donde se realizan las transferencias de calor. Pueden ser tubos o chapas, y pueden ser directos o indirectos.

  • Volumen en el Horno u Hogar:

    Es el volumen limitado por los colectores, los haces de tubos y las chapas de radiación. Se mide en m3.

  • Vaporización Específica:

    Los kilos de vapor generados por unidad de superficie de calefacción y hora. Se mide en kg/m2xh, donde los m2 son de la parrilla.

  • Intensidad de Combustión:

    Combustible que la caldera puede quemar por m2 de superficie de calefacción y hora. Se mide en kg/m2xh emparrillado y kg/m3xh volumen del hogar.

  • Vaporización Específica del Combustible:

    Kg de vapor por kg de combustible.

  • Rendimiento Térmico de la Caldera:

    Relación entre el calor aprovechado y el producido en el hogar. Se mide en %. η = E útil / E total. El rendimiento actual de una caldera suele rondar el 95%, existiendo un 5% de pérdidas por los gases de escape.

  • Peso de la Caldera:

    Se puede considerar llena o vacía. Este factor afecta a la estabilidad del buque, por lo que habrá que tenerlo en cuenta a la hora de calcular el trimado (asiento).

Condiciones que debe cumplir una caldera

  • Seguridad del Funcionamiento:

    Que haya continuidad de servicio, tanto para el personal como para la navegación.

  • Resistencia de los Materiales:

    Evitar el desgaste o roturas del material.

  • Flexibilidad:

    Es la condición en la cual la maniobra de la caldera se realiza con mayor o menor facilidad.

  • Sencillez y Manejo:

    Fácil de manejar, ergonómica y segura.

  • Construcción:

    Muy simple para su reparación y mantenimiento.

  • Condiciones Óptimas de Dilatación:

    Al pasar de frío a funcionamiento, se tiene que dilatar y por ello los colectores, haces de tubos, etc., no están sujetos a ninguna estructura metálica.

  • Rendimiento Técnico:

    Lo más alto posible. Hay que aprovechar todo el poder calorífico del combustible.

  • Circulación de Agua y de los Gases:

    La circulación debe ser activa y definida, para evitar calentamientos excesivos.

Tipos de Calderas

Caldera Lamont

Es un tipo de caldera de agua con un diseño especial que permite una mayor circulación de agua que de vapor. Posee un domo que facilita esta circulación al recibir la mezcla de agua y vapor. Esta característica permite un cambio rápido de régimen y evita que los tubos se quemen, lo que permite el uso de agua de peor calidad. Las turbobombas mueven el agua y los tubos vaporizadores pueden ser más pequeños para mejorar la transferencia de calor. La caldera tiene un economizador que se calienta con gases de escape y funciona con una presión de trabajo de al menos 60 kp/cm2. Se destaca que esta caldera es de circulación forzada de agua y tiene una bomba de reserva para evitar la destrucción de la caldera en caso de fallo en la circulación de agua.

Caldera Forzada de Vapor Loeffler

Consta de dos recalentadores, uno de radiación y otro de convección a contraflujo. El vapor recalentado convierte el agua en vapor saturado, eliminando los problemas asociados con el fuego directo y las paredes de agua. Cuanto mayor sea la entalpía del vapor recalentado, mayor será la cantidad de vapor obtenido. Es crucial que el vapor salga lo más seco posible del evaporador para evitar incrustaciones de sales en el primer recalentador por radiación. El vapor sale a alta entalpía, aproximadamente 500 ºC, y alcanza una presión de trabajo de entre 100 y 150 kp/cm2. La turbo bomba absorbe un 2% de la potencia y se requiere una pequeña caldera o generador de vapor para iniciar el sistema.

Caldera Benson

Caldera que puede alcanzar una presión de entre 70 y 90 kp/cm2 con un recalentamiento entre 450 y 480 ºC. Tiene una excelente transmisión de calor y puede alcanzar el régimen operativo en media hora, siendo especialmente útil en buques de guerra. Se denomina caldera de circulación poco forzada porque solo se fuerza la cantidad justa de agua, lo que también se conoce como caldera de agua-vapor. Los tubos tienen un diámetro de entre 20 y 30 cm y están soldados. Su disposición es similar a la caldera Lamont. Al final de los radiadores se ha evaporado el 40% del agua, mientras que al final de los vaporizadores se ha alcanzado el 85%. Esta caldera no tiene un limitador de presión conocido.

