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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.
- 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.
- 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.
- 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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