Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán
Campo 4
Ingeniería Mecánica Eléctrica
Meléndez Torres Juan Manuel
314257082
Profesor: Cesar Sinue
Grupo: 2958
Plantas generadoras
2023-2
1. PANORAMA ENERGÉTICO.
Introducción.
En la actualidad, la demanda de energía está aumentando en todo el mundo debido al
crecimiento de la población y el desarrollo económico. Sin embargo, el suministro de
energía no es ilimitado y, por lo tanto, la búsqueda de fuentes de energía sostenibles y
renovables se ha convertido en una prioridad global.
Las fuentes de energía más utilizadas en la actualidad son los combustibles fósiles, como el
petróleo, el gas natural y el carbón, que son finitos y no renovables. Además, la quema de
combustibles fósiles tiene un impacto negativo en el medio ambiente y contribuye al cambio
climático.
Por otro lado, existen fuentes de energía renovable, como la energía hidráulica, solar,
eólica, geotérmica y la biomasa, que tienen un impacto ambiental mucho menor y son
prácticamente inagotables. Estas fuentes de energía renovable se están desarrollando
rápidamente y su uso está aumentando en todo el mundo. Sin embargo, todavía hay un
largo camino por recorrer para garantizar una transición hacia un sistema de energía
sostenible y renovable.
El problema del suministro de energía eléctrica.
Existen varias razones por las que puede haber un problema de suministro de energía
eléctrica. Algunas de ellas incluyen:
Falta de capacidad de generación: Si la capacidad de generación de energía eléctrica es
insuficiente para satisfacer la demanda, puede haber un problema de suministro.
Problemas en la red de distribución: Si la red de distribución de energía eléctrica no está
diseñada o mantenida adecuadamente, pueden producirse interrupciones en el suministro.
Cambios en la demanda: Si la demanda de energía eléctrica aumenta repentinamente, la
infraestructura de generación y distribución puede no ser capaz de mantenerse al día.
Fallos en los equipos: Si los equipos utilizados para generar o distribuir energía eléctrica
fallan, puede haber problemas en el suministro.
Condiciones climáticas adversas: Las condiciones climáticas extremas, como tormentas,
huracanes, tornados o terremotos, pueden afectar la infraestructura de generación y
distribución de energía eléctrica y provocar cortes en el suministro.
Clasificación de las plantas generadoras.
Las plantas generadoras se pueden clasificar de diversas formas según diferentes criterios,
algunos de los cuales son:
Según la fuente de energía utilizada:
Plantas térmicas: utilizan combustibles fósiles o biomasa para generar energía térmica que
se convierte en eléctrica.
Plantas hidroeléctricas: utilizan la energía potencial del agua almacenada en embalses o
que fluye en ríos para generar energía eléctrica.
Plantas nucleares: utilizan la energía liberada en la fisión nuclear para generar vapor y
mover turbinas que generan energía eléctrica.
Plantas eólicas: utilizan la energía cinética del viento para mover turbinas que generan
energía eléctrica.
Plantas solares: utilizan la energía radiante del sol para generar energía eléctrica.
Según la capacidad de producción:
Plantas de base: tienen una capacidad de producción alta y se utilizan para cubrir la
demanda base de energía eléctrica.
Plantas de pico: tienen una capacidad de producción menor y se utilizan para cubrir la
demanda de energía eléctrica en momentos de alta demanda.
Según su función en el sistema eléctrico:
Plantas de generación: producen energía eléctrica a partir de una fuente de energía.
Plantas de respaldo: se mantienen en reserva para cubrir la demanda en caso de que una
planta de generación falle o no produzca suficiente energía.
Plantas de regulación: ajustan la producción de energía eléctrica en tiempo real para
mantener la estabilidad del sistema eléctrico.
Clasificación de sistemas de generación de energía.
Según la fuente de energía primaria:
Generación térmica: utiliza combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural) o biomasa
como fuente de energía para producir calor y generar electricidad.
Generación hidroeléctrica: utiliza la energía cinética del agua en movimiento (ríos, lagos,
embalses) para mover turbinas y generar electricidad.
Generación eólica: utiliza la energía cinética del viento para mover turbinas y generar
electricidad.
Generación solar: utiliza la radiación solar para producir calor (en sistemas termosolares) o
electricidad (en sistemas fotovoltaicos).
Generación nuclear: utiliza la fisión nuclear para producir calor y generar electricidad.
Según la tecnología de generación:
Generación convencional: utiliza turbinas de vapor o de gas acopladas a generadores
eléctricos.
Generación de ciclo combinado: utiliza una combinación de turbinas de gas y vapor para
aumentar la eficiencia del proceso.
Generación con motores: utiliza motores de combustión interna para accionar generadores
eléctricos.
Generación con células de combustible: utiliza una reacción electroquímica para generar
electricidad a partir de hidrógeno o de gas natural.
Según la capacidad de generación:
Generación centralizada: se refiere a plantas de gran capacidad que suministran energía
eléctrica a una red de distribución.
Generación distribuida: se refiere a sistemas de pequeña escala (paneles solares, turbinas
eólicas, cogeneración) que generan energía eléctrica cerca del punto de consumo.
Según la operación:
Generación en base: se refiere a plantas que operan de manera continua a plena carga.
Generación de respaldo: se refiere a plantas que operan sólo en momentos de alta
demanda o cuando otras plantas no están disponibles.
Generación de emergencia: se refiere a plantas que se activan sólo en caso de fallas en el
suministro de energía eléctrica.
Según la sustentabilidad:
Generación convencional: utiliza fuentes de energía no renovable y emite contaminantes.
Generación renovable: utiliza fuentes de energía renovable y no emite contaminantes.
Panorama en México.
En México, la generación de energía eléctrica es principalmente producida por la Comisión
Federal de Electricidad (CFE), una empresa estatal que cuenta con diversas plantas
generadoras en todo el país, incluyendo hidroeléctricas, termoeléctricas y nucleares.
En los últimos años, el gobierno mexicano ha buscado fomentar la inversión en energías
renovables, como la eólica y la solar, con el objetivo de diversificar la matriz energética y
reducir la dependencia del país en los combustibles fósiles. Además, se ha implementado
una reforma energética que permite la participación de empresas privadas en la generación
y distribución de energía eléctrica.
Sin embargo, la generación de energía en México sigue enfrentando desafíos, como la
obsolescencia de la infraestructura y la necesidad de modernización y renovación de
equipos, así como problemas de eficiencia y confiabilidad en la transmisión y distribución de
la energía eléctrica.
Ubicación de plantas generadores.
Las plantas generadoras pueden ubicarse en diferentes lugares dependiendo del tipo de
generación y de los recursos disponibles. Algunos ejemplos de ubicaciones comunes son:
Centrales hidroeléctricas: se ubican en ríos con alto caudal y desnivel, donde se puede
construir una presa y una central hidroeléctrica para aprovechar la energía del agua.
Centrales termoeléctricas: se ubican cerca de fuentes de combustible, como centrales de
carbón o gas natural.
Centrales nucleares: se ubican en zonas alejadas de centros urbanos y cerca de fuentes de
agua para el enfriamiento del reactor.
Parques eólicos: se ubican en zonas con alta velocidad de viento, como zonas costeras o
zonas altas.
Plantas solares: se ubican en zonas con alta radiación solar, como desiertos o zonas de
clima cálido.
Situación actual.
La situación actual de la generación de energía eléctrica varía según la región y el país en
cuestión. En general, se está produciendo una transición hacia fuentes de energía
renovable y sostenible, con el objetivo de reducir la dependencia de los combustibles fósiles
y disminuir la emisión de gases de efecto invernadero. Sin embargo, todavía existe una
importante proporción de generación basada en combustibles fósiles, como el carbón y el
petróleo, lo que representa un desafío para lograr una transición energética efectiva y
cumplir con los objetivos de reducción de emisiones establecidos en los acuerdos
internacionales.
En el caso de México, el panorama actual de la generación de energía eléctrica se basa
principalmente en la producción de combustibles fósiles, especialmente gas natural y
carbón. Sin embargo, en los últimos años ha habido un aumento en la generación de
energía renovable, como la eólica y la solar. Además, el gobierno mexicano ha establecido
objetivos ambiciosos de generación de energía renovable, con el objetivo de alcanzar el
35% de la capacidad instalada total para 2024 y el 50% para 2050.
Combustibles disponibles
Combustibles fósiles: como el petróleo, el gas natural y el carbón. Estos combustibles se
utilizan en las centrales térmicas para la generación de energía eléctrica.
Energía nuclear: la energía nuclear se produce a través de la fisión o fusión nuclear, y se
utiliza en las centrales nucleares.
Energías renovables: como la energía hidroeléctrica, la energía eólica, la energía solar, la
biomasa y la geotérmica. Estas fuentes de energía son renovables y no emiten gases de
efecto invernadero.
Biocombustibles: como el etanol y el biodiésel, se utilizan en la generación de energía
eléctrica en centrales térmicas y en vehículos.
La elección del combustible utilizado en la generación de energía eléctrica depende de
diferentes factores, como la disponibilidad de recursos, la tecnología disponible, el costo y el
impacto ambiental. En la actualidad, existe un mayor interés por el uso de fuentes de
energía renovable y la reducción del uso de combustibles fósiles, debido a la preocupación
por el cambio climático y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto
invernadero.
Gas.
El gas natural es uno de los combustibles más utilizados en la generación de energía
eléctrica en todo el mundo, incluyendo México. Es una fuente de energía limpia y eficiente
que produce bajas emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con otros
combustibles fósiles como el petróleo y el carbón.
En México, el gas natural se obtiene tanto de la producción nacional como de la
importación, principalmente de Estados Unidos. Además, existen reservas de gas shale (o
gas de lutitas) que están siendo exploradas en el país y que podrían aumentar la producción
nacional de gas en el futuro.
El gas natural se utiliza en plantas generadoras de energía eléctrica de ciclo combinado,
que tienen una alta eficiencia y producen menos emisiones contaminantes que otras
tecnologías de generación de energía. También se utiliza en pequeñas plantas de
cogeneración, que producen energía eléctrica y calor para uso industrial o residencial.
Petróleo.
El petróleo es uno de los combustibles más utilizados en la generación de electricidad en
todo el mundo. Para utilizar el petróleo como combustible en generadores eléctricos,
primero debe ser refinado para producir combustibles líquidos, como el diésel y la gasolina.
Existen diferentes tipos de generadores eléctricos que pueden utilizar petróleo como
combustible, entre los que se incluyen los motores de combustión interna y las turbinas de
gas.
Los motores de combustión interna son los más comunes para la generación de energía
eléctrica a pequeña y mediana escala. Estos motores funcionan a través de la combustión
de un combustible líquido, como el diésel, que hace girar un eje para generar electricidad.
La principal desventaja de los motores de combustión interna es que son menos eficientes
que otros tipos de generadores eléctricos y tienen una vida útil más corta.
Las turbinas de gas son una opción popular para la generación de energía eléctrica a gran
escala. En una turbina de gas, el combustible líquido se quema en una cámara de
combustión, creando gases de alta temperatura que se utilizan para hacer girar las palas de
la turbina. A medida que las palas giran, generan electricidad. Las turbinas de gas son más
eficientes que los motores de combustión interna y tienen una vida útil más larga, pero
también son más costosas.
En resumen, el petróleo es una fuente común de combustible para la generación de energía
eléctrica a través de motores de combustión interna y turbinas de gas. Sin embargo, su uso
como combustible también tiene impactos ambientales significativos y su disponibilidad y
precio pueden ser inestables en función de factores geopolíticos y económicos.
Carbón.
El carbón es un combustible fósil que se utiliza para la generación de electricidad en todo el
mundo. Es una fuente de energía relativamente barata y abundante en muchos países, lo
que lo hace atractivo para la generación de energía eléctrica.
El proceso de generación de electricidad a partir del carbón comienza con la combustión del
mismo en una caldera para producir vapor. El vapor generado se utiliza para mover una
turbina, que a su vez impulsa un generador eléctrico para producir electricidad.
El uso del carbón en la generación de electricidad ha sido objeto de controversia debido a
sus impactos ambientales negativos, como la emisión de gases de efecto invernadero y
otros contaminantes atmosféricos. Sin embargo, la tecnología de generación de electricidad
a partir del carbón ha mejorado significativamente en las últimas décadas, con la
introducción de tecnologías de captura y almacenamiento de carbono, lo que ha reducido su
impacto ambiental.
Además, algunos países están considerando la posibilidad de utilizar carbón como una
fuente de respaldo o de generación de energía en caso de emergencias, mientras se
promueve el desarrollo de tecnologías de energías renovables y limpias.
Criterios para determinar el poder calorífico.
El poder calorífico es una medida de la cantidad de energía térmica que puede ser
producida por la combustión de un combustible. Los criterios utilizados para determinar el
poder calorífico incluyen:
Poder calorífico superior (PCS): Es la cantidad total de calor producida por la combustión
completa de una unidad de masa de combustible, incluyendo el calor liberado por la
condensación de los productos de combustión. El PCS se expresa en unidades de energía
por unidad de masa (por ejemplo, joules por kilogramo o BTU por libra).
Poder calorífico inferior (PCI): Es la cantidad total de calor producida por la combustión
completa de una unidad de masa de combustible, sin tener en cuenta el calor liberado por la
condensación de los productos de combustión. El PCI es típicamente menor que el PCS, ya
que no tiene en cuenta la energía liberada por la condensación del vapor de agua. El PCI
también se expresa en unidades de energía por unidad de masa.
Poder calorífico medio (PCM): Es un valor promedio entre el PCS y el PCI. El PCM se utiliza
a menudo como un valor de referencia para comparar diferentes combustibles.
Los criterios utilizados para determinar el poder calorífico dependen del tipo de combustible
y de las normas y regulaciones aplicables. En general, se utilizan métodos estandarizados
de ensayo para determinar el poder calorífico de los combustibles.
Elección del combustible.
La elección del combustible para una planta generadora depende de varios factores, tales
como la disponibilidad, el costo, la eficiencia y el impacto ambiental. En general, se busca
utilizar el combustible más económico y eficiente que esté disponible en la región, al mismo
tiempo que se minimiza el impacto ambiental.
Por ejemplo, si la región tiene una gran cantidad de gas natural disponible a un costo
razonable, podría ser el combustible preferido para una planta generadora de energía. Sin
embargo, si la región tiene una gran cantidad de carbón disponible, pero con un mayor
costo y mayores emisiones de gases de efecto invernadero, entonces la elección del
combustible puede inclinarse más hacia el gas natural o la energía renovable.
También se consideran las restricciones ambientales y regulatorias, como las emisiones de
dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, azufre y partículas, y se selecciona el combustible
que cumpla con los requisitos regulatorios y minimice su impacto ambiental.
Efectos y evaluación de cenizas y residuos.
La quema de combustibles fósiles como el carbón puede generar residuos sólidos, como
cenizas y escorias, así como emisiones gaseosas y líquidas que pueden tener impactos
ambientales negativos.
Las cenizas generadas por la combustión del carbón se pueden clasificar como cenizas
volantes o cenizas de fondo, dependiendo de si son transportadas por los gases de
combustión o depositadas en la base del horno. Estas cenizas contienen metales pesados y
otros compuestos tóxicos que pueden contaminar el suelo y las aguas subterráneas si no se
manejan adecuadamente.
Para evaluar los impactos ambientales de las cenizas y residuos generados por la
combustión de carbón, se realizan estudios de caracterización de las muestras, que
incluyen análisis químicos, físicos y biológicos. Estos estudios pueden determinar la
concentración de metales pesados, la toxicidad y la capacidad de lixiviación de las cenizas y
residuos, lo que ayuda a diseñar estrategias adecuadas de manejo y disposición final.
En general, se busca minimizar los impactos ambientales de las cenizas y residuos
mediante prácticas de gestión adecuadas, como la disposición en rellenos sanitarios o la
reutilización en la fabricación de materiales de construcción. También se pueden utilizar
tecnologías para reducir la emisión de contaminantes al aire y al agua durante la
combustión del carbón.
2. INFRAESTRUCTURA NECESARIA EN TODA PLANTA.
Los edificios para las
plantas de generación
eléctrica pueden variar en
función del tipo de planta y
de la tecnología utilizada
para la generación de
energía. Sin embargo,
algunos
aspectos
generales a considerar en
el
diseño
de
estos
edificios son:
-Espacio suficiente para
equipos y maquinaria: El
edificio
debe ser lo
suficientemente
grande
para albergar los equipos y maquinarias necesarios para la generación de energía. Es
importante también considerar espacio adicional para posibles expansiones futuras.
-Ventilación adecuada: Los equipos de generación eléctrica producen calor, por lo que es
importante contar con un sistema de ventilación adecuado que permita la disipación del
calor y garantice la eficiencia del equipo.