Caldera Velox

La caldera Velox es de alta presión y funciona como las turbinas de gas, con un hogar sobrealimentado y circulación forzada de agua-vapor. Opera a 2,5 kp/cm2 y 1600 ºC, impulsando más agua de la que vaporiza. La sobrepresión en el hogar es generada por el eje de carga del compresor, inicialmente por un motor eléctrico, que también controla los cambios de régimen. Con un rendimiento del 92%, se destaca por su rápida puesta en marcha y capacidad para pasar de frío a plena carga en 10 minutos. El economizador, de tubos verticales, requiere un control riguroso debido al riesgo de explosión.

Caldera de Recuperación (Caldereta de Gases de Escape)

La caldera de recuperación de calor Clayton funciona según el mismo principio que el referido generador de vapor Clayton. Es por ello el medio más compacto, eficiente, flexible y seguro de producir vapor de alta calidad o agua caliente a partir de los gases de escape. Funciona por el principio de circulación forzada de agua a través del serpentín. La caldera se instala en la fuente de calor de los gases residuales. El agua de alimentación circula a través del serpentín en dirección opuesta a los gases, mediante una bomba. La mezcla de vapor-agua a la salida del serpentín se dirige al separador centrífugo, obteniéndose vapor de agua. El agua separada retorna al tanque de condensación. Una característica importante es la prevención de corrosión mediante el precalentado del agua de alimentación.

Circulación Natural: Clasificación

La circulación natural ocurre cuando un fluido experimenta dilatación debido al calentamiento, generando corrientes de convección por diferencia de densidades. Se distinguen varios tipos:

  • A) Circulación Natural Libre:

    Sin restricciones, como en las calderas escocesas o un recipiente al fuego donde las partes interiores suben y las partes exteriores bajan el agua.

  • B) Circulación Natural Limitada:

    Se indica por dónde sube y baja el fluido, como en las calderas acuotubulares tipo Yarrow.

  • C) Circulación Natural Acelerada:

    Aprovecha el efecto termosifón en los tubos, donde una mezcla de agua y vapor de baja densidad actúa como un sifón, acelerando la corriente, especialmente cerca del hogar.

  • D) Circulación Natural Activada:

    Se utiliza para mejorar las corrientes de convección en zonas muertas introduciendo entradas de agua con un flujo diferente al interior del colector, como en la Howden-Johnson, para mejorar la transmisión de calor.

Límites de la Circulación Natural

Son 3 conceptos (combustión, humedad y circulación).

La circulación natural se basa en la diferencia de densidades dentro del fluido, donde es crucial mantener una segregación total entre el circuito descendente y ascendente para maximizar estas diferencias. Los límites principales son la combustión, la humedad y la circulación, con la prioridad de evitar el primero, ya que su aparición puede prevenir los otros dos. Los tubos de mayor diámetro suelen absorber más calor y están ubicados cerca del hogar, mientras que la velocidad del fluido debe mantenerse entre 0,3-0,5 m/s para evitar daños en los tubos. Se busca equilibrar la generación de vapor con la prevención de corrosión o incrustaciones en los tubos.

Ventajas de la Circulación Forzada

La circulación forzada ofrece numerosas ventajas sobre la circulación natural, incluyendo una mayor eficiencia en la vaporización de agua, con tasas que pueden alcanzar de 3 a 20 veces más. Además, se caracteriza por su estabilidad, definición y velocidad, permitiendo una mayor flexibilidad en el diseño de calderas, incluso con la posibilidad de tubos horizontales. Esto resulta en una relación peso-potencia más alta, una rápida puesta en marcha y cambios de carga más flexibles. Sin embargo, presenta inconvenientes como el deficiente almacenamiento de agua, la necesidad de un circuito de alimentación adecuado, y problemas asociados con el bombeo y la inestabilidad debido a la rápida vaporización del agua.

Impurezas en los Combustibles

A excepción del gas natural, todos los combustibles contienen ciertas impurezas y contaminantes que durante la combustión se transforman en gases y cenizas que ocasionan problemas de corrosión y depósitos.

