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ÍNDICE:
1.
REFRIGERACIÓN POR CAPTACIÓN DIRECTA.
2.
REFRIGERACIÓN POR CIRCUITO SEMIABIERTO (TORRES DE
REFRIGERACIÓN).
3.
REFRIGERACIÓN CON AEROCONDENSADORES.
Las centrales térmicas necesitan ser refrigeradas, ya que la combustión
genera más energía térmica que
la que la planta es capaz de transformar en energía
eléctrica. El vapor es el
fluido calor portador que se utiliza para transportar la
energía térmica hasta
la turbina de vapor. Una vez utilizado, el vapor se convierte en vapor
“muerto”, y debe transformarse de nuevo en agua
líquida, para que pueda recibir
otra vez la transferencia de calor de la caldera de
recuperación.
Como el
rendimiento es del 55-58%, una central de ciclo
combinado necesita evacuar al menos el 42-45% de su potencia
térmica total. Las
técnicas convencionales para esta evacuación son
tres: circuito abierto,
circuito semiabierto con torres de refrigeración y
aerocondensación.
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REFRIGERACIÓN
POR CAPTACIÓN DIRECTA
Es la técnica más barata de las tres. Consiste en
la
captación directa de agua del caudal público,
río, lago o mar, que atraviesa el
condensador y es devuelta al medio después de sufrir un
salto térmico. La
energía evacuada se puede calcular en función del
caudal circulante y el salto térmico.
Además de ser la técnica más barata y
más sencilla de implantar, también es la
que consigue una menor temperatura en el condensador. Al ser la
temperatura
menor, se condensa mayor cantidad de vapor y el nivel de
vacío en el condensador
es mayor. Esto se traduce en que el foco frío de la turbina
de vapor es mayor
(el salto térmico entre la entrada y la salida de la
turbina), por lo que hay
más energía disponible para mover la turbina,
generándose más energía en la
turbina de vapor, y
por tanto, en la
planta. Aproximadamente, una central refrigerada por
captación directa tiene
una potencia de unos 5 MW superior a la misma central refrigerada por
torre de
refrigeración, y unos 10
MW más que si
la refrigeración fuera por aerocondensadores, para una
planta tipo de unos 400
MW de potencia.
Los
principales problemas de este sistema de refrigeración
son:
1)
Al ser el
caudal tan alto, la
energía para bombear el agua desde el cauce del que se toma también es
alta. Por ello, la central debe
estar muy próxima al cauce, ya que de no ser así
la energía de bombeo es muy
alta incluso superior a la ganancia en potencia.
2)
El
tamaño de las tuberías que se
necesitan para llevar el agua hasta la central y devolverla al cauce
público
también es muy grande. Las obras necesarias para la
construcción de estas
conducciones son muy importantes. De nuevo, por esta razón
las plantas deben
estar muy cercanas al cauce, ya que la obra puede encarecerse
enormemente.
3)
Las cuencas
fluviales difícilmente
disponen de los caudales necesarios, por lo que su uso se restringe a
plantas
situadas muy cercada de la costa, y toman por tanto agua de mar.
4)
Tienen un
impacto ambiental mayor
que los otros sistemas, por la elevación de la temperatura y
por el mayor
vertido de productos químicos biocidas para evitar la
proliferación de especies
biológicas en las instalaciones. Con el fin de no
dañar los ecosistemas marinos
suelen existir dos limitaciones térmicas: que el salto no
supere en ningún caso
los 3ºC,
y
que la temperatura total del agua no llegue a los 30ºC
en ningún momento.
La
refrigeración por captación directa necesita de
los
siguientes elementos:
1)
Tuberías
de captación.
2)
Balsa.
3)
Bombas de
impulsión.
4)
Circuito
interior de impulsión.
5)
Condensador.
6)
Circuito
interior de retorno.
7)
Canal de
descarga o emisario
submarino.
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REFRIGERACIÓN
POR CIRCUITO SEMIABIERTO (TORRES DE REFRIGERACIÓN).
Cuando por razones de disponibilidad de agua, razones
legislativas o medio-ambientales no se puede disponer de un cauce
público del
que extraer el agua fría y devolverla a mayor temperatura,
se emplea un
circuito semiabierto con torres de refrigeración. La
principal ventaja es que
el aporte de agua es mucho menor, y por tanto, el impacto
medioambiental de las
centrales con torre de refrigeración también lo
es. El inconveniente es que el
foco frío de la turbina de vapor, el condensador,
está a un nivel energético
mayor, por lo que el salto térmico es menor y el rendimiento
de este tipo de
centrales es también
menor que en
circuito abierto.