-Sistema de protección contra incendios: Las plantas de generación eléctrica utilizan
combustibles o materiales inflamables, por lo que es importante contar con sistemas de
detección y extinción de incendios.
Accesibilidad: El edificio debe contar con un acceso fácil para el personal y para el equipo
de mantenimiento.
-Seguridad: El edificio debe estar diseñado para garantizar la seguridad del personal que
trabaja en la planta de generación eléctrica.
-Aislamiento acústico: Las plantas de generación eléctrica suelen ser ruidosas, por lo que
es importante contar con un sistema de aislamiento acústico para reducir el nivel de ruido y
minimizar su impacto en el entorno.
-Protección ambiental: Las plantas de generación eléctrica pueden generar residuos y
emisiones contaminantes, por lo que es importante contar con sistemas de tratamiento de
residuos y emisiones que cumplan con los estándares ambientales
Introducción.
Las plantas generadoras de energía
eléctrica
son
instalaciones
industriales diseñadas para producir
energía eléctrica a partir de
diferentes fuentes de energía, como
la energía hidráulica, térmica,
nuclear, eólica y solar. Estas plantas
son esenciales para abastecer la
demanda de energía eléctrica de los
hogares, industrias y comercios.
Cada tipo de planta generadora de
energía eléctrica utiliza diferentes
tecnologías y equipos para convertir la energía de una fuente en energía eléctrica. Por
ejemplo, las plantas hidroeléctricas utilizan la energía del agua para mover las turbinas,
mientras que las plantas termoeléctricas utilizan la energía térmica para calentar agua y
generar vapor que mueve las turbinas.
Edificios para las plantas de generación.
Centrales hidroeléctricas: estas plantas generadoras de energía eléctrica suelen
instalarse en edificaciones ubicadas cerca de ríos, embalses o presas. Las edificaciones
más comunes son las casas de máquinas, donde se ubican las turbinas, los generadores y
otros equipos.
-Centrales termoeléctricas: estas plantas generadoras de energía eléctrica pueden
instalarse en diferentes tipos de edificaciones, como centrales térmicas de ciclo combinado
o centrales térmicas convencionales. En ambos casos, se requiere una edificación principal
donde se ubican las calderas, los turbinas, los generadores y otros equipos.
-Centrales nucleares: estas plantas generadoras de energía eléctrica suelen ubicarse en
edificaciones específicas conocidas como centrales nucleares. Estas edificaciones incluyen
la sala de control, el reactor nuclear, las turbinas y los generadores, así como otros sistemas
de seguridad y de tratamiento de residuos nucleares.
-Centrales solares: estas plantas generadoras de energía eléctrica se pueden instalar en
diferentes
Obra civil.
La obra civil de una planta generadora de energía eléctrica implica la construcción de la
infraestructura necesaria para la instalación y operación de los equipos y sistemas de
generación de energía eléctrica.
Entre las principales tareas de obra civil que se requieren para la construcción de una planta
generadora de energía eléctrica se encuentran:
-Preparación del terreno: esto implica la limpieza, nivelación y compactación del terreno
en el área donde se construirá la planta.
-Construcción de la cimentación: se construyen las cimentaciones y pilotes necesarios
para soportar los equipos y estructuras de la planta.
-Construcción del edificio principal: se construye el edificio principal de la planta, el cual
albergará los equipos y maquinarias necesarios para la generación de energía eléctrica.
-Construcción de los tanques de almacenamiento: se construyen los tanques de
almacenamiento de combustible, agua, y otros fluidos necesarios para la operación de la
planta.
-Construcción de las vías de acceso: se construyen las vías de acceso para el personal,
maquinaria y suministros.
-Construcción de sistemas de drenaje y de tratamiento de aguas: se construyen los
sistemas de drenaje y tratamiento de aguas residuales y pluviales.
-Construcción de los sistemas de ventilación: se construyen los sistemas de ventilación
necesarios para la operación de los equipos y maquinarias.
-Construcción de las áreas de seguridad: se construyen las áreas de seguridad
necesarias para el personal de la planta, incluyendo las áreas de control de acceso, de
emergencia y de primeros auxilios.
Distribución de Chimeneas y su estabilidad.
En las plantas de generación convencionales, las chimeneas se utilizan para expulsar los
gases de combustión y las emisiones al aire libre. La distribución de las chimeneas en una
planta de generación es un factor importante para garantizar la eficiencia de la emisión y la
estabilidad del sistema.
Para lograr una distribución efectiva de las chimeneas, se deben tener en cuenta varios
factores, como la altura y el diámetro de las chimeneas, la velocidad de los gases de
escape y la distancia entre las chimeneas. La altura de las chimeneas debe ser suficiente
para asegurar que los gases de escape se dispersen en el aire sin afectar la calidad del aire
circundante, y el diámetro de las chimeneas debe ser lo suficientemente grande para
permitir un flujo de gases de escape suave y sin obstrucciones.
En términos de la estabilidad del sistema, una distribución adecuada de las chimeneas
también puede mejorar la eficiencia energética de la planta de generación. Al garantizar que
los gases de escape se dispersen de manera uniforme, se puede mejorar el rendimiento
general del sistema, reducir los costos de mantenimiento y aumentar la vida útil de los
equipos
Equipos que constituyen el sistema principal.
-Generador: Es el equipo principal que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
El generador está acoplado a una turbina que se mueve por el vapor generado en la
caldera.
-Turbina: La turbina es el equipo que convierte la energía térmica en energía mecánica
mediante la expansión de vapor de agua. El vapor se genera en la caldera y se dirige hacia
la turbina para moverla y hacer girar el generador.
-Caldera: La caldera es el equipo que se utiliza para producir vapor de agua a alta
temperatura y presión. La combustión de combustibles fósiles o nucleares en la caldera
produce calor que se transfiere al agua para producir vapor.
-Condensador: El condensador es el equipo que se utiliza para condensar el vapor
utilizado en la turbina. El vapor se enfría y se convierte en agua, lo que permite su
recirculación a la caldera para producir más vapor.
-Sistema de enfriamiento: El sistema de enfriamiento se utiliza para enfriar el agua
utilizada en la condensación del vapor. Este sistema suele ser un intercambiador de calor
que utiliza agua de río, de mar o torres de enfriamiento.
-Sistema de control y monitoreo: El sistema de control y monitoreo se utiliza para
supervisar y controlar los diferentes equipos en la planta de generación convencional.
Incluye sistemas de control de procesos, sistemas de monitoreo de la calidad del agua,
sistemas de seguridad y alarmas.
-Sistema de combustible y suministro de agua: El sistema de combustible y suministro
de agua se utiliza para suministrar los combustibles fósiles o nucleares a la caldera y el
agua utilizada en el proceso de generación.
Equipos que constituyen el Sistema secundario.
Sistema de tratamiento de agua: El sistema de tratamiento de agua se utiliza para tratar el
agua utilizada en el proceso de generación. Incluye equipos como
desmineralizadores y sistemas de desalación para eliminar impurezas y sales.
filtros,
-Bombas y tuberías: El sistema de bombeo y tuberías se utiliza para transportar el agua
tratada y el vapor entre los diferentes equipos de la planta de generación.
-Sistema de aire acondicionado y ventilación: El sistema de aire acondicionado y
ventilación se utiliza para proporcionar un ambiente adecuado para el personal de la planta
de generación. Incluye equipos como aires acondicionados, ventiladores y sistemas de
purificación de aire.
-Sistema de manejo de residuos: El sistema de manejo de residuos se utiliza para
manejar los residuos sólidos y líquidos generados por la planta de generación. Incluye
equipos como contenedores, sistemas de tratamiento de residuos y sistemas de eliminación
de residuos.
-Sistema de almacenamiento de combustible: El sistema de almacenamiento de
combustible se utiliza para almacenar los combustibles utilizados en la planta de
generación. Incluye equipos como tanques de almacenamiento y sistemas de bombeo de
combustible.
-Sistema de protección contra incendios: El sistema de protección contra incendios se
utiliza para proteger la planta de generación contra incendios. Incluye equipos como
rociadores, extintores de incendios y sistemas de detección de incendios.
Equipos que constituyen los Sistemas de flujo.
-Bombas: Las bombas se utilizan para mover líquidos a través de tuberías. Existen
diferentes tipos de bombas según su diseño, capacidad y aplicación, como bombas
centrífugas, bombas de desplazamiento positivo, bombas dosificadoras, entre otras.
-Válvulas: Las válvulas se utilizan para controlar el flujo de fluidos en las tuberías. Existen
diferentes tipos de válvulas según su diseño y función, como válvulas de compuerta,
válvulas de bola, válvulas de retención, entre otras.
-Turbinas: Las turbinas se utilizan para convertir la energía de un fluido en energía
mecánica, mediante la rotación de un eje. En una planta de generación convencional, las
turbinas se utilizan para hacer girar los generadores que producen electricidad.
-Intercambiadores de calor: Los intercambiadores de calor se utilizan para transferir calor
de un fluido a otro, sin que se mezclen entre sí. En una planta de generación convencional,
se utilizan intercambiadores de calor para calentar el agua que se convierte en vapor en la
caldera.
-Filtros: Los filtros se utilizan para eliminar impurezas y partículas de un fluido. En una
planta de generación convencional, se utilizan filtros para proteger los equipos y sistemas
de los residuos y contaminantes presentes en los fluidos.
-Separadores: Los separadores se utilizan para separar diferentes componentes de un
fluido, como el agua y el aceite. En una planta de generación convencional, se utilizan
separadores para eliminar el agua presente en el combustible utilizado en la caldera.
-Compresores: Los compresores se utilizan para comprimir gases, como el aire o el vapor,
para su posterior uso en otros equipos o sistemas.
-Tubos y accesorios: Los tubos y accesorios se utilizan para conectar y dirigir los fluidos a
través de los diferentes equipos y sistemas de la planta de generación.
Criterios para la distribución de la casa de máquinas.
La distribución de la casa de máquinas de una planta de generación convencional depende
de diversos criterios, que incluyen los siguientes:
-Requerimientos de espacio: La casa de máquinas debe ser lo suficientemente grande
para alojar todos los equipos y sistemas necesarios para la generación de energía eléctrica.
Además, se debe considerar el espacio para el personal de mantenimiento y para la
instalación de grúas o equipos de izaje para la manipulación de equipos pesados.
-Accesibilidad: La casa de máquinas debe ser fácilmente accesible para el personal de
mantenimiento y para el suministro de equipos y materiales. También se debe tener en
cuenta la accesibilidad para la extracción de los equipos en caso de necesidad de
reparaciones mayores.
-Eficiencia operativa: La distribución de los equipos en la casa de máquinas debe ser tal
que permita la operación eficiente de la planta de generación convencional. Por ejemplo, se
deben ubicar las turbinas y los generadores en una posición que facilite la conexión de los
ejes y minimice las pérdidas de energía por fricción.
-Seguridad: La casa de máquinas debe estar diseñada y ubicada de tal manera que
minimice los riesgos para el personal y los equipos en caso de emergencias, tales como
incendios, terremotos o inundaciones.
-Disponibilidad de servicios: Se debe considerar la disponibilidad de servicios como el
suministro de agua, electricidad, combustible y aire comprimido. La ubicación de la casa de
máquinas debe permitir la conexión fácil y eficiente de estos servicios.
-Regulaciones y normativas: La distribución de la casa de máquinas debe cumplir con las
regulaciones y normativas locales, estatales y federales en cuanto a seguridad, medio
ambiente, entre otros aspectos.
Generadores de vapor.
Los generadores de vapor consisten en una serie de tubos y recipientes diseñados para
producir vapor a alta presión y temperatura. El proceso de generación de vapor comienza
con la combustión del combustible en una cámara de combustión, la cual transfiere calor a
través de una serie de tubos de agua que rodean la cámara. El agua se convierte en vapor
a medida que se calienta y se expande a través de los tubos de vapor, los cuales finalmente
descargan
en
una
turbina
de
vapor.
La eficiencia del generador de vapor depende de factores como la temperatura y la presión
del vapor generado, la eficiencia de la combustión, el diseño del sistema de tuberías y la
calidad de los materiales utilizados en la construcción del equipo. También es importante
tener en cuenta la calidad del agua de alimentación utilizada en el proceso de generación
de vapor, ya que los contaminantes presentes en el agua pueden causar corrosión y dañar
los componentes del equipo.
En resumen, los generadores de vapor son equipos críticos en las plantas de generación
convencionales que utilizan combustibles fósiles. Estos equipos convierten la energía
térmica generada por la combustión en energía mecánica, la cual es convertida finalmente
en energía eléctrica. La eficiencia del generador de vapor depende de diversos factores,
incluyendo la calidad del agua de alimentación y el diseño del equipo.
Criterios de selección.
Los criterios de selección para equipos de una planta de generación convencional pueden
variar dependiendo de la ubicación, tamaño, tipo de combustible utilizado y otros factores
específicos de la planta. Sin embargo, en general, algunos de los criterios comunes para la
selección de equipos incluyen los siguientes:
-Eficiencia: La eficiencia es un factor clave en la selección de equipos de una planta de
generación convencional. La selección de equipos eficientes puede reducir los costos de
operación y aumentar la producción de energía. Por lo tanto, es importante considerar la
eficiencia energética en la selección de equipos como turbinas, generadores, bombas y
ventiladores.
-Capacidad: La capacidad del equipo es otro criterio importante de selección. La capacidad
debe ser suficiente para satisfacer las necesidades de producción de energía de la planta.
Por lo tanto, es importante seleccionar equipos con la capacidad adecuada para la planta y
sus necesidades de producción.
-Confiabilidad: La confiabilidad es esencial para la operación segura y eficiente de una
planta de generación convencional. Los equipos deben ser confiables y duraderos para
garantizar un funcionamiento sin problemas y reducir los costos de mantenimiento y
reparación.
-Disponibilidad de piezas de repuesto: Es importante seleccionar equipos para los cuales
sea fácil encontrar piezas de repuesto en caso de que se necesiten. La disponibilidad de
piezas de repuesto puede reducir el tiempo de inactividad y los costos de reparación en
caso de fallas del equipo.
-Costo: El costo de los equipos es un factor importante a considerar en la selección. Es
importante seleccionar equipos que sean rentables y se ajusten al presupuesto de la planta
de generación convencional.
-Cumplimiento de normativas y regulaciones: Los equipos seleccionados deben cumplir
con las normativas y regulaciones locales, estatales y federales en cuanto a seguridad,
medio ambiente, entre otros aspectos.
Características necesarias del agua utilizada en la planta.
-Calidad: La calidad del agua es un factor clave a considerar en una planta de generación
eléctrica. El agua debe estar libre de contaminantes como bacterias, virus, metales
pesados, sustancias orgánicas, y otras sustancias que puedan causar problemas de
corrosión y afectar el rendimiento de los equipos.
-Dureza: La dureza del agua se refiere a la cantidad de minerales disueltos en el agua,
especialmente calcio y magnesio. El agua dura puede causar depósitos en las tuberías y
equipos, lo que puede reducir el rendimiento y la vida útil del equipo. Por lo tanto, es
importante controlar la dureza del agua en una planta de generación eléctrica.
-pH: El pH del agua es una medida de la acidez o alcalinidad del agua. El pH del agua debe
estar dentro de un rango específico para evitar la corrosión de los equipos y garantizar un
rendimiento óptimo.
-Temperatura: La temperatura del agua es importante en una planta de generación
eléctrica, ya que se utiliza en la producción de vapor y en la refrigeración de equipos. Es
importante controlar la temperatura del agua para garantizar un rendimiento óptimo de los
equipos.
-Contenido de sólidos disueltos: El agua utilizada en una planta de generación eléctrica
puede contener sólidos disueltos como sales, minerales y otros compuestos. Estos sólidos
pueden causar depósitos en los equipos y reducir la eficiencia del sistema de tratamiento de
agua.
-Contenido de cloro: El cloro se utiliza a menudo para desinfectar el agua, pero el exceso
de cloro puede causar corrosión en los equipos. Es importante controlar cuidadosamente el
contenido de cloro en el agua utilizada en una planta de generación eléctrica.
Para la generación de vapor.
Para la generación de vapor en una planta de generación eléctrica, las características del
agua son aún más críticas, ya que el vapor producido es el combustible principal para las
turbinas que generan la electricidad. Algunas de las características importantes del agua
para la generación de vapor son las siguientes:
-Pureza: El agua utilizada para la generación de vapor debe estar libre de impurezas que
puedan causar problemas de corrosión, obstrucción de tuberías y reducción del
rendimiento. Incluso pequeñas cantidades de impurezas pueden causar problemas
significativos.
-Dureza: La dureza del agua también es un factor importante en la generación de vapor. La
dureza del agua se debe controlar cuidadosamente para evitar la formación de depósitos en
las tuberías y equipos, lo que puede reducir el rendimiento y la eficiencia de la planta.