En el petróleo se presentan las siguientes impurezas:

  • Compuestos orgánicos complejos
  • Metales (hierro, níquel y vanadio)
  • Compuestos de azufre
  • Compuestos de sodio

Cabe destacar que los elementos que causan más problemas son el vanadio, azufre y sodio.

Poder Calorífico en los Combustibles (Superior e Inferior)

Poder Calorífico Superior

Se basa en la suposición de que todos los elementos de la combustión están a 0ºC y los gases de combustión se enfrían a la misma temperatura, lo que condensa completamente el vapor de agua. Esto aporta 597 kcal/kg de calor debido a la condensación del vapor de agua, proveniente de la humedad del combustible y del hidrógeno.

Poder Calorífico Inferior

No incluye la condensación del vapor de agua en los gases de combustión, lo que significa que no hay un aporte adicional de calor. Se basa únicamente en el calor de oxidación del combustible, conocido como poder calorífico inferior del combustible.

 

5.Caldera de recuperación (Caldereta de gases de escape) ➔ La caldera de recuperación de calor clayton funciona según el mismo principio que el referido generador de vapor clayton. Es por edo el medio mas compacto, eficiente, flexible y seguro de producir vapor de alta cantidad o agua caliente a partir de los gases de escape. Funciona por el principio de circulación forzada de agua a través del serpentín. La caldera se instala en la fuente de calor de los gases residuales El agua de alimentación circula a través del serpentín en dirección opuesta a los gases, mediante una bomba. La mezcla de vapor-agua a la salida del serpentín se dirige al separador centrífugo, obteniéndose vapor de agua. El agua separada retorna al tanque de condensación. Característica es la prevención de corrosión mediante el precalentado del agua de alimentación. 6. Circulación natural: Clasificación. ➔ La circulación natural ocurre cuando un fluido experimenta dilatación debido al calentamiento, generando corrientes de convección por diferencia de densidades. Se distinguen varios tipos: ◆ A) Circulación natural libre: Sin restricciones, como en las calderas escocesas o un recipiente al fuego donde partes interiores suben y partes exteriores bajan el agua. ◆ B) Circulación natural limitada: Se indica por dónde sube y baja el fluido, como en las calderas acuotubulares tipo Yarrow. ◆ C) Circulación natural acelerada: Aprovecha el efecto termosifón en los tubos, donde una mezcla de agua y vapor de baja densidad actúa como un sifón, acelerando la corriente, especialmente cerca del hogar. ◆ D) Circulación natural activada: Se utiliza para mejorar las corrientes de convección en zonas muertas introduciendo entradas de agua con un flujo diferente al interior del colector, como en la Howden-Jhonson, para mejorar la transmisión de calor. 


7.Límites de la circulación natural (Bien explicado) Son 3 conceptos (Combustión, humedad y circulación). ➔ La circulación natural se basa en la diferencia de densidades dentro del fluido, donde es crucial mantener una segregación total entre el circuito descendente y ascendente para maximizar estas diferencias. Los límites principales son la combustión, la humedad y la circulación, con la prioridad de evitar el primero, ya que su aparición puede prevenir los otros dos. Los tubos de mayor diámetro suelen absorber más calor y están ubicados cerca del hogar, mientras que la velocidad del fluido debe mantenerse entre 0,3-0,5 m/s para evitar daños en los tubos. Se busca equilibrar la generación de vapor con la prevención de corrosión o incrustaciones en los tubos. 8.Ventaja de la circulación forzada: ➔ La circulación forzada ofrece numerosas ventajas sobre la circulación natural, incluyendo una mayor eficiencia en la vaporización de agua, con tasas que pueden alcanzar de 3 a 20 veces más. Además, se caracteriza por su estabilidad, definición y velocidad, permitiendo una mayor flexibilidad en el diseño de calderas, incluso con la posibilidad de tubos horizontales. Esto resulta en una relación peso-potencia más alta, una rápida puesta en marcha y cambios de carga más flexibles. Sin embargo, presenta inconvenientes como el deficiente almacenamiento de agua, la necesidad de un circuito de alimentación adecuado, y problemas asociados con el bombeo y la inestabilidad debido a la rápida vaporización del agua