Existen 3 tipos de torres de refrigeración:
1) La torre
de tiro inducido, es la
más usada en instalaciones
de gran tamaño. El agua caliente procedente de la
refrigeración se deja caer
por el interior de la torre mediante un sistema de
distribución de agua, que
debe caer uniformemente sobre la torre. En la parte superior se
sitúan unos
grandes ventiladores que hacen que el aire circule a contracorriente
del agua.
El fenómeno de cesión de calor se debe a que al
entrar en contacto el agua
caliente con el aire se forma una película de aire
húmedo alrededor de cada
gota. El agua que pasa al aire, y
por
tanto se evapora, extrae el calor necesario para la
evaporación del propio
líquido y produce por tanto un enfriamiento del mismo. Por
lo parte superior
sale el aire húmedo, visible si las condiciones ambientales
dificultan la
disolución de este
vapor en el aire
(frío intenso o humedad relativa alta). Este vapor visible
se denomina penacho
o pluma.
Figura 1. Torre de
tiro inducido.
Una de las
principales ventajas de este tipo de torre es
que puede ser bastante baja, disminuyendo así la
energía requerida para el
bombeo de agua a las partes altas de la torre.
Los elementos que componen una torre de refrigeración son
prácticamente los mismos para las de tipo forzado e
inducido. Los más
importantes son los siguientes:
a)
Separador de
gotas:
El
separador de gotas tiene la
finalidad de detener las gotas de agua que
arrastra la corriente de aire al salir
de la torre. Este objetivo se
consigue mediante un cambio brusco de la dirección
(60º es la más efectiva) del
aire al salir. Esta variación provoca que el agua arrastrada
se deposite sobre
la superficie del separador de gotas, cayendo posteriormente al
relleno. La
existencia del separador tiene las ventajas de reducción de
perdidas de agua,
evita daños en el entorno de la torre, sobre todo si el agua
de la torre es
salada y limita la formación de neblinas.
b)
Sistema de
distribución de agua a
enfriar:
Este
sistema de tuberías y conductores tiene la finalidad de
repartir uniformemente
el flujo de agua por encima del relleno. Existen dos métodos
de reparto: por
gravedad o por presión. En el primero el agua caliente cae
sobre el relleno por
su propio peso. Su funcionamiento consiste en llevar hasta una balsa
colocada
sobre el relleno el agua caliente y una vez allí se reparte
por unos canales
que dejan caer el agua por gravedad sobre unas piezas en forma de
herradura que
sirven de enlace entre los canales y el relleno. En el segundo, la
tubería que
contiene el agua con cierta presión, suministrada por las
bombas de impulsión
del circuito de refrigeración, se conduce por
tuberías hasta unos aspersores,
que rocían el relleno con pequeñas gotas.
c)
Relleno: Tiene una
vital importancia para
el intercambio de calor, ya que debe proporcionar, una superficie de
intercambio lo más grande posible entre el agua que cae y el
aire que asciende
y retardar el tiempo de caída del agua, asegurando una mayor
duración del
proceso de intercambio.
Las
características que un relleno debe tener son:
- Se debe
realizar con un material de bajo coste debido a la cantidad empleada, y
debe ser de fácil colocación.
- La superficie
del mismo debe ser la mayor posible en relación con su
volumen.
- Su
diseño debe permitir fácilmente
el paso del aire entre él, de forma que ofrezca la menor
resistencia y perdida de carga. Así mismo debe distribuir
uniformemente el aire y el agua.
- Debe ser
resistente al deterioro ambiental y químico, y
fácil de limpiar.
Existen tres
formas distintas de realizar el reparto de
agua a través del relleno: por salpicadura o goteo, de
película o laminares y
de tipo mixto. Cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes por lo que
se
tiende a utilizar cada tipo de relleno dependiendo de las
características de
uso y diseño de la torre. Los más habituales son
los de película o laminados.
Este relleno distribuye el agua en una
fina película que fluye por
su superficie y por consiguiente pone una
gran superficie de agua en contacto con la corriente de aire. La
película de agua
debe ser muy delgada y cubrir la mayor superficie posible del relleno,
y debe
procurarse que el agua descienda adherida a la superficie del relleno
evitando
que la corriente del aire separe el agua del relleno. Para conseguir
estos
objetivos se realizan grupos de láminas onduladas de PVC
colocadas de forma
paralela y a cierta distancia formando cubos para favorecer su apilado.