-pH: El pH del agua utilizada para la generación de vapor debe estar dentro de un rango
específico para evitar la corrosión de los equipos y garantizar una vida útil prolongada de los
mismos. Si el pH es demasiado alto o bajo, puede provocar la corrosión de las tuberías y
equipos.
-Contenido de oxígeno: El contenido de oxígeno en el agua utilizada para la generación de
vapor debe ser bajo para evitar la corrosión de los equipos. El oxígeno disuelto en el agua
puede reaccionar con los metales y causar problemas de corrosión.
-Contenido de sólidos disueltos: El agua utilizada para la generación de vapor debe tener
un bajo contenido de sólidos disueltos para evitar la formación de depósitos y obstrucciones
en las tuberías y equipos.
-Temperatura: La temperatura del agua utilizada para la generación de vapor es
importante, ya que influye en la eficiencia del proceso. El agua debe tener una temperatura
adecuada para garantizar una generación de vapor eficiente y segura.
En general, la selección y el tratamiento del agua para la generación de vapor son críticos
para la eficiencia y la seguridad de una planta de generación eléctrica. La pureza, dureza,
pH, contenido de oxígeno, contenido de sólidos disueltos y temperatura son algunas de las
características clave a considerar al seleccionar y tratar el agua utilizada para la generación
de vapor.
Para el sistema de enfriamiento.
El sistema de enfriamiento de una
planta generadora es un componente
esencial que ayuda a mantener la
temperatura
adecuada
de
los
diferentes equipos y maquinarias que
se utilizan en la generación de energía
eléctrica. A continuación, se detallan algunas de las características principales de este
sistema:
Circuito cerrado: El sistema de enfriamiento de una planta generadora suele funcionar en
circuito cerrado, lo que significa que el agua utilizada para enfriar los equipos y maquinarias
no se descarga al medio ambiente, sino que se recircula constantemente.
Enfriamiento por agua: El enfriamiento de los equipos y maquinarias se lleva a cabo
utilizando agua, ya que es un líquido que puede absorber grandes cantidades de calor.
Torres de enfriamiento: El sistema de enfriamiento de una planta generadora puede incluir
torres de enfriamiento, que son estructuras diseñadas para disipar el calor del agua
recirculante mediante la exposición al aire.
Bombas de circulación: El agua utilizada en el sistema de enfriamiento debe ser
bombeada constantemente para garantizar una circulación adecuada y mantener la
temperatura de los equipos y maquinarias.
Intercambiadores de calor: Los intercambiadores de calor son dispositivos que se utilizan
para transferir el calor desde el agua caliente al agua fría, lo que permite mantener una
temperatura constante en los equipos y maquinarias.
Mantenimiento regular: Es importante realizar un mantenimiento regular del sistema de
enfriamiento para asegurar su correcto funcionamiento y prevenir posibles fallos que
puedan afectar la generación de energía eléctrica.
Para alimentación a las turbinas hidráulicas.
Las turbinas eléctricas requieren un suministro de energía constante y de alta calidad para
funcionar de manera óptima. A continuación, se presentan algunas características
importantes para la alimentación de turbinas eléctricas:
-Voltaje constante: Las turbinas eléctricas deben ser alimentadas con un voltaje constante
para evitar fluctuaciones de energía que puedan afectar el rendimiento del generador. El
voltaje también debe ser compatible con los requisitos del sistema de control de la turbina.
-Frecuencia constante: La frecuencia de la energía suministrada a la turbina eléctrica
también debe ser constante. Las fluctuaciones en la frecuencia pueden afectar la velocidad
de la turbina y causar daños al generador.
-Calidad de energía: La calidad de la energía suministrada a la turbina eléctrica debe ser
alta para garantizar un funcionamiento confiable y seguro. Esto incluye una tensión
sinusoidal, una frecuencia estable y una baja distorsión armónica.
-Capacidad de carga: El sistema de alimentación debe tener la capacidad de suministrar la
energía requerida por la turbina eléctrica, incluyendo picos de demanda durante el arranque
o parada de la turbina.
-Protección: El sistema de alimentación debe incluir dispositivos de protección, como
interruptores de circuito, para proteger la turbina eléctrica en caso de fallas o sobrecargas
en la red eléctrica.
-Confiabilidad: La alimentación eléctrica debe ser confiable y estar respaldada por un
sistema de respaldo de energía en caso de fallas en la red eléctrica.
Casos especiales.
Plantas nucleares: estas plantas utilizan la energía nuclear para generar electricidad.
Funcionan a través de la fisión nuclear, en la que el núcleo de un átomo se divide en dos,
liberando energía. Las plantas nucleares son capaces de generar grandes cantidades de
electricidad de forma constante, pero también presentan riesgos significativos de seguridad
y ambientales.
Plantas de energía renovable: estas plantas utilizan fuentes de energía renovable como la
energía solar, eólica, hidroeléctrica o geotérmica para generar electricidad. Estas plantas
son cada vez más populares debido a su capacidad para generar electricidad de forma
limpia y sostenible.
Plantas de cogeneración: estas plantas generan electricidad y calor simultáneamente. El
calor residual que se produce durante la generación de electricidad se utiliza para calentar
edificios, proporcionar agua caliente y otros usos térmicos. Esto puede aumentar la
eficiencia de la planta al utilizar la energía residual que de otra manera se desperdiciaría.
Plantas de ciclo combinado: estas plantas utilizan tanto gas como vapor para generar
electricidad. El combustible se quema en una cámara de combustión para generar energía
térmica, que se utiliza para producir vapor. El vapor impulsa una turbina para generar
electricidad. Estas plantas son altamente eficientes y pueden producir grandes cantidades
de electricidad de manera rentable.
Plantas de biomasa: estas plantas utilizan materia orgánica como la madera o los residuos
agrícolas para generar electricidad. El combustible se quema en una cámara de combustión
para generar energía térmica, que se utiliza para producir vapor. El vapor impulsa una
turbina para generar electricidad. Las plantas de biomasa son una forma sostenible de
generar electricidad a partir de materiales renovables y residuos.
Parámetros de selección de turbinas.
Potencia requerida: El requisito de potencia es un factor crítico que determina el tipo y
tamaño de la turbina necesaria. La potencia requerida se define por la demanda de energía
eléctrica del sistema o la carga de energía que debe suministrar la turbina.
Combustible: El tipo de combustible disponible en la región donde se instalará la turbina es
un factor crítico en la selección de la turbina. Las turbinas de gas son ideales para
combustibles gaseosos como gas natural o propano, mientras que las turbinas de
combustión de combustible líquido son adecuadas para combustibles líquidos como diésel o
gasolina.
Eficiencia: La eficiencia es un parámetro crítico en la selección de turbinas, ya que afecta
la cantidad de energía que se puede generar a partir del combustible utilizado. Las turbinas
con mayor eficiencia pueden generar más energía a partir de la misma cantidad de
combustible.
Costo de la electricidad: El costo de la electricidad es un factor importante a considerar en
la selección de turbinas, ya que determina la rentabilidad del proyecto. Las turbinas que
ofrecen una generación de electricidad rentable pueden ser seleccionadas para proyectos
de energía.
Ubicación geográfica: La ubicación geográfica también es un factor importante en la
selección de turbinas. Las turbinas instaladas en regiones con temperaturas
extremadamente frías o cálidas pueden requerir sistemas de enfriamiento especiales o de
aislamiento para asegurar un rendimiento óptimo.
Disponibilidad de repuestos y servicio técnico: La disponibilidad de repuestos y
servicios técnicos para la turbina es importante para garantizar un funcionamiento continuo
y sin interrupciones. Se debe seleccionar una turbina de un fabricante confiable y con una
buena reputación en el mercado para asegurar la disponibilidad de repuestos y servicios
técnicos en caso de fallas o mantenimiento programado.
Turbinas hidráulicas.
Pelton.
La turbina Pelton es una turbina hidráulica de
acción que se utiliza para generar energía
eléctrica a partir del flujo de agua en centrales
hidroeléctricas. Fue inventada por el ingeniero
estadounidense Lester Allan Pelton en la
década de 1870 y es conocida por su alta
eficiencia en una amplia gama de condiciones
de operación.
La turbina Pelton consta de una rueda de
palas dividida en dos mitades llamadas
cucharas. El agua se dirige a través de una
boquilla que rocía el agua en chorro en las cucharas de la rueda, lo que genera un impulso
de agua que hace girar la rueda y el eje de la turbina. La energía mecánica del rotor se
transfiere a un generador eléctrico, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
La turbina Pelton es adecuada para su uso en aplicaciones donde se requiere una alta
altura de caída y un bajo caudal de agua. Es especialmente adecuada para su uso en
centrales hidroeléctricas que tienen un suministro de agua intermitente, ya que la turbina
Pelton puede operar eficientemente en una amplia gama de condiciones de flujo de agua.
La eficiencia de una turbina Pelton depende de varios factores, como el diámetro de la
rueda de palas, la velocidad de rotación del rotor y la eficiencia de las palas de la rueda. Las
turbinas Pelton modernas utilizan tecnología avanzada, como materiales más resistentes y
duraderos y diseños de palas optimizados, para maximizar la eficiencia y la durabilidad.
Francis.
La turbina Francis consta de una rueda con
palas curvas que se encuentra dentro de una
carcasa en forma de espiral. El agua entra en
la carcasa y fluye hacia las palas de la rueda,
lo que genera una fuerza de reacción que
hace girar la rueda y el eje de la turbina. La
energía mecánica del rotor se transfiere a un
generador eléctrico, que convierte la energía
mecánica en energía eléctrica.
La turbina Francis es adecuada para su uso
en aplicaciones donde se requiere una altura
de caída media y un caudal de agua medio a
alto. Es una de las turbinas hidráulicas más
eficientes y se utiliza ampliamente en centrales hidroeléctricas.
Kaplan.
La turbina Kaplan es una turbina
hidráulica de tipo axial que se utiliza
para generar energía eléctrica a partir
del flujo de agua en centrales
hidroeléctricas. Fue desarrollada por el
ingeniero austríaco Viktor Kaplan a
principios del siglo XX y es conocida por
su alta eficiencia en una amplia gama
de condiciones de operación.
La turbina Kaplan se utiliza en
aplicaciones donde se requiere un alto
caudal de agua y una baja altura de caída. Es especialmente adecuada para su uso en
centrales hidroeléctricas que tienen una capacidad de generación de energía variable, ya
que se puede ajustar su velocidad de rotación para adaptarse a cambios en el flujo de agua.
La turbina Kaplan consta de un conjunto de palas de rotor en forma de hélice que están
montadas en un eje vertical. El eje está conectado a un generador eléctrico que convierte la
energía mecánica del rotor en energía eléctrica. El ángulo de las palas del rotor puede
ajustarse hidráulicamente para adaptarse a diferentes flujos de agua, lo que permite que la
turbina Kaplan tenga una alta eficiencia en una amplia gama de condiciones de operación.
La turbina Kaplan es capaz de generar energía eléctrica a partir de flujos de agua con
velocidades de hasta 30 metros por segundo y alturas de caída de menos de 30 metros. Es
adecuada para su uso en centrales hidroeléctricas de tamaño medio y grande, y se utiliza a
menudo en combinación con otras turbinas hidráulicas en sistemas de generación de
energía hidroeléctrica complejos.
Turbinas de vapor.
Una turbina de vapor es un
tipo de turbina que utiliza
vapor de agua para generar
energía mecánica, que puede
ser utilizada para generar
electricidad o para impulsar
maquinarias industriales. Las
turbinas de vapor se utilizan
en
una
variedad
de
aplicaciones, desde centrales
eléctricas y plantas de
procesamiento
industrial
hasta buques y locomotoras.
Las turbinas de vapor consisten en una serie de palas de rotor montadas en un eje, que
giran cuando el vapor de agua es dirigido hacia ellas. La energía cinética del vapor se
transfiere a las palas del rotor, lo que hace que el eje gire y produzca energía mecánica.
Esta energía mecánica puede ser utilizada directamente para impulsar maquinarias, o
puede ser convertida en energía eléctrica utilizando un generador eléctrico.
Las turbinas de vapor se clasifican según su tipo de flujo de vapor: de contrapresión, de
condensación y de contrapresión-condensación. Las turbinas de contrapresión son
utilizadas en aplicaciones donde se requiere una fuente de energía mecánica, como la
conducción de bombas o compresores. Las turbinas de condensación se utilizan en
centrales eléctricas para generar energía eléctrica, y aprovechan la baja presión del vapor
de agua para aumentar la eficiencia. Las turbinas de contrapresión-condensación son una
combinación de las dos anteriores, y se utilizan en aplicaciones donde se requieren
múltiples fuentes de energía mecánica.
La eficiencia de una turbina de vapor depende de varios factores, como la temperatura y la
presión del vapor de agua, la velocidad de rotación del rotor y la eficiencia de las palas del
rotor. Las turbinas de vapor modernas utilizan tecnología avanzada para maximizar la
eficiencia y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
Turbinas de gas.
Las turbinas de gas son motores de combustión interna que utilizan la energía cinética del
gas caliente para generar energía mecánica. Se utilizan en una amplia variedad de
aplicaciones, como centrales eléctricas, aviones, barcos y plantas industriales.
El funcionamiento de una turbina de gas se basa en el principio de ciclo Brayton, que consta
de cuatro procesos termodinámicos: compresión, combustión, expansión y escape. El aire
se comprime en un compresor, se mezcla con combustible y se quema en una cámara de
combustión. El gas caliente resultante se expande a través de una turbina, lo que genera
energía mecánica que puede usarse para impulsar un generador eléctrico o una carga
mecánica.
Las turbinas de gas son conocidas por su alta eficiencia, su alta densidad de potencia y su
capacidad para arrancar rápidamente y operar en una amplia gama de condiciones de
carga y temperatura. También son más limpias que los motores de combustión interna
convencionales, ya que emiten menos contaminantes.
Evaporadores, condensadores y torres de enfriamiento.
Un evaporador es un dispositivo que se utiliza para enfriar líquidos o gases mediante la
evaporación de un refrigerante, como el agua o el aire. El evaporador absorbe calor del
fluido que se va a enfriar y lo transfiere al refrigerante, que se evapora y se transforma en
vapor. Los evaporadores se utilizan comúnmente en sistemas de aire acondicionado y
refrigeración, así como en procesos industriales que requieren enfriamiento.
Por otro lado, un condensador es un dispositivo que se utiliza para transferir calor desde un
vapor a un líquido, condensando el vapor. Los condensadores se utilizan en sistemas de
refrigeración y aire acondicionado para liberar el calor que se ha absorbido en el evaporador
y así enfriar el espacio o el fluido. Los condensadores también se utilizan en procesos
industriales, como en la destilación de líquidos.
Finalmente, una torre de enfriamiento es un dispositivo que se utiliza para enfriar agua
caliente, que se ha utilizado para enfriar equipos o procesos industriales. El agua caliente se
bombea a la torre de enfriamiento, donde se rocía en el aire. La evaporación del agua en el
aire libera calor y enfría el agua, que se recircula en el proceso de enfriamiento. Las torres
de enfriamiento se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones industriales y
comerciales, como en plantas de energía, procesamiento químico y fabricación de
productos alimenticios y farmacéuticos.
Criterios de selección.
Demanda de energía: es necesario conocer la demanda de energía de la zona o región
donde se va a instalar la planta generadora para determinar la capacidad de generación
necesaria.
Tipo de energía: es importante determinar el tipo de energía que se necesita generar,
como energía hidroeléctrica, solar, eólica, térmica, nuclear, etc. Este factor dependerá de los
recursos disponibles y las necesidades específicas de la zona o región.
Eficiencia energética: es importante seleccionar una tecnología de generación que ofrezca
la mejor eficiencia energética para minimizar los costos de operación y reducir las emisiones
de gases de efecto invernadero.
Costo de la energía: se deben evaluar los costos de instalación y operación de la planta
generadora para determinar su viabilidad financiera y garantizar que la energía producida
sea competitiva en el mercado.
Impacto ambiental: es importante evaluar el impacto ambiental de la planta generadora en
términos de emisiones de gases de efecto invernadero, contaminación del aire y del agua,
impacto en la fauna y flora, entre otros.
Disponibilidad y acceso a los recursos: es importante considerar la disponibilidad y el
acceso a los recursos necesarios para la generación de energía, como agua, combustibles,
radiación solar, viento, etc.
Seguridad y fiabilidad: es necesario garantizar que la planta generadora sea segura y
confiable en su operación, con tecnología y sistemas de seguridad adecuados para evitar
accidentes y garantizar la continuidad del suministro de energía.
Parámetros de selección de bombas en el ciclo de generación.
Hidráulicas. De movimiento recíproco. Para turbina.
Para seleccionar la bomba hidráulica adecuada en el ciclo de generación, es necesario
considerar los siguientes parámetros:
Caudal: El caudal de la bomba hidráulica debe ser suficiente para cubrir las necesidades
del ciclo de generación. Es importante determinar el caudal máximo y mínimo que se
requiere en el ciclo y seleccionar una bomba que pueda suministrar el caudal necesario en
todo momento.
Presión: La presión de la bomba hidráulica también es un factor crítico a considerar. La
presión requerida dependerá de la aplicación específica y de las condiciones de operación.
Es importante seleccionar una bomba que pueda proporcionar la presión necesaria para la
aplicación específica.
Eficiencia: La eficiencia de la bomba hidráulica es importante ya que afecta directamente al
consumo de energía y al costo de operación. Se deben seleccionar bombas con alta
eficiencia para minimizar los costos de energía y mejorar la rentabilidad del ciclo de
generación.
Velocidad de rotación: La velocidad de rotación de la bomba hidráulica debe ser adecuada
para la aplicación específica y las condiciones de operación. Se debe seleccionar una
bomba que pueda trabajar a la velocidad requerida para lograr los resultados deseados.
Viscosidad: La viscosidad del fluido que se maneja en el ciclo de generación es un factor
crítico a considerar. Se debe seleccionar una bomba hidráulica que pueda manejar la
viscosidad específica del fluido de manera eficiente.
Temperatura: La temperatura del fluido que se maneja en el ciclo de generación es otro
factor importante a considerar. Se debe seleccionar una bomba que pueda manejar la
temperatura del fluido de manera segura y eficiente.
Materiales de construcción: Los materiales de construcción de la bomba hidráulica deben
ser compatibles con el fluido que se maneja en el ciclo de generación. Se deben seleccionar
materiales de construcción que sean resistentes y duraderos para garantizar una larga vida
útil de la bomba.Además, en las de “movimiento recíproco” se debe considerar la resistencia
a la corrosión y a la abrasión, dependiendo de las características del fluido que se maneje
en el ciclo de generación.
2.7.3 Centrífugas.
En las bombas centrífugas también se debe tener el cuenta el siguiente parámetro
Altura de elevación: La altura de elevación de la bomba centrífuga también es un factor
crítico a considerar. La altura requerida dependerá de la aplicación específica y de las
condiciones de operación. Es importante seleccionar una bomba que pueda proporcionar la
altura necesaria para la aplicación específica.
2.7.5 Equipos auxiliares necesarios.
En las bombas de generación se requieren diferentes equipos auxiliares que ayudan en su
funcionamiento y mantenimiento. Algunos de estos equipos son:
Filtros: Los filtros son necesarios para proteger las bombas de la suciedad y los sedimentos
que puedan estar presentes en el fluido que se maneja. Los filtros deben estar diseñados
para manejar el caudal y la presión del fluido y deben ser seleccionados en función de la
viscosidad y la temperatura del fluido.
Válvulas: Las válvulas son necesarias para controlar el flujo de fluido en la bomba y para
realizar diferentes operaciones de mantenimiento. Las válvulas de control de flujo, como las
válvulas de compuerta, de bola y de mariposa, son las más comunes en las bombas de
generación.
Medidores de flujo: Los medidores de flujo son necesarios para medir el caudal del fluido
que circula a través de la bomba. Estos dispositivos son útiles para el control y la
supervisión de la operación de la bomba y para detectar posibles problemas en el sistema.
Tanques de almacenamiento: Los tanques de almacenamiento son necesarios para
almacenar el fluido que se maneja en la bomba y para facilitar el mantenimiento y la
limpieza de la bomba. Estos tanques deben estar diseñados para manejar el volumen de
fluido necesario para la aplicación específica.
Instrumentación y control: La instrumentación y el control son necesarios para supervisar
y controlar la operación de la bomba y el sistema de generación en su conjunto. La
instrumentación incluye dispositivos como sensores de temperatura, presión y nivel,
mientras que el control incluye dispositivos como controladores de velocidad y sistemas de
control de presión.
Sistemas de lubricación y refrigeración: Los sistemas de lubricación y refrigeración son
necesarios para garantizar que la bomba y sus componentes funcionen de manera óptima y
para prolongar la vida útil de la bomba. Estos sistemas deben estar diseñados para manejar
la viscosidad y la temperatura del fluido.
En resumen, los equipos auxiliares necesarios en las bombas de generación dependen de
la aplicación específica, pero en general incluyen filtros, válvulas, medidores de flujo,
tanques de almacenamiento, instrumentación y control, y sistemas de lubricación y
refrigeración. Todos estos equipos son esenciales para garantizar una operación segura y
eficiente de la bomba y del sistema de generación en su conjunto.
2.8 Selección del ciclo de potencia a emplearse.
La selección del ciclo de potencia que se va a utilizar en una bomba de ciclo de generación
depende de varios factores, como la aplicación específica, la disponibilidad de combustible
y la eficiencia energética deseada. A continuación se describen algunos de los ciclos de
potencia más comunes que se utilizan en las bombas de ciclo de generación:
Ciclo de potencia de ciclo combinado: Este ciclo utiliza una combinación de una turbina
de gas y una turbina de vapor. El gas de escape de la turbina de gas se utiliza para generar
vapor, que a su vez impulsa la turbina de vapor. Este ciclo es conocido por su alta eficiencia
energética y se utiliza comúnmente en aplicaciones industriales.
Ciclo de potencia de ciclo simple: Este ciclo utiliza una sola turbina de vapor para generar
energía. El vapor se genera mediante la combustión de combustible fósil, como gas natural
o carbón, y se utiliza para impulsar la turbina de vapor. Este ciclo es menos eficiente que el
ciclo combinado, pero es más fácil y menos costoso de implementar.
Ciclo de potencia de cogeneración: Este ciclo utiliza la energía generada por la turbina
para producir tanto electricidad como calor. La energía térmica producida se utiliza para
calefacción, refrigeración o procesos industriales. Este ciclo es conocido por su alta
eficiencia energética y se utiliza comúnmente en aplicaciones comerciales e industriales.
Ciclo de potencia de ciclo de gas: Este ciclo utiliza una turbina de gas para generar
energía. El combustible se quema en la turbina de gas, que a su vez impulsa un generador
eléctrico. Este ciclo es conocido por su alta eficiencia energética y se utiliza comúnmente en
aplicaciones de generación de energía de gran escala.
La selección del ciclo de potencia adecuado para una bomba de ciclo de generación debe
basarse en una evaluación cuidadosa de las necesidades y requisitos específicos de la
aplicación. Es importante tener en cuenta la eficiencia energética, la disponibilidad de
combustible y los costos operativos y de mantenimiento al seleccionar un ciclo de potencia
para una bomba de ciclo de generación.
2.8.1 Ciclos de potencia de vapor.
Los ciclos de potencia de vapor son sistemas termodinámicos que utilizan vapor de agua
como fluido de trabajo para producir energía mecánica o eléctrica. Hay varios ciclos de
potencia de vapor que se utilizan comúnmente, entre ellos:
Ciclo Rankine: Este es el ciclo de potencia de vapor más común utilizado en la generación
de energía eléctrica. El ciclo Rankine utiliza vapor de alta presión y temperatura para
impulsar una turbina, que a su vez impulsa un generador eléctrico. Después de pasar por la
turbina, el vapor se condensa en un condensador y se devuelve al generador de vapor para
su recalentamiento y posterior utilización.
Ciclo de regeneración: Este ciclo es una variación del ciclo Rankine en la que el vapor se
recupera del condensador y se alimenta al generador de vapor para su recalentamiento,
antes de pasar por la turbina. Esto reduce la cantidad de calor que se pierde en el
condensador y aumenta la eficiencia del ciclo.
Ciclo de cogeneración: Este ciclo utiliza la energía térmica generada por la turbina para
producir calor útil, como agua caliente para calefacción o vapor para procesos industriales.
Este ciclo se utiliza comúnmente en aplicaciones de cogeneración en las que se requiere
tanto electricidad como calor.
Ciclo combinado: Este ciclo combina un ciclo de gas con un ciclo de vapor, utilizando la
energía térmica generada por la combustión del combustible para generar vapor y alimentar
la turbina de vapor. El ciclo combinado es conocido por su alta eficiencia energética y se
utiliza comúnmente en aplicaciones industriales y de generación de energía eléctrica.
La selección del ciclo de potencia de vapor adecuado dependerá de la aplicación específica
y los requisitos de eficiencia energética. Los factores a considerar incluyen la disponibilidad
de combustible, el costo del combustible, el costo de capital y los costos operativos y de
mantenimiento.
Aplicación del ciclo Rankine.
El ciclo Rankine es uno de los ciclos de
potencia de vapor más utilizados en la
generación de energía eléctrica y en la industria en general. Este ciclo se utiliza para
convertir la energía térmica en energía mecánica o eléctrica mediante la utilización de vapor
de agua como fluido de trabajo. El ciclo Rankine se compone de cuatro procesos
termodinámicos básicos:
Proceso de calentamiento: En este proceso, el agua de alimentación se calienta en una
caldera mediante la combustión de combustible fósil, como carbón, gas natural o petróleo.
El agua se calienta hasta que se convierte en vapor de alta presión y temperatura.
Proceso de expansión: El vapor de alta presión y temperatura se expande en una turbina,
produciendo trabajo mecánico que se convierte en energía eléctrica mediante un generador.
Proceso de enfriamiento: El vapor que sale de la turbina se enfría y se condensa en un
condensador, liberando su energía térmica al medio ambiente.
Proceso de alimentación: El agua de condensación se devuelve a la caldera, donde se
calienta y se convierte en vapor de alta presión y temperatura de nuevo.
La aplicación del ciclo Rankine es muy amplia y se utiliza en diversas industrias. En la
generación de energía eléctrica, se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina y
produce electricidad en una central térmica. También se utiliza en la industria petroquímica y
de procesamiento de alimentos para generar vapor y suministrar energía térmica a los
procesos industriales. Además, el ciclo Rankine se utiliza en la producción de energía
geotérmica y en la recuperación de energía de los gases de escape de las turbinas de gas.
Con recalentamiento.
El ciclo Rankine con recalentamiento es una variación del ciclo Rankine básico, que utiliza
vapor recalentado para mejorar su eficiencia. En el ciclo Rankine con recalentamiento, el
vapor se expande parcialmente en una turbina y luego se recalentado antes de continuar la
expansión en una segunda etapa de la turbina. El proceso de recalentamiento consiste en
calentar el vapor en una segunda caldera antes de que se expanda en la segunda etapa de
la turbina.
La adición del recalentamiento aumenta la eficiencia del ciclo Rankine porque permite que
se utilice más eficientemente el calor suministrado a la caldera. La razón de esto es que el
recalentamiento aumenta la temperatura media del ciclo y disminuye la temperatura media a
la que se rechaza calor en el condensador. Esto se traduce en un aumento en la eficiencia
térmica del ciclo, lo que significa que más energía se puede obtener de una cantidad
determinada de combustible.
El ciclo Rankine con recalentamiento se utiliza comúnmente en la generación de energía
eléctrica a partir de combustibles fósiles, como carbón, gas natural y petróleo. También se
utiliza en aplicaciones industriales para suministrar vapor a procesos de alta temperatura,
como la producción de acero y la generación de energía en plantas petroquímicas.
Es importante tener en cuenta que el ciclo Rankine con recalentamiento es más complejo
que el ciclo Rankine básico y requiere más equipos y controles. Además, el recalentamiento
aumenta la presión del vapor y puede requerir componentes de la turbina y la caldera que
sean capaces de manejar estas mayores presiones.
Aplicación del ciclo regenerativo.
El ciclo regenerativo es un tipo de ciclo de potencia de vapor que utiliza un calentador de
regeneración para mejorar la eficiencia del ciclo. En el ciclo regenerativo, una parte del
vapor de salida de la turbina se redirige a un calentador de regeneración, donde transfiere
su calor al agua de alimentación que entra a la caldera. La adición de este calentador de
regeneración permite que la energía térmica se recupere del vapor de salida y se use para
precalentar el agua de alimentación que entra a la caldera, lo que reduce la cantidad de
calor que se necesita agregar a la caldera para producir vapor.
La aplicación del ciclo regenerativo es amplia y se utiliza en muchas aplicaciones
industriales y de generación de energía. Una de las aplicaciones más comunes es en la
generación de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles. En una central eléctrica, el
ciclo regenerativo se utiliza para aumentar la eficiencia del ciclo Rankine básico. El vapor de
salida de la turbina se redirige a un calentador de regeneración, donde transfiere su calor al
agua de alimentación que entra a la caldera. La energía térmica recuperada se utiliza para
precalentar el agua de alimentación, lo que reduce la cantidad de calor que se necesita
agregar a la caldera para producir vapor.
El ciclo regenerativo también se utiliza en aplicaciones industriales para calentar agua u
otros fluidos en procesos de alta temperatura. El calentador de regeneración se utiliza para
transferir el calor de los gases de escape de alta temperatura a los fluidos que se están
calentando. Esto permite la recuperación de energía térmica que de otra manera se
perdería y aumenta la eficiencia del proceso.
El ciclo regenerativo se utiliza para mejorar la eficiencia de los ciclos de potencia de vapor
mediante la recuperación de la energía térmica del vapor de salida de la turbina y su
transferencia al agua de alimentación en un calentador de regeneración. Esta recuperación
de energía térmica reduce la cantidad de calor que se necesita agregar a la caldera para
producir vapor, lo que aumenta la eficiencia del ciclo y reduce el consumo de combustible.
Aplicación del ciclo combinado.
El ciclo combinado es un tipo de ciclo de generación de energía eléctrica que utiliza dos
ciclos de potencia diferentes en conjunto para mejorar la eficiencia del proceso. El ciclo
combinado se compone de dos ciclos principales: el ciclo de gas y el ciclo de vapor.
El ciclo de gas es un ciclo Brayton que utiliza un gas, como el gas natural o el petróleo,
como combustible para generar energía. En este ciclo, el combustible se quema en una
cámara de combustión y el gas caliente resultante se expande en una turbina de gas para
generar energía mecánica. La energía mecánica se utiliza para generar electricidad en un
generador.
El ciclo de vapor es un ciclo Rankine que utiliza vapor de agua para generar energía. En
este ciclo, el agua se calienta en una caldera utilizando el calor residual de los gases de
escape de la turbina de gas, lo que genera vapor. El vapor se expande en una turbina de
vapor y la energía mecánica se utiliza para generar electricidad en otro generador.
En un ciclo combinado, los dos ciclos se combinan de tal manera que el calor residual de
los gases de escape de la turbina de gas se utiliza para generar vapor en la caldera del ciclo
de vapor. Esto aumenta la eficiencia del ciclo al utilizar la energía térmica residual de los
gases de escape que de otra manera se perdería.
La aplicación del ciclo combinado es amplia y se utiliza en muchas centrales eléctricas en
todo el mundo. Es especialmente adecuado para la generación de energía a partir de
combustibles fósiles, como el gas natural y el petróleo, ya que estos combustibles tienen un
alto contenido de energía térmica que se puede utilizar eficientemente en el ciclo
combinado.
El ciclo combinado es un tipo de ciclo de generación de energía eléctrica que utiliza dos
ciclos de potencia diferentes en conjunto para mejorar la eficiencia del proceso. El ciclo de
gas utiliza un combustible para generar energía y el ciclo de vapor utiliza el calor residual de
los gases de escape del ciclo de gas para generar vapor y generar energía adicional. La
combinación de los dos ciclos aumenta la eficiencia del proceso y reduce el consumo de
combustible.
Ciclos de potencia de gas.
Existen varios ciclos de potencia de gas utilizados en la generación de energía eléctrica,
siendo los más comunes el ciclo Brayton y el ciclo combinado de gas.
El ciclo Brayton es utilizado en centrales termoeléctricas que generan electricidad a partir de
combustibles gaseosos, como el gas natural. Este ciclo se basa en el principio de la
expansión adiabática de un gas a través de una turbina de gas. En el ciclo Brayton, el gas
se comprime en un compresor, luego se quema en una cámara de combustión para generar
energía térmica y, finalmente, se expande en una turbina de gas para producir energía
mecánica, la cual se utiliza para mover un generador eléctrico.
El ciclo combinado de gas es utilizado en centrales termoeléctricas que combinan dos ciclos
de potencia, el ciclo Brayton y el ciclo Rankine. Este ciclo utiliza el calor residual de los
gases de escape de la turbina de gas para generar vapor, el cual se expande a través de
una turbina de vapor para generar energía eléctrica adicional. La combinación de estos dos
ciclos de potencia mejora la eficiencia del proceso y permite una mayor generación de
energía eléctrica.
Además de los ciclos Brayton y combinado de gas, existen otros ciclos de potencia de gas
menos comunes, como el ciclo Stirling y el ciclo Ericsson. El ciclo Stirling utiliza el principio
de la expansión y contracción de un gas a través de un pistón para generar energía
mecánica, mientras que el ciclo Ericsson utiliza un gas que se expande y se contrae a
través de un intercambiador de calor para generar energía.
En resumen, los ciclos de potencia de gas son utilizados en la generación de energía
eléctrica a partir de combustibles gaseosos, como el gas natural. Los ciclos más comunes
son el ciclo Brayton y el ciclo combinado de gas, los cuales utilizan el principio de la
expansión adiabática de un gas a través de una turbina para generar energía mecánica.
Además, existen otros ciclos de potencia de gas menos comunes, como el ciclo Stirling y el
ciclo Ericsson.
Aplicación del ciclo de Carnot como modelo.
El ciclo de Carnot es un modelo teórico
utilizado en termodinámica para analizar
la eficiencia de los motores térmicos.
Aunque no se utiliza directamente en la
generación de energía eléctrica, se utiliza
como modelo ideal para comparar la
eficiencia de otros ciclos de potencia.
El ciclo de Carnot consta de cuatro
procesos reversibles: dos procesos
isotermales y dos procesos adiabáticos. En el ciclo, un gas ideal se expande isoterma e
infinitesimalmente a una temperatura alta y luego se expande adiabáticamente hasta una
temperatura baja. A continuación, se comprime isoterma e infinitesimalmente a una
temperatura baja y se comprime adiabáticamente hasta una temperatura alta, completando
así el ciclo.
El ciclo de Carnot es un modelo ideal que asume que todas las transformaciones son
reversibles y que no hay pérdidas por fricción, lo que significa que la eficiencia del ciclo es
máxima. Sin embargo, es imposible realizar un ciclo de Carnot perfecto en la práctica, ya
que siempre hay pérdidas de calor y energía debido a la fricción y otras imperfecciones.
A pesar de esto, el ciclo de Carnot se utiliza como modelo ideal para comparar la eficiencia
de otros ciclos de potencia. Por ejemplo, la eficiencia de un ciclo de potencia de vapor como
el ciclo Rankine se puede calcular utilizando el ciclo de Carnot como punto de referencia
ideal.
El ciclo de Carnot es un modelo teórico utilizado en termodinámica para analizar la
eficiencia de los motores térmicos. Aunque no se utiliza directamente en la generación de
energía eléctrica, se utiliza como modelo ideal para comparar la eficiencia de otros ciclos de
potencia.
Aplicación del ciclo de Carnot con aire estándar.
El ciclo de Carnot con aire estándar es un modelo teórico que se utiliza para analizar la
eficiencia de los motores de combustión interna. El ciclo de Carnot con aire estándar asume
que el aire se comporta como un gas ideal y que todas las transformaciones son
reversibles.
El ciclo de Carnot con aire estándar consta de cuatro procesos reversibles: dos procesos
isentrópicos (adiabáticos y reversibles) y dos procesos isotérmicos. En el ciclo, el aire se
comprime adiabáticamente y reversiblemente desde la presión atmosférica hasta una
presión más alta. Luego, el aire se calienta a volumen constante (proceso isocórico) hasta
una temperatura máxima. Después, el aire se expande adiabáticamente y reversiblemente a
la presión atmosférica y, finalmente, se enfría a volumen constante hasta la temperatura
inicial.
La eficiencia del ciclo de Carnot con aire estándar se puede calcular utilizando la fórmula:
Eficiencia = (Temperatura máxima - Temperatura inicial) / Temperatura máxima
Donde la temperatura máxima es la temperatura a la que el aire se calienta durante el ciclo.
Aunque el ciclo de Carnot con aire estándar es un modelo idealizado y no se puede lograr
en la práctica, se utiliza como referencia para comparar la eficiencia de los motores de
combustión interna. Los motores de combustión interna modernos son más complejos y
utilizan ciclos termodinámicos más sofisticados, pero el ciclo de Carnot con aire estándar
sigue siendo un punto de referencia importante para la evaluación de la eficiencia de estos
motores.
Aplicación del ciclo Diesel.
El ciclo Diesel se utiliza en los motores
diésel para convertir la energía térmica en
energía mecánica. Los motores diésel son
ampliamente utilizados en vehículos de
transporte, barcos, maquinaria pesada y
generadores eléctricos, entre otros.
El ciclo Diesel tiene varias ventajas en
comparación con el ciclo Otto utilizado en
los motores de gasolina. En primer lugar,
los motores diésel tienen una mayor
eficiencia debido a la mayor relación de
compresión, lo que permite una mayor
conversión de energía térmica en energía mecánica. En segundo lugar, los motores diésel
tienen un mejor rendimiento a bajas velocidades y cargas pesadas debido a la mayor
cantidad de torque que producen.
El ciclo Diesel también tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, los motores diésel son más
ruidosos y emiten más contaminantes que los motores de gasolina. Además, los motores
diésel son más costosos de producir y mantener debido a su complejidad.
Se utiliza en los motores diésel para convertir la energía térmica en energía mecánica en
una variedad de aplicaciones, como vehículos de transporte, barcos, maquinaria pesada y
generadores eléctricos. Aunque los motores diésel tienen algunas limitaciones, tienen varias
ventajas sobre los motores de gasolina, incluyendo una mayor eficiencia y un mejor
rendimiento a bajas velocidades y cargas pesadas.
Aplicación del ciclo Otto.
El ciclo Otto es un ciclo
termodinámico que se utiliza en los
motores de gasolina para convertir
la energía térmica en energía
mecánica. Los motores de gasolina
son ampliamente utilizados en vehículos de transporte, motocicletas, equipos de jardinería y
generadores eléctricos portátiles, entre otros.
El ciclo Otto tiene varias ventajas en comparación con otros ciclos termodinámicos
utilizados en motores, como el ciclo Diesel. En primer lugar, los motores de gasolina son
más silenciosos y emiten menos contaminantes que los motores diésel. En segundo lugar,
los motores de gasolina son más económicos de producir y mantener debido a su
simplicidad.
El ciclo Otto también tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, los motores de gasolina tienen
una menor eficiencia que los motores diésel debido a la menor relación de compresión.
Además, los motores de gasolina tienen un rendimiento inferior a bajas velocidades y
cargas pesadas debido a la menor cantidad de torque que producen.
Se utiliza en los motores de gasolina para convertir la energía térmica en energía mecánica
en una variedad de aplicaciones, como vehículos de transporte, motocicletas, equipos de
jardinería y generadores eléctricos portátiles. Aunque los motores de gasolina tienen
algunas limitaciones, tienen varias ventajas sobre los motores diésel, incluyendo un menor
costo y una menor emisión de contaminantes.
Aplicación del ciclo Brayton.
El
ciclo
Brayton
es
un
ciclo
termodinámico utilizado en turbinas de
gas para convertir la energía térmica en
energía mecánica. Las turbinas de gas
son ampliamente utilizadas en la industria
de la generación de energía eléctrica y en
la aviación, entre otros.
El ciclo Brayton tiene varias ventajas en
comparación
con
otros
ciclos
termodinámicos utilizados en turbinas de
gas, como el ciclo Otto o el ciclo Diesel.
En primer lugar, el ciclo Brayton permite
una mayor eficiencia debido a la alta temperatura de entrada del aire comprimido y la baja
temperatura de salida del gas de escape. En segundo lugar, el ciclo Brayton permite una
mayor flexibilidad en la selección de combustibles debido a la capacidad de la turbina de
gas para quemar una amplia variedad de combustibles.
El ciclo Brayton también tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, las turbinas de gas tienen
una menor eficiencia a cargas bajas debido a la necesidad de mantener una alta velocidad
de flujo de aire comprimido. Además, las turbinas de gas son más costosas de producir y
mantener debido a su complejidad.
El ciclo Brayton se utiliza en turbinas de gas para convertir la energía térmica en energía
mecánica en una variedad de aplicaciones, como la generación de energía eléctrica y la
aviación. Aunque las turbinas de gas tienen algunas limitaciones, tienen varias ventajas
sobre otros sistemas de generación de energía, incluyendo una mayor eficiencia y
flexibilidad en la selección de combustibles.
Ciclos Ericsson y Stirling.
El ciclo Ericsson es un ciclo termodinámico idealizado utilizado en la refrigeración y la
producción de energía. Este ciclo es una variante del ciclo Brayton que incluye un proceso
de calentamiento isocórico adicional.
El ciclo Ericsson se compone de cuatro procesos termodinámicos reversibles:
Compresión isotérmica: el gas se comprime a temperatura constante en un compresor.
Calentamiento isocórico: el gas se calienta a volumen constante mediante la adición de
calor.
Expansión isotérmica: el gas se expande a temperatura constante en una máquina de
expansión.
Enfriamiento isocórico: el gas se enfría a volumen constante mediante la eliminación de
calor.
El ciclo Ericsson es una mejora del ciclo Brayton, ya que incluye un proceso adicional de
calentamiento isocórico que aumenta la eficiencia termodinámica. El proceso de
calentamiento isocórico reduce la pérdida de calor y mejora la eficiencia del ciclo.
El ciclo Ericsson se utiliza en algunas aplicaciones de refrigeración, pero también se utiliza
en sistemas de energía térmica, como centrales térmicas. Sin embargo, debido a la
complejidad del ciclo, su uso se limita a aplicaciones de alta potencia y alta eficiencia.
El ciclo Stirling se compone de cuatro procesos termodinámicos reversibles:
Compresión isotérmica: el gas se comprime a temperatura constante en un compresor.
Calentamiento isocórico: el gas se calienta a volumen constante mediante la adición de
calor.
Expansión isotérmica: el gas se expande a temperatura constante en una máquina de
expansión.
Enfriamiento isocórico: el gas se enfría a volumen constante mediante la eliminación de
calor.
En una máquina Stirling, el gas se mueve entre dos pistones: uno caliente y otro frío. El gas
se calienta en el pistón caliente y se enfría en el pistón frío. La máquina convierte el calor en
trabajo mecánico mediante la expansión y contracción del gas.
El ciclo Stirling tiene una eficiencia teórica más alta que el ciclo de Carnot, que es el ciclo
termodinámico más eficiente posible. Sin embargo, la máquina Stirling es más complicada
que otras máquinas térmicas debido a su diseño y construcción, y es menos común en
aplicaciones industriales.
A pesar de esto, las máquinas Stirling se utilizan en algunas aplicaciones de baja potencia,
como en refrigeradores portátiles y en aplicaciones militares. También se utilizan en
aplicaciones de energía térmica y en la producción de electricidad en sistemas de
cogeneración.
Sistemas de cogeneración.
Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción de energía que utilizan una
única fuente de combustible para generar tanto energía eléctrica como energía térmica útil.
La cogeneración es un proceso que tiene como objetivo aumentar la eficiencia energética
de un sistema, ya que permite aprovechar el calor residual que normalmente se pierde en
los procesos de generación de energía.
En un sistema de cogeneración, se utiliza una fuente de energía, como gas natural, diesel o
biomasa, para producir electricidad mediante un generador eléctrico. Además, se aprovecha
el calor generado por el motor o la turbina para producir agua caliente, vapor, aire caliente o
frío, entre otros. Este calor se utiliza en procesos industriales o de calefacción y
refrigeración en edificios.
Los sistemas de cogeneración se utilizan en muchos sectores, como la industria, los
edificios comerciales y residenciales, y los hospitales. La cogeneración es especialmente
útil en procesos industriales que requieren grandes cantidades de energía térmica, ya que
permite reducir los costos de energía y disminuir las emisiones de gases de efecto
invernadero.
La cogeneración también puede ser combinada con sistemas de refrigeración, para producir
refrigeración a partir del calor residual. A esta combinación se le llama trigeneración.
Los sistemas de cogeneración son una alternativa eficiente y sostenible a los sistemas de
producción de energía convencionales y pueden contribuir a la reducción del consumo de
energía y las emisiones de gases de efecto invernadero.
Análisis general del proyecto.
El análisis de una planta de generación de energía eléctrica implica una evaluación
detallada de diversos aspectos técnicos, económicos y ambientales. A continuación, se
describen algunos de los aspectos más importantes a considerar en el análisis de una
planta de generación:
Tecnología y diseño de la planta: se debe analizar la tecnología y el diseño de la planta
para asegurar que sean adecuados para el tipo de combustible utilizado y el tipo de
generación de energía deseado. Esto incluye evaluar los componentes principales de la
planta, como las turbinas, generadores, sistemas de refrigeración, sistemas de control y
automatización, entre otros.
Capacidad de generación: se debe determinar la capacidad de generación de la planta, es
decir, la cantidad máxima de energía eléctrica que puede generar en un período de tiempo
determinado.
Combustible: se debe evaluar el tipo de combustible que se utilizará en la planta, teniendo
en cuenta aspectos como el costo, la disponibilidad, la calidad y el impacto ambiental.
Rendimiento energético: se debe evaluar el rendimiento energético de la planta, es decir,
la eficiencia con la que convierte la energía del combustible en energía eléctrica. Esto
incluye evaluar aspectos como la eficiencia térmica y la eficiencia global.
Costos: se debe evaluar el costo total de la planta, incluyendo la inversión inicial, los costos
operativos y los costos de mantenimiento. Esto permitirá determinar la rentabilidad de la
planta y su capacidad para generar ingresos.
Impacto ambiental: se debe evaluar el impacto ambiental de la planta, incluyendo aspectos
como las emisiones de gases de efecto invernadero, las emisiones de contaminantes
atmosféricos y el uso de agua y su impacto en el medio ambiente.
Planificación de la construcción: se debe planificar la construcción de la planta,
incluyendo la selección del sitio, los permisos y autorizaciones necesarios, la planificación
del proceso de construcción y el tiempo necesario para completar la construcción.
Integración en la red eléctrica: se debe planificar la integración de la planta en la red
eléctrica existente, incluyendo aspectos como la conexión a la red, la regulación de la
frecuencia y la capacidad de transporte de energía.
En general, el análisis de una planta de generación de energía eléctrica es un proceso
complejo que requiere la evaluación de diversos aspectos técnicos, económicos y
ambientales. Un análisis detallado y cuidadoso permitirá identificar los posibles problemas y
oportunidades asociados con la construcción y operación de la planta, lo que a su vez
permitirá maximizar la eficiencia energética, minimizar los impactos ambientales y optimizar
la rentabilidad del proyecto.
Ubicación de la planta.
La ubicación de una planta de generación de energía eléctrica es un aspecto clave a
considerar en el análisis de un proyecto de este tipo. La ubicación debe ser cuidadosamente
evaluada y seleccionada en función de diversos factores técnicos, económicos y
ambientales, como los siguientes:
Acceso a recursos energéticos: La ubicación de la planta debe tener en cuenta la
disponibilidad y accesibilidad a los recursos energéticos necesarios para su funcionamiento,
como el combustible o la energía renovable (por ejemplo, viento, sol, agua).
Infraestructura y servicios públicos: La ubicación debe tener en cuenta la disponibilidad de
infraestructura y servicios públicos necesarios para la operación de la planta, como
carreteras, redes de electricidad, suministro de agua, etc.
Proximidad a los puntos de consumo: La ubicación debe considerar la proximidad a los
puntos de consumo de energía eléctrica, para minimizar las pérdidas de energía en el
transporte.
Zonificación y regulaciones: La ubicación debe estar de acuerdo con las regulaciones y
restricciones de zonificación y uso del suelo.
Factores ambientales: La ubicación debe considerar factores ambientales como la calidad
del aire, el clima y la biodiversidad, entre otros.
Costos y beneficios: La ubicación debe evaluarse en términos de costos y beneficios,
incluyendo el costo de adquisición de la tierra, los costos de construcción, los costos de
transporte y logística, así como los beneficios asociados a la reducción de los costos de
transporte y la optimización del uso de los recursos energéticos.
En general, la selección de la ubicación de la planta de generación de energía eléctrica es
un proceso complejo que debe considerar una variedad de factores. La elección de la
ubicación adecuada puede contribuir significativamente a la rentabilidad y sostenibilidad del
proyecto.
Análisis económico comparativo básico
El análisis económico comparativo es una herramienta importante para evaluar diferentes
opciones de inversión en proyectos de generación de energía eléctrica. El objetivo de este
análisis es comparar el costo y la rentabilidad de diferentes opciones de inversión y
seleccionar la opción más rentable. A continuación, se describen algunos pasos clave en el
análisis económico comparativo:
Identificación de las opciones de inversión: El primer paso es identificar las diferentes
opciones de inversión que se pueden considerar, por ejemplo, diferentes tecnologías de
generación de energía eléctrica o diferentes ubicaciones para la planta.
Evaluación de los costos de inversión: El siguiente paso es estimar los costos de
inversión para cada opción. Estos costos pueden incluir la adquisición de terrenos, la
construcción de la planta, la adquisición de equipos y otros costos relacionados.
Evaluación de los costos operativos: Además de los costos de inversión, se deben
evaluar los costos operativos de cada opción. Esto incluye el costo del combustible o
energía renovable, los costos de mantenimiento y reparación, los costos de operación y
otros costos relacionados.
Evaluación de los ingresos: Se deben evaluar los ingresos esperados de cada opción, por
ejemplo, a través de contratos de venta de energía eléctrica o la venta de excedentes de
energía a la red.
Análisis de la rentabilidad: Finalmente, se debe realizar un análisis de rentabilidad para
cada opción, utilizando indicadores como el valor actual neto (VAN), la tasa interna de
retorno (TIR) y el periodo de recuperación de la inversión (PRI). Esto ayudará a determinar
cuál opción ofrece la mayor rentabilidad.
Es importante tener en cuenta que el análisis económico comparativo debe considerar no
solo los costos y beneficios financieros, sino también los impactos ambientales y sociales de
cada opción. Por lo tanto, se debe considerar una evaluación completa y equilibrada para
tomar la mejor decisión.
3. PLANTAS HIDROELÉCTRICAS.
Introducción.
Las plantas hidroeléctricas son instalaciones que aprovechan la energía del agua en
movimiento para generar energía eléctrica. Se basan en el principio de la conversión de la
energía cinética del agua en energía eléctrica a través de una turbina hidráulica conectada a
un generador eléctrico. Las plantas hidroeléctricas son una fuente de energía renovable y
limpia, ya que no emiten gases de efecto invernadero ni otros contaminantes.
Las plantas hidroeléctricas pueden ser de diferentes tamaños, desde pequeñas plantas de
energía hidroeléctrica de pocos kilovatios utilizadas para electrificación rural, hasta grandes
centrales hidroeléctricas que generan miles de megavatios de energía y se utilizan para
suministrar energía a las redes eléctricas nacionales.
El proceso de generación de energía en una planta hidroeléctrica comienza con el embalse,
donde el agua se almacena antes de pasar por las turbinas. Cuando se abre la compuerta
de las turbinas, el agua comienza a fluir hacia abajo, pasando por las turbinas y haciendo
girar los rotores, lo que genera electricidad en los generadores conectados a las turbinas.
Después de pasar por las turbinas, el agua se libera en el río o canal aguas abajo.
Las plantas hidroeléctricas tienen algunas ventajas importantes, como su capacidad para
almacenar grandes cantidades de energía y su flexibilidad en la operación, lo que permite
una respuesta rápida y eficaz a las fluctuaciones de la demanda eléctrica. Sin embargo, la
construcción de grandes presas hidroeléctricas puede tener un impacto ambiental
significativo en la fauna, la flora y los ecosistemas acuáticos, y puede requerir la reubicación
de poblaciones locales.
En general, las plantas hidroeléctricas siguen siendo una importante fuente de energía
renovable en todo el mundo, y se espera que sigan siendo una parte importante de la matriz
energética global en el futuro.
Disponibilidad del suministro de agua.
La disponibilidad del suministro de agua es un factor crítico a considerar en la construcción
y operación de plantas hidroeléctricas. La cantidad y la calidad del agua disponible en una
cuenca hidrográfica determinarán la capacidad de la planta para generar energía de manera
confiable y sostenible.
En primer lugar, la cantidad de agua disponible debe ser suficiente para garantizar un flujo
constante y predecible a través de la turbina hidráulica. Si el caudal de agua disponible es
bajo, la capacidad de generación de energía de la planta puede verse comprometida,
especialmente durante los períodos de sequía.
Además, la calidad del agua también es un factor importante. El agua de mala calidad
puede afectar la eficiencia de las turbinas y los generadores, y también puede aumentar los
costos de mantenimiento y limpieza de los equipos. Por lo tanto, es importante monitorear
regularmente la calidad del agua para garantizar que cumpla con los estándares
adecuados.
Otro factor importante a considerar es el impacto de la construcción de la planta en los
ecosistemas acuáticos y en las comunidades locales. La construcción de una presa puede
alterar significativamente el flujo del agua y la vida acuática, lo que puede tener efectos
negativos en la biodiversidad y en la pesca local. Además, la construcción de una presa
también puede requerir la reubicación de poblaciones locales, lo que puede generar
problemas sociales y económicos.
En resumen, la disponibilidad del suministro de agua es un factor crítico en la construcción y
operación de plantas hidroeléctricas. Es importante considerar tanto la cantidad como la
calidad del agua, así como los impactos ambientales y sociales de la construcción de la
planta. Al hacerlo, se puede garantizar una generación de energía hidroeléctrica sostenible
y confiable a largo plazo.
Río.
La disponibilidad de agua en un río para una planta de generación hidroeléctrica depende
de varios factores, como la ubicación de la planta, el régimen hidrológico del río, la
presencia de embalses y la regulación de caudales.
En primer lugar, la ubicación de la planta es fundamental para determinar la cantidad de
agua disponible. Las plantas hidroeléctricas suelen ubicarse en lugares donde hay una
cantidad significativa de agua disponible, como en la confluencia de varios ríos o en zonas
de alta pluviosidad.
El régimen hidrológico del río también es importante para determinar la disponibilidad de
agua. Los ríos con un régimen hidrológico regular, es decir, aquellos que tienen un caudal
constante a lo largo del año, son ideales para la generación hidroeléctrica. Por otro lado, los
ríos con un régimen hidrológico variable, como los que experimentan períodos de sequía,
pueden ser menos adecuados.
La presencia de embalses también puede influir en la disponibilidad de agua. Los embalses
pueden ayudar a regular el flujo de agua, lo que puede mejorar la capacidad de generación
hidroeléctrica durante períodos de sequía.
La regulación de caudales también es un factor importante en la disponibilidad de agua para
la generación hidroeléctrica. Algunas plantas hidroeléctricas pueden operar con caudales
constantes, mientras que otras pueden ajustar su producción en función del caudal
disponible en el río.
En general, la disponibilidad de agua en un río para la generación hidroeléctrica depende de
varios factores interconectados. Es importante evaluar cuidadosamente todos estos factores
al seleccionar la ubicación de una planta hidroeléctrica para garantizar una disponibilidad
sostenible y confiable de agua a largo plazo.
Presa o represa.
La disponibilidad de agua en una represa para una planta de generación hidroeléctrica
depende principalmente del nivel de agua en la represa y de la capacidad de
almacenamiento de la misma.
En primer lugar, el nivel de agua en la represa es fundamental para determinar la cantidad
de agua disponible para la generación hidroeléctrica. Si el nivel de agua está bajo, la
capacidad de generación de energía de la planta puede verse comprometida,
especialmente durante los períodos de sequía. Por lo tanto, es importante monitorear
regularmente el nivel de agua en la represa para garantizar que esté dentro de los niveles
adecuados.
La capacidad de almacenamiento de la represa también es un factor importante en la
disponibilidad de agua para la generación hidroeléctrica. Una represa con una mayor
capacidad de almacenamiento de agua puede garantizar una mayor disponibilidad de agua
para la generación hidroeléctrica, incluso durante períodos de sequía.
Además, el régimen hidrológico de la cuenca hidrográfica también puede influir en la
disponibilidad de agua en la represa. Si la cuenca hidrográfica tiene una pluviosidad baja o
irregular, la capacidad de almacenamiento de agua en la represa puede verse
comprometida, lo que a su vez puede afectar la disponibilidad de agua para la generación
hidroeléctrica.
Es importante también considerar los impactos ambientales y sociales de la construcción de
la represa. La construcción de una represa puede tener efectos negativos en la
biodiversidad y en la pesca local, y puede requerir la reubicación de poblaciones locales, lo
que puede generar problemas sociales y económicos.
La disponibilidad de agua en una represa para la generación hidroeléctrica depende
principalmente del nivel de agua en la represa y de la capacidad de almacenamiento de la
misma, así como del régimen hidrológico de la cuenca hidrográfica. Es importante
considerar cuidadosamente estos factores al seleccionar la ubicación de una planta
hidroeléctrica para garantizar una disponibilidad sostenible y confiable de agua a largo
plazo.
Plantas reguladas y no reguladas.
Las plantas reguladas son aquellas que tienen la capacidad de regular el flujo de agua en la
central hidroeléctrica mediante la operación de embalses o presas. En este tipo de plantas,
el flujo de agua puede ser almacenado y liberado en momentos específicos para generar
energía hidroeléctrica, lo que permite una gestión más eficiente y flexible del recurso
hídrico. Por lo general, las plantas reguladas son de mayor tamaño y capacidad que las
plantas no reguladas.
Por otro lado, las plantas no reguladas son aquellas que no tienen la capacidad de regular
el flujo de agua y, por lo tanto, dependen del caudal del río o de la fuente de agua para
generar energía hidroeléctrica. En este tipo de plantas, la generación de energía
hidroeléctrica es más variable y depende de las condiciones hidrológicas del río o la fuente
de agua en cuestión.
Ambos tipos de plantas tienen ventajas y desventajas. Las plantas reguladas ofrecen una
mayor estabilidad y flexibilidad en la generación de energía, lo que permite una mejor
planificación y gestión del recurso hídrico. Por otro lado, las plantas no reguladas pueden
ser más adecuadas para ríos o fuentes de agua con caudales estables y predecibles, y
suelen tener un menor impacto ambiental debido a la falta de construcción de embalses o
presas.
Fórmulas de Bazin, Kutter-Ganguillet, y Manning.
Las fórmulas de Bazin son un conjunto de ecuaciones que se utilizan para calcular el caudal
en canales y ríos. Estas fórmulas se basan en la ley de continuidad de la mecánica de
fluidos, que establece que la masa de fluido que entra en un tramo de canal debe ser igual a
la masa de fluido que sale del mismo tramo. A continuación, se presentan algunas de las
fórmulas más comunes de Bazin:
Fórmula de Bazin para la velocidad del agua en un canal:
V = k R^{2/3} S^{1/2}
Donde:
V = velocidad del agua (m/s)
k = constante de Bazin (0.542 para canales revestidos, 0.525 para canales no revestidos)
R = radio hidráulico (m)
S = pendiente del canal (m/m)
Fórmula de Bazin para el caudal en un canal:
Q = k A R^{2/3} S^{1/2}
Donde:
Q = caudal (m^3/s)
k = constante de Bazin (0.542 para canales revestidos, 0.525 para canales no revestidos)
A = área de la sección transversal del canal (m^2)
R = radio hidráulico (m)
S = pendiente del canal (m/m)
Fórmula de Bazin para la capacidad de transporte de sedimentos en un canal:
Q_s = k_s R^{2/3} S^{1/2}
Donde:
Q_s = capacidad de transporte de sedimentos (kg/s)
k_s = constante de Bazin para sedimentos (0.4 para sedimentos finos, 0.2 para sedimentos
gruesos)
R = radio hidráulico (m)
S = pendiente del canal (m/m)
Es importante destacar que estas fórmulas son útiles para cálculos aproximados y que en la
práctica pueden haber otros factores que afecten el comportamiento del flujo de agua y
sedimentación en un canal o río.
Fórmula de Kutter-Ganguillet para la velocidad del agua en un canal:
V = (1/n) R^{2/3} S^{1/2}
Donde:
V = velocidad del agua (m/s)
n = coeficiente de rugosidad de Manning
R = radio hidráulico (m)
S = pendiente del canal (m/m)
Fórmula de Kutter-Ganguillet para el caudal en un canal:
Q = (1/n) A R^{2/3} S^{1/2}
Donde:
Q = caudal (m^3/s)
n = coeficiente de rugosidad de Manning
A = área de la sección transversal del canal (m^2)
R = radio hidráulico (m)
S = pendiente del canal (m/m)
Es importante destacar que el valor de n debe ser determinado empíricamente a partir de
mediciones en el canal o río en cuestión y puede variar dependiendo de las características
del lecho y las paredes del canal, la velocidad del agua, la viscosidad del fluido, entre otros
factores. También existen otras ecuaciones similares a las de Kutter-Ganguillet, como la
fórmula de Manning, que se utilizan para el cálculo de la velocidad y el caudal en canales y
ríos.
Método de las curvas masas.
El método de las curvas masas es una técnica utilizada en la hidrología para estimar el
caudal de un río o arroyo a partir de mediciones de altura o nivel de agua en una sección
transversal del mismo. Este método se basa en la relación entre el caudal y el área de la
sección transversal del río o arroyo.
El método consiste en realizar mediciones del nivel de agua en diferentes puntos a lo largo
del río o arroyo en un período de tiempo determinado. Con estas mediciones se elabora una
tabla que muestra la altura del agua en cada punto y la correspondiente área transversal del
río o arroyo en ese punto.
A continuación, se construyen las llamadas curvas masas, que son gráficos en los que se
representa la altura del agua en el eje vertical y el área transversal en el eje horizontal.
Cada curva masa representa un instante de tiempo diferente, y su forma refleja las
variaciones en el caudal del río o arroyo a lo largo del tiempo.
Una vez construidas las curvas masas, se pueden utilizar para estimar el caudal del río o
arroyo en cualquier momento. Para ello, se mide la altura del agua en la sección transversal
correspondiente en ese momento y se localiza en la curva masa correspondiente. La
intersección de la altura medida con la curva masa indica el área transversal del río o arroyo
en ese momento, y por tanto, se puede estimar el caudal utilizando la relación entre el
caudal y el área transversal.
Es importante destacar que el método de las curvas masas es una técnica empírica y puede
presentar limitaciones en situaciones en las que la geometría de la sección transversal del
río o arroyo varía significativamente con el tiempo, por ejemplo, en ríos con caudales altos
que generan inundaciones o en ríos que experimentan cambios en su lecho debido a la
erosión o sedimentación. En estos casos, se recomienda utilizar otras técnicas más
precisas para la medición del caudal, como el método de flotadores o el método de la
velocidad del agua.
. PLANTAS TERMOELECTRICAS.
Introducción.
Las plantas termoeléctricas son instalaciones destinadas a generar electricidad a partir de la
combustión de combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo o el gas natural. Estas
plantas convierten la energía química contenida en el combustible en energía térmica, que a
su vez se utiliza para generar vapor a alta presión y temperatura. El vapor generado impulsa
una turbina, que a su vez activa un generador eléctrico que produce electricidad.
Las plantas termoeléctricas se encuentran entre las fuentes de energía más comunes y
ampliamente utilizadas en todo el mundo, debido a su alta eficiencia y facilidad de uso. Sin
embargo, también tienen un impacto negativo en el medio ambiente, ya que la combustión
de combustibles fósiles libera grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) y otros
gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático.
Además, las plantas termoeléctricas pueden afectar la calidad del aire y del agua en sus
proximidades, debido a la liberación de gases y otros contaminantes durante el proceso de
combustión y la manipulación de los residuos generados.
En los últimos años, se han desarrollado tecnologías de energía más limpia, como la
energía eólica, solar y de biomasa, que ofrecen una alternativa más sostenible y amigable
con el medio ambiente a la energía generada por las plantas termoeléctricas. A pesar de
esto, las plantas termoeléctricas siguen siendo una fuente importante de energía en muchos
países y continuarán siendo un elemento clave en el suministro de energía eléctrica en todo
el mundo en el futuro previsible.
Diagrama general de una planta.
Equipos principales y secundarios de una planta termoeléctrica.
Calderas: Son el equipo principal de la planta termoeléctrica. Las calderas se utilizan para
generar vapor a alta presión y temperatura a partir de la combustión de combustibles fósiles
como el carbón, el petróleo o el gas natural.
Turbinas: El vapor generado por las calderas se utiliza para impulsar las turbinas. Las
turbinas son máquinas rotatorias que convierten la energía térmica en energía mecánica,
que a su vez se utiliza para generar electricidad.
Generadores: Los generadores se utilizan para convertir la energía mecánica generada por
las turbinas en energía eléctrica.
Sistemas de enfriamiento: El proceso de combustión en las calderas genera calor, y este
calor debe ser eliminado para evitar el sobrecalentamiento del equipo. Los sistemas de
enfriamiento, como torres de enfriamiento y sistemas de agua de refrigeración, se utilizan
para disipar el calor generado.
Los equipos secundarios de una planta termoeléctrica incluyen:
Transformadores: Los transformadores se utilizan para aumentar o disminuir el voltaje de
la electricidad generada por los generadores antes de que se transmita a la red eléctrica.
Sistemas de control y automatización: Los sistemas de control y automatización se
utilizan para monitorear y controlar los procesos en la planta termoeléctrica, asegurando
que los equipos funcionen de manera segura y eficiente.
Sistemas de tratamiento de gases: Los sistemas de tratamiento de gases se utilizan para
reducir las emisiones de gases contaminantes y otros contaminantes atmosféricos
generados por la combustión de combustibles fósiles.
Sistemas de tratamiento de agua: Los sistemas de tratamiento de agua se utilizan para
tratar el agua utilizada en el proceso de generación de energía y reducir la contaminación
de las aguas superficiales y subterráneas.
Operación de la planta termoeléctrica.
La operación de una planta termoeléctrica implica varios procesos, desde la generación de
energía hasta la transmisión de electricidad a la red. Los siguientes son los pasos
principales en la operación de una planta termoeléctrica:
Suministro de combustible: La planta termoeléctrica debe recibir un suministro constante
de combustible, que puede ser carbón, petróleo o gas natural.
Combustión: El combustible se quema en la caldera para generar vapor a alta presión y
temperatura.
Generación de vapor: El vapor generado en la caldera se utiliza para impulsar las turbinas,
que a su vez hacen girar los generadores para producir electricidad.
Enfriamiento: El calor generado durante el proceso de generación de energía debe ser
eliminado para evitar el sobrecalentamiento del equipo. Los sistemas de enfriamiento, como
las torres de enfriamiento, se utilizan para disipar el calor generado.
Transmisión: La electricidad generada se transmite a través de los transformadores para
aumentar o disminuir el voltaje antes de que se transmita a la red eléctrica.
Control y automatización: Los sistemas de control y automatización monitorean y
controlan los procesos en la planta termoeléctrica para garantizar que los equipos funcionen
de manera segura y eficiente.
Mantenimiento: Se lleva a cabo un mantenimiento regular en los equipos para garantizar
que funcionen correctamente y para prevenir fallas y tiempos de inactividad.
Monitoreo ambiental: La planta termoeléctrica también debe monitorear y controlar las
emisiones de gases contaminantes y otros contaminantes atmosféricos generados por la
combustión de combustibles fósiles, así como también la contaminación del agua utilizada
en el proceso de generación de energía.
Secuencia del proceso de generación.
La secuencia del proceso de generación de una planta termoeléctrica se puede describir en
los siguientes pasos:
Suministro de combustible: La planta termoeléctrica recibe un suministro constante de
combustible, que puede ser carbón, petróleo o gas natural.
Combustión: El combustible se quema en la caldera para generar calor.
Generación de vapor: El calor generado se utiliza para calentar agua y generar vapor a
alta presión y temperatura.
Turbinas: El vapor generado en la caldera impulsa las turbinas, que están conectadas a los
generadores de electricidad.
Generadores: Las turbinas hacen girar los generadores, que convierten la energía
mecánica en energía eléctrica.
Transformadores: La electricidad generada se transmite a través de los transformadores
para aumentar o disminuir el voltaje antes de que se transmita a la red eléctrica.
Subestación: La electricidad se envía a una subestación para distribuir la energía a los
clientes.
Consumo: Los clientes reciben y consumen la energía eléctrica generada por la planta
termoeléctrica.
Es importante tener en cuenta que el proceso de generación de una planta termoeléctrica
puede variar según el tipo de combustible utilizado y el diseño específico de la planta.
Además, se deben seguir protocolos de seguridad y mantenimiento para garantizar que la
planta opere de manera segura y eficiente.
Rendimiento.
El rendimiento en una planta termoeléctrica se refiere a la cantidad de energía eléctrica
generada en relación a la cantidad de energía térmica producida por la combustión del
combustible utilizado. El rendimiento de una planta termoeléctrica puede ser calculado
utilizando la siguiente fórmula:
Rendimiento = (Energía eléctrica generada / Energía térmica producida) x 100%
El rendimiento de una planta termoeléctrica puede ser influenciado por diversos factores,
tales como la calidad del combustible utilizado, la eficiencia de la caldera, la temperatura y
presión del vapor generado, la eficiencia de las turbinas y generadores, entre otros.
Es importante que las plantas termoeléctricas maximicen su rendimiento para lograr una
producción de energía eléctrica eficiente y rentable, y para minimizar el impacto ambiental.
Por lo tanto, se utilizan diversas técnicas y tecnologías para mejorar el rendimiento, tales
como la cogeneración, la optimización de los procesos de combustión, la recuperación de
calor residual, entre otras.
Consumo de vapor y pérdidas de distribución.
El consumo de vapor en una planta termoeléctrica depende de la capacidad de generación
y del diseño específico de la planta. El vapor es producido en la caldera, que se alimenta
con combustible, y es utilizado para hacer girar las turbinas y generar electricidad. Una
parte del vapor generado es consumido por los equipos auxiliares de la planta, tales como
las bombas de agua, ventiladores, sistemas de aire acondicionado, entre otros. Además,
una parte del vapor se pierde durante el proceso de distribución y transporte, lo que puede
afectar la eficiencia y el rendimiento de la planta.
Las pérdidas de distribución en una planta termoeléctrica pueden ocurrir en las tuberías que
transportan el vapor desde la caldera a las turbinas y a otros equipos. Estas pérdidas se
deben principalmente a la fricción del vapor con las paredes de las tuberías, las curvas y las
válvulas. Para minimizar estas pérdidas, se pueden utilizar técnicas y tecnologías tales
como la selección adecuada de los materiales de las tuberías, la optimización del diseño de
las tuberías y la selección de las dimensiones adecuadas para reducir la fricción.
Es importante minimizar el consumo de vapor y las pérdidas de distribución en una planta
termoeléctrica para maximizar la eficiencia y el rendimiento, y para reducir los costos
operativos. Por lo tanto, se utilizan diversas técnicas y tecnologías para mejorar la eficiencia
energética, tales como la cogeneración, la recuperación de calor residual, la optimización de
los procesos de combustión, entre otras. Además, el mantenimiento adecuado de los
equipos y la inspección regular de las tuberías pueden ayudar a minimizar el consumo de
vapor y las pérdidas de distribución.
Parámetros de selección.
En la selección de equipos para una planta termoeléctrica, se deben considerar varios
parámetros para garantizar un rendimiento óptimo y un funcionamiento seguro y confiable
de la planta. A continuación, se presentan algunos de los parámetros de selección más
importantes:
Capacidad de generación: se debe seleccionar la capacidad de generación adecuada en
función de las necesidades de energía eléctrica y las condiciones de demanda.
Tipo de combustible: se debe seleccionar el tipo de combustible adecuado en función de
factores como la disponibilidad, el costo y la calidad del combustible, y las regulaciones
ambientales.
Eficiencia: se deben seleccionar equipos con una alta eficiencia energética para maximizar
la producción de energía eléctrica y minimizar los costos operativos.
Confiabilidad: se deben seleccionar equipos confiables y duraderos para minimizar el
tiempo de inactividad y los costos de mantenimiento.
Flexibilidad: se deben seleccionar equipos que permitan una operación flexible para
adaptarse a las variaciones en la demanda de energía eléctrica.
Seguridad: se deben seleccionar equipos que cumplan con las normas y regulaciones de
seguridad para garantizar un funcionamiento seguro y confiable de la planta.
Costo: se deben seleccionar equipos que cumplan con los requisitos de rendimiento y
seguridad a un costo razonable.
Equipos auxiliares.
Algunos de los equipos auxiliares más comunes en una planta termoeléctrica son:
Sistemas de suministro de combustible: estos sistemas proporcionan el combustible
necesario para la generación de energía eléctrica. Incluyen equipos como tanques de
almacenamiento, bombas de combustible, filtros y válvulas.
Sistemas de tratamiento de agua: estos sistemas proporcionan agua de alta calidad para
su uso en los equipos principales de la planta. Incluyen equipos como unidades de
tratamiento de agua, tanques de almacenamiento, bombas de agua y sistemas de
desmineralización.
Sistemas de aire: estos sistemas proporcionan aire de alta calidad para la combustión y el
enfriamiento de los equipos principales de la planta. Incluyen equipos como compresores de
aire, filtros de aire y ventiladores.
Sistemas de enfriamiento: estos sistemas proporcionan el enfriamiento necesario para los
equipos principales de la planta, incluyendo los generadores y los equipos de enfriamiento
de gases de escape. Incluyen equipos como torres de enfriamiento, intercambiadores de
calor y bombas de enfriamiento.
Sistemas eléctricos y de control: estos sistemas proporcionan la energía eléctrica y el
control necesario para la operación de los equipos principales de la planta. Incluyen equipos
como interruptores, transformadores, sistemas de control y sistemas de protección eléctrica.
Sistemas de tratamiento de residuos: estos sistemas proporcionan la eliminación y el
tratamiento adecuados de los residuos generados por la planta termoeléctrica. Incluyen
equipos como sistemas de tratamiento de agua residual, sistemas de tratamiento de gases
de escape y sistemas de eliminación de residuos sólidos.
CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA NUCLEAR.
Fundamentos de Física Nuclear.
Los conceptos fundamentales en la física nuclear incluyen:
El modelo de núcleo atómico: el modelo de núcleo atómico se utiliza para describir la
estructura de los núcleos atómicos. El modelo se basa en la idea de que los protones y
neutrones en el núcleo están unidos por fuerzas nucleares y forman una estructura esférica
compacta.
La estabilidad nuclear: la estabilidad nuclear se refiere a la capacidad de los núcleos
atómicos de permanecer unidos y no desintegrarse. La estabilidad nuclear depende de la
relación entre el número de protones y el número de neutrones en el núcleo.
La desintegración nuclear: la desintegración nuclear se refiere al proceso por el cual los
núcleos atómicos se desintegran y emiten partículas o radiación. Los tipos comunes de
desintegración nuclear incluyen la emisión alfa, la emisión beta y la desintegración gamma.
La energía nuclear: la energía nuclear se refiere a la energía que se libera durante los
procesos nucleares. La energía nuclear se puede utilizar para generar electricidad en las
centrales nucleares.
La radiación nuclear: la radiación nuclear se refiere a la emisión de partículas o energía
por parte de los núcleos atómicos. La radiación puede ser ionizante o no ionizante, y puede
tener efectos negativos en la salud humana.
Las aplicaciones de la física nuclear: la física nuclear tiene muchas aplicaciones en la
vida cotidiana, como en la medicina, la industria y la generación de energía. La física
nuclear también se utiliza para estudiar la estructura del universo y cómo se formaron las
estrellas y los elementos químicos.
Estructura atómica.
Un átomo está compuesto por un núcleo
central que contiene protones y neutrones, y
electrones que giran alrededor del núcleo en capas llamadas niveles de energía.
Los protones tienen una carga eléctrica positiva y los electrones tienen una carga eléctrica
negativa. Los neutrones no tienen carga eléctrica. La cantidad de protones en un átomo se
conoce como el número atómico, y determina a qué elemento pertenece el átomo. La
cantidad de protones y neutrones en el núcleo determina el peso atómico del átomo.
Los electrones se organizan en diferentes capas de energía, conocidas como niveles o
capas electrónicas. La capa más cercana al núcleo es la capa de menor energía, seguida
por capas de mayor energía a medida que se alejan del núcleo. Los electrones pueden
saltar entre niveles de energía, lo que puede causar que el átomo emita o absorba luz en
forma de fotones.
La teoría cuántica es la base de nuestra comprensión de la estructura atómica. Según la
teoría cuántica, los electrones en un átomo se describen como ondas de probabilidad que
ocupan ciertos niveles de energía. La probabilidad de encontrar un electrón en una posición
determinada dentro de la capa se describe mediante una función de onda.
Isótopos e isótopos radiactivos.
Los isótopos son átomos que tienen el mismo número de protones en el núcleo, pero
difieren en el número de neutrones. Debido a que el número de protones determina la
identidad del elemento, los isótopos de un elemento tienen propiedades químicas similares.
Sin embargo, los isótopos pueden tener diferentes masas atómicas debido a la presencia de
diferentes números de neutrones.
Los isótopos radioactivos son isótopos inestables que emiten radiación ionizante en forma
de partículas alfa, beta o rayos gamma a medida que se desintegran en otros elementos
más estables. Esta desintegración radiactiva ocurre a una tasa constante, medida en
términos de su vida media, que es el tiempo que tarda la mitad de los átomos radiactivos en
desintegrarse.
Los isótopos radiactivos tienen numerosas aplicaciones en la ciencia y la medicina,
incluyendo la datación radiométrica para determinar la edad de objetos antiguos, la
medicina nuclear para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, y la radiación para la
generación de energía en plantas nucleares.
Ley de decaimiento radiactivo.
La ley de decaimiento radioactivo es una ley física que describe cómo los núcleos atómicos
radiactivos se desintegran con el tiempo. Esta ley establece que la tasa de desintegración
radiactiva de un núcleo radiactivo es proporcional a la cantidad de núcleos presentes. Es
decir, cuanto mayor sea el número de núcleos radiactivos presentes, mayor será la tasa de
desintegración y, por lo tanto, mayor será la cantidad de radiación emitida.
La ley de decaimiento se puede expresar matemáticamente como:
N = N0e^(-λt)
donde N es el número de núcleos radiactivos presentes en un momento dado, N0 es el
número de núcleos radiactivos presentes en el momento inicial, t es el tiempo transcurrido
desde el momento inicial y λ es la constante de decaimiento, que es característica del
material radiactivo y describe la tasa de desintegración.
La ley de decaimiento se puede utilizar para calcular la vida media de un material radiactivo,
que es el tiempo que tarda la mitad de los núcleos radiactivos presentes en desintegrarse.
La vida media se puede calcular a partir de la constante de decaimiento utilizando la
siguiente fórmula:
T1/2 = ln(2) / λ
Donde T1/2 es la vida media y ln es el logaritmo natural.
5.2 Detección de la radiación nuclear.
La detección de la radiación nuclear es un proceso mediante el cual se detectan y miden las
partículas o la radiación electromagnética emitida por sustancias radiactivas. Esto es
importante para la seguridad en aplicaciones nucleares, la medicina nuclear, la investigación
científica, entre otros campos.
Existen varios tipos de detectores de radiación nuclear, entre los que se incluyen:
Contadores Geiger-Müller: son detectores de gas llenos de un gas noble como argón, neón
o helio, que se ioniza cuando la radiación incide en el detector, produciendo un impulso
eléctrico que se amplifica y se registra.
Detectores de centelleo: son detectores que utilizan materiales como el cristal de NaI(Tl) o
plásticos centelleadores, que emiten luz cuando son excitados por la radiación nuclear. Esta
luz es detectada por un fotomultiplicador y se registra como una señal eléctrica.
Detectores de estado sólido: son detectores que utilizan materiales semiconductores como
el silicio o el germanio, que producen una corriente eléctrica cuando son excitados por la
radiación nuclear.
Detectores de espectrometría gamma: son detectores que permiten identificar los distintos
tipos de radiación gamma y medir su energía. Utilizan cristales especiales, como el
germanato de bismuto o el ioduro de cesio, que producen luz cuando son excitados por la
radiación gamma. Esta luz es detectada por un fotomultiplicador y se convierte en una señal
eléctrica que se analiza para determinar la energía de la radiación.
5.2.1 Detectores gaseosos y de centelleo.
Detectores gaseosos: Estos detectores utilizan un gas como medio detector para medir la
radiación nuclear. El gas se ioniza cuando la radiación incide sobre él, produciendo
electrones y iones. Los electrones son atraídos hacia un ánodo cargado positivamente y los
iones hacia un cátodo cargado negativamente, produciendo una corriente eléctrica que se
amplifica y se registra. El detector Geiger-Müller es un tipo común de detector gaseoso que
se utiliza para medir la radiación ionizante en aplicaciones como la protección radiológica, la
medicina nuclear y la industria.
Detectores de centelleo: Estos detectores utilizan materiales que emiten luz (centelleo)
cuando son excitados por la radiación nuclear. La luz producida es detectada por un
fotomultiplicador que convierte la luz en una señal eléctrica que se amplifica y se registra.
Los detectores de centelleo se utilizan comúnmente en aplicaciones que requieren una alta
resolución en la medición de la radiación, como la espectrometría gamma y la tomografía
por emisión de positrones (PET) en medicina nuclear.
5.2.2 Detectores semiconductores.
Los detectores semiconductores son dispositivos que utilizan materiales semiconductores,
como el silicio y el germanio, para detectar la radiación nuclear. Estos detectores funcionan
al aprovechar los efectos producidos por la radiación ionizante en los materiales
semiconductores.
Cuando la radiación incide sobre el material semiconductor, los electrones del material son
excitados y se crean pares de electrones y huecos en el material. Los pares de electrones y
huecos producen una corriente eléctrica que puede ser detectada por el detector. El tamaño
de la corriente producida está directamente relacionado con la energía de la radiación que
incide sobre el material.
Los detectores semiconductores tienen una alta resolución energética, lo que significa que
pueden medir la energía de la radiación con gran precisión. Esto los hace útiles en
aplicaciones que requieren una alta resolución en la medición de la radiación, como la
espectrometría gamma y la detección de partículas cargadas.
Además, los detectores semiconductores pueden ser muy compactos y tener una respuesta
rápida a la radiación, lo que los hace útiles en aplicaciones portátiles y de campo. Sin
embargo, los detectores semiconductores también tienen algunas desventajas, como su alto
costo y su susceptibilidad a daños por radiación, lo que limita su vida útil en entornos
radiactivos intensos.
5.3 Principios de protección radiológica.
La protección radiológica es el conjunto de medidas y técnicas destinadas a proteger a las
personas y el medio ambiente de los efectos nocivos de la radiación ionizante. A
continuación, se presentan los principales principios de protección radiológica:
Justificación: Se debe justificar cualquier exposición a la radiación, asegurando que los
beneficios superan los riesgos. Esto implica que toda actividad que involucre radiación debe
ser evaluada cuidadosamente para determinar si es necesaria y si se pueden tomar
medidas para minimizar los riesgos.
Optimización: Se debe optimizar la exposición a la radiación, manteniéndola tan baja como
sea razonablemente posible, teniendo en cuenta las consideraciones técnicas, sociales y
económicas. Esto implica que se deben tomar medidas para reducir la exposición a la
radiación tanto como sea posible sin comprometer los beneficios de la actividad.
Limitación: Se deben establecer límites de exposición a la radiación, de forma que se
mantenga la exposición por debajo de niveles que puedan causar daño. Estos límites se
establecen en función del tipo de radiación, la duración de la exposición y la sensibilidad de
los tejidos expuestos.
Protección personal: Se deben proporcionar medidas de protección personal para reducir
la exposición a la radiación, como el uso de dosímetros personales, escudos y barreras
protectoras.
Control de la fuente: Se deben tomar medidas para controlar la fuente de radiación,
minimizando la liberación de materiales radiactivos y asegurando que las fuentes radiactivas
estén almacenadas y utilizadas de manera segura.
Educación y entrenamiento: Se debe proporcionar educación y entrenamiento adecuados
a las personas que trabajan con radiación, de forma que puedan comprender los riesgos y
tomar medidas para protegerse y proteger a los demás.
5.3.1 Dosis, dosis absorbida y dosis equivalente.
La dosis es la cantidad de energía radiante depositada por unidad de masa de un objeto o
tejido. En el sistema internacional de unidades (SI), se mide en grays (Gy), que es
equivalente a la absorción de una energía radiante de un joule por kilogramo de materia.
La dosis absorbida es la cantidad de energía radiante que se deposita por unidad de masa
en un objeto o tejido. Se mide en grays (Gy).
La dosis equivalente es una medida de la radiación biológica de los distintos tipos de
radiación. Es una medida ponderada que tiene en cuenta tanto la cantidad de energía
radiante depositada en los tejidos como el tipo de radiación. Se mide en sieverts (Sv).
La dosis equivalente se obtiene multiplicando la dosis absorbida por un factor de
ponderación de la radiación (W_R) que depende del tipo de radiación. Por ejemplo, para la
radiación gamma, el factor de ponderación de la radiación es 1, mientras que para los
protones, el factor es 2 y para los neutrones, el factor es 10.
5.3.2 Factores de protección: Distancia, tiempo y blindaje.
Los factores de protección en la radioprotección incluyen la distancia, el tiempo y el blindaje.
La distancia es un factor importante en la protección contra la radiación. La exposición a la
radiación disminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia entre la fuente de
radiación y la persona expuesta. Por lo tanto, la distancia es una forma efectiva de reducir la
dosis recibida.
El tiempo es otro factor importante. La exposición prolongada a la radiación puede
aumentar significativamente la dosis recibida, mientras que la exposición breve puede
minimizar la dosis. Por lo tanto, reducir el tiempo de exposición es una forma efectiva de
protegerse contra la radiación.
El blindaje es otro factor de protección. Los materiales de alta densidad, como el plomo o el
hormigón, pueden bloquear o reducir la cantidad de radiación que llega a una persona. Por
lo tanto, el blindaje se utiliza para proteger a las personas contra la radiación. Por ejemplo,
en la industria nuclear, las salas de control y las áreas de almacenamiento de materiales
radiactivos están blindadas con paredes gruesas de hormigón y acero para proteger al
personal de la radiación.
Es importante tener en cuenta que la combinación de estos factores de protección es
fundamental para reducir la exposición a la radiación. Por ejemplo, aumentar la distancia y
reducir el tiempo de exposición, además de utilizar el blindaje adecuado, puede ayudar a
minimizar la dosis recibida.
5.3.3 Criterio ALARA. (As low as reasonably achievable).
ALARA significa "As Low As Reasonably Achievable" (Tan Bajo Como Sea Razonablemente
Posible) y es un principio fundamental en la radioprotección. El objetivo de ALARA es
minimizar la exposición a la radiación tanto como sea posible, manteniendo al mismo tiempo
un nivel aceptable de protección.
El principio ALARA se aplica en todas las situaciones en las que existe el riesgo de
exposición a la radiación, desde las instalaciones nucleares hasta los servicios médicos que
utilizan radiación ionizante. El principio implica que se deben tomar todas las medidas
posibles para minimizar la exposición a la radiación, sin afectar negativamente la calidad de
la atención o los resultados de las pruebas.
El criterio ALARA se basa en tres principios básicos:
Limitar el tiempo de exposición a la radiación.
Aumentar la distancia entre la fuente de radiación y el individuo expuesto.
Utilizar blindajes o barreras para reducir la exposición a la radiación.
En resumen, el criterio ALARA busca garantizar que la exposición a la radiación sea lo más
baja posible, siempre que sea razonablemente posible hacerlo, y que se tomen todas las
medidas necesarias para lograr este objetivo.
5.4 Ingeniería de reactores nucleares.
La ingeniería de reactores nucleares es una rama de la ingeniería nuclear que se ocupa del
diseño, construcción, operación y mantenimiento de los reactores nucleares. Los reactores
nucleares son dispositivos que utilizan la energía nuclear para generar calor, que se
convierte en energía eléctrica.
Los ingenieros de reactores nucleares deben tener conocimientos profundos de física
nuclear, termodinámica, mecánica de fluidos, seguridad nuclear, control de procesos y
tecnología de materiales. Su trabajo implica diseñar y construir reactores nucleares seguros
y eficientes, así como garantizar que los reactores nucleares funcionen de manera segura y
eficiente durante su vida útil.
Los ingenieros de reactores nucleares también se encargan de la gestión de residuos
radiactivos y la desactivación de los reactores nucleares al final de su vida útil. Deben
cumplir con estándares rigurosos de seguridad y regulaciones para garantizar la protección
de las personas y el medio ambiente.
La ingeniería de reactores nucleares se utiliza en una variedad de aplicaciones, incluyendo
la generación de energía eléctrica, la propulsión de barcos y submarinos nucleares, la
producción de radioisótopos para fines médicos e industriales, y la investigación científica.
Es una disciplina muy especializada y altamente regulada que requiere una capacitación
rigurosa y una gran atención al detalle.
5.4.1 Reactores de fisión.
Los reactores de fisión son
dispositivos que utilizan la fisión
nuclear para generar energía
térmica, que se convierte en
energía eléctrica. La fisión
nuclear es un proceso en el
cual el núcleo de un átomo se
divide en dos núcleos más
pequeños, liberando energía en
forma de calor y radiación.
Los reactores de fisión pueden
funcionar con diferentes tipos
de combustibles, como uranio, plutonio o torio. El combustible nuclear se coloca en una
matriz de material absorbente de neutrones, llamado moderador, que ralentiza los neutrones
liberados por la fisión nuclear y permite que los núcleos de los átomos se dividan de manera
más eficiente.
El calor generado por la fisión nuclear se utiliza para producir vapor, que impulsa las
turbinas conectadas a generadores eléctricos. Los reactores de fisión son capaces de
producir grandes cantidades de energía eléctrica de manera eficiente y confiable, lo que los
convierte en una fuente importante de energía en muchos países.
Sin embargo, los reactores de fisión también generan residuos radiactivos altamente
peligrosos que deben ser almacenados y gestionados cuidadosamente para evitar la
contaminación ambiental y los riesgos para la salud pública. Además, los reactores de fisión
son potencialmente peligrosos debido a la posibilidad de fugas radiactivas, fallas mecánicas
o errores humanos. Por lo tanto, es importante implementar medidas de seguridad rigurosas
y protocolos de emergencia efectivos para garantizar que los reactores de fisión sean
operados de manera segura.
5.4.2 Reactores de fusión.
Los reactores de fusión nuclear son dispositivos que utilizan la fusión nuclear para generar
energía térmica, que se convierte en energía eléctrica. La fusión nuclear es un proceso en
el que dos núcleos atómicos se combinan para formar un núcleo más grande, liberando una
gran cantidad de energía en forma de calor y radiación.
En los reactores de fusión, se utilizan isótopos de hidrógeno, como el deuterio y el tritio,
como combustible nuclear. Estos isótopos se calientan hasta temperaturas extremadamente
altas, lo que les permite fusionarse y liberar una gran cantidad de energía en forma de calor
y radiación.
A diferencia de los reactores de fisión, los reactores de fusión no generan residuos
nucleares peligrosos y no están sujetos a la posibilidad de una reacción en cadena
descontrolada. Además, los reactores de fusión tienen una gran cantidad de combustible
disponible y son altamente eficientes en la producción de energía.
Sin embargo, la tecnología de los reactores de fusión aún se encuentra en desarrollo y no
ha sido comercialmente viable. La principal dificultad es la creación de las condiciones
adecuadas para que la fusión nuclear ocurra y se mantenga estable, lo que requiere una
temperatura y presión extremadamente altas. Actualmente, los científicos están trabajando
en el desarrollo de técnicas para lograr la fusión nuclear controlada y estable, y se espera
que los reactores de fusión puedan convertirse en una fuente importante de energía limpia y
renovable en el futuro.
5.4.3 Reactores de investigación.
Los reactores de investigación son instalaciones nucleares diseñadas para realizar
experimentos científicos y tecnológicos en el ámbito de la física nuclear y la ingeniería
nuclear. Estos reactores se utilizan para producir radioisótopos, estudiar la física nuclear,
realizar pruebas de materiales, generar energía eléctrica en pequeña escala, y para
entrenamiento de personal en las técnicas y operación de reactores nucleares.
Los reactores de investigación son mucho más pequeños que los reactores de energía
eléctrica, y su diseño y funcionamiento son diferentes. A menudo se utilizan combustibles
de baja enriquecimiento y se manejan a potencias más bajas. También pueden contar con
sistemas de control y protección adicionales, ya que la seguridad es una preocupación
primordial en este tipo de instalaciones.
Algunos ejemplos de reactores de investigación son el reactor nuclear de la Universidad
Nacional de Colombia, el reactor nuclear RA-3 de Argentina, el reactor nuclear TRIGA de
Estados Unidos y el reactor nuclear de neutrones pulsados GELINA de la Comisión
Europea.
5.5 Gestión de desechos radiactivos.
La gestión de desechos radioactivos es una actividad fundamental en la industria nuclear
para proteger a las personas y al medio ambiente de los efectos negativos de la radiación.
Los desechos radioactivos se generan en las centrales nucleares, en los hospitales, en los
laboratorios de investigación y en otros lugares donde se utilizan fuentes radiactivas.
La gestión de desechos radioactivos incluye la recopilación, el transporte, el
almacenamiento y la eliminación de los desechos de forma segura y responsable. Es
importante destacar que los desechos radioactivos tienen diferentes niveles de
radioactividad, por lo que deben ser clasificados y manejados de manera apropiada según
su nivel de peligrosidad.
En la gestión de desechos radioactivos se utilizan diferentes métodos, entre ellos:
Almacenamiento temporal: se almacenan temporalmente los desechos de alta y media
actividad en depósitos especialmente diseñados para reducir su actividad antes de ser
eliminados de manera definitiva.
Almacenamiento permanente: los desechos de baja actividad y ciertos tipos de desechos de
media actividad pueden ser almacenados permanentemente en instalaciones que
garantizan su aislamiento del medio ambiente.
Eliminación: los desechos radioactivos de alta actividad se eliminan mediante métodos
como el almacenamiento en depósitos geológicos profundos o la disposición en
instalaciones subterráneas de almacenamiento.
FUNDAMENTOS DEL ACOPLAMIENTO ENTRE LOS SISTEMAS MECÁNICO
Y ELÉCTRICO.
Introducción.
El acoplamiento entre los sistemas mecánico y eléctrico se refiere a la interconexión de un
sistema mecánico (como una máquina rotativa) con un sistema eléctrico (como un
generador). El objetivo del acoplamiento es convertir la energía mecánica en energía
eléctrica y viceversa. Esto se logra mediante la interacción de dos componentes principales:
el rotor mecánico y el estator eléctrico.
El rotor mecánico es el componente que gira y proporciona la energía mecánica. Está
conectado a un eje y gira en torno a un eje central. El estator eléctrico es un componente
estacionario que contiene las bobinas del campo eléctrico. Las bobinas están ubicadas en
ranuras en el estator y están conectadas a una fuente de alimentación eléctrica.
Cuando el rotor mecánico gira, genera un campo magnético que interactúa con las bobinas
en el estator eléctrico. Esta interacción produce una corriente eléctrica en las bobinas del
estator, que se transmite a través de los conductores eléctricos y se utiliza como energía
eléctrica.
El acoplamiento entre los sistemas mecánico y eléctrico se optimiza mediante el diseño de
los componentes individuales, como el rotor y el estator, y la selección de materiales y la
geometría adecuada. Además, el diseño del sistema de control eléctrico y mecánico es
importante para garantizar una operación segura y confiable del sistema.
Conceptos básicos de generadores eléctricos.
Los generadores eléctricos son dispositivos electromecánicos que convierten la energía
mecánica en energía eléctrica mediante el principio de la inducción electromagnética. Su
funcionamiento se basa en la ley de Faraday y la ley de Lenz, las cuales establecen que
cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético, se genera una corriente
eléctrica en el conductor.
Los generadores eléctricos constan de dos partes
principales: el rotor y el estator. El rotor es la parte
móvil del generador que gira alrededor de un eje,
mientras que el estator es la parte fija del generador que contiene los devanados de cobre
donde se genera la corriente eléctrica. La energía mecánica se suministra al rotor, que se
hace girar por medio de una fuente de energía externa, como una turbina de vapor o una
turbina hidráulica. A medida que el rotor gira, los polos magnéticos del rotor y del estator
interactúan, generando una corriente eléctrica en los devanados del estator.
La energía eléctrica generada por los generadores se mide en voltios (V) y amperios (A). La
cantidad total de energía eléctrica generada se mide en vatios (W), que es el producto del
voltaje y la corriente. Los generadores eléctricos también tienen una clasificación de
potencia, que indica la cantidad máxima de energía eléctrica que pueden generar en un
momento dado.
Existen varios tipos de generadores eléctricos, incluyendo generadores de corriente
continua (DC) y generadores de corriente alterna (AC). Los generadores DC se utilizan
típicamente en aplicaciones de baja potencia, como en baterías de automóviles o sistemas
de iluminación portátiles. Los generadores AC, por otro lado, se utilizan para suministrar
energía eléctrica a las redes eléctricas de alta potencia, como las que se utilizan para
alimentar hogares y negocios. Los generadores AC pueden ser de dos tipos: síncronos y
asíncronos. Los generadores síncronos mantienen una velocidad constante en todo
momento, mientras que los generadores asíncronos ajustan su velocidad para adaptarse a
las variaciones de la carga.
Potencia.
La potencia de un motor eléctrico es la capacidad que tiene para realizar trabajo en un
período de tiempo determinado. Es decir, la potencia eléctrica se refiere a la cantidad de
energía que se transforma en energía mecánica, y se mide en unidades de vatios (W) o
caballos de fuerza (HP).
La potencia eléctrica se calcula multiplicando el voltaje (V) por la corriente eléctrica (I) que
circula por el motor, y se expresa en vatios (W) o kilovatios (kW). La fórmula matemática es
P = V x I, donde P es la potencia en vatios, V es el voltaje en voltios y I es la corriente en
amperios.
Es importante tener en cuenta que la potencia nominal de un motor eléctrico indica la
cantidad de potencia que puede entregar en condiciones normales de operación y se
expresa en kilovatios (kW) o caballos de fuerza (HP).
Ejes, cojinetes y acoplamiento a la turbina.
Los ejes, cojinetes y acoplamiento son componentes importantes en la conexión mecánica
entre la turbina y el generador eléctrico en una planta de generación de energía.
Los ejes son elementos que se utilizan para