d)
Ventiladores: Estos
equipos trabajan en
condiciones duras, debido a que están continuamente en
funcionamiento, en un
clima de elevada humedad y temperatura. Son los encargados de crear el
flujo de
aire. El equipo completo se compone de motor, transmisión y
aspas. Los motores
de las torres de refrigeración deben estar convenientemente
protegidos de la
humedad, de la atmósfera contaminada por los aditivos del
agua. Suelen llevar
un aislamiento de tipo B, aislado para temperaturas de hasta 120 ºC
o tipo F, aislado
para temperaturas de hasta 140 ºC, y
siempre que sea posible el motor ha de colocarse
resguardado de las corrientes de aire caliente y saturado, mediante su
correspondiente
sistema de transmisión, existiendo diferentes tipos de
transmisión dependiendo
de las necesidades de construcción. Las aspas suelen ser de
plástico o similar
debido a su bajo coste, ligereza y resistencia
a la corrosión. El
número de aspas influye directamente sobre la
presión
que ejerce en ellas: a mayor número de aspas menor
presión. Igualmente, un
número mayor de aspas supone facilidades para un
óptimo equilibrado, para
evitar posibles problemas de vibraciones, se recomienda cada tres o
cuatro años
un equilibrado del ventilador debido a la posible erosión de
las aspas,
corrosión o a la deposición de suciedad. Se puede
variar el ángulo de ataque de
éstas fácilmente.
e)
Bombas de
impulsión:
Las bombas
se utilizan para que
el agua ya enfriada alcance presión suficiente como para
llegar a los
diferentes elementos a enfriar y posteriormente para subir el agua ya
calentada
a la parte superior de la torre, cerrando el circuito. El conjunto de
bombas
debe cumplir con los requerimientos de la instalación
(caudal y altura
manométrica).
f)
Balsa: Situada en
la parte inferior de
la torre, es el depósito de agua fría de la torre.
g)
Sistema de
agua de aporte: La
evaporación de agua en la
torre provoca una disminución del volumen de agua en
ésta. Por otro lado, la concentración
de sales en el agua se controla con un régimen de purgas
adecuado. La
evaporación y las purgas hacen
que sea necesario el aporte casi constante de agua.
2) Las torres
evaporativas de tiro forzado
están generalmente dotadas de un
ventilador con su eje horizontal en el lado de la torre, el cual
descarga aire
hacia atrás. El flujo de aire es dirigido después
hacia arriba por mamparas,
haciéndolo pasar a través de la corriente
descendente del agua, después de lo
cual es descargado por la parte superior a través de un
sistema que elimina el
rocío. Ya que la totalidad de la superficie de la parte
superior de la torre es
usada para la descarga de aire, la velocidad del aire de salida es
más baja que
las velocidades de descarga de la torres de tiro inducido. Los
elementos que
componen estas torres son prácticamente los mismos que los
que componen las
torres de tiro inducido. En las torres de tiro inducido natural, el
aire se
mueve por el efecto chimenea. No se consume ningún tipo de
energía para efectuar
el movimiento de este aire. Son particularmente seguras en su
funcionamiento y
generalmente se emplean para el enfriamiento de grandes caudales de
agua.
Ocupan un volumen mayor a igualdad de capacidad de enfriamiento que las
torres
de tiro inducido o forzado esto se debe a que las velocidades del aire
son
frecuentemente bajas. No son muy habituales en las centrales de ciclo
combinado.
Figura 2. Torres tiro
forzado.
3) Las torres
de tiro natural el aire se
mueve por el efecto
chimenea. No se consume ningún tipo de energía
para efectuar el movimiento de
este aire. Son particularmente seguras en su funcionamiento y
generalmente se
emplean para el enfriamiento de grandes caudales de agua. Ocupan un
volumen
mayor a igualdad de capacidad de enfriamiento que las torres de tiro
inducido o
forzado, esto se debe a que las velocidades del aire son frecuentemente
bajas.
No son muy habituales en las centrales de ciclo combinado.
Figura 3. Torre tiro
natural.
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REFRIGERACIÓN
CON AEROCONDENSADORES.
De los tres sistemas de refrigeración, el que emplea
aerocondensadores
es el menos agresivo con el medio ambiente, pero el que tiene un coste
más
elevado y el que provoca en la planta una mayor disminución
del rendimiento. Su
funcionamiento se basa en el intercambio de calor entre el aire
atmosférico y
el vapor muerto procedente de la salida de la turbina. Es muy parecido
al
sistema que emplea el radiador del automóvil. El vapor se
hace pasar a través
de unos haces tubulares que aumentan la superficie de contacto del
vapor. Éste
se enfría en contacto con el metal del aerocondensador, que
a su vez es
enfriado por la poderosa corriente de aire que provocan unos
gigantescos
ventiladores, colocados generalmente en el plano horizontal. Los haces
tubulares tienen forma de tejado de casa, y en el interior de ese
tejado están
colocados los ventiladores. La pérdida de rendimiento de la
planta es
consecuencia de la disminución del salto térmico
en la turbina de vapor, al
estar el foco frío de la turbina (es decir, la salida) a un
nivel mayor. La
pérdida puede cuantificarse, como ya hemos dicho, en unos 10
MW par una planta
de 400 MW, sobre la potencia que alcanzaría una central
igual refrigerada en
circuito abierto.
Figura 4. Esquema de
funcionamiento de un
aerogenerador.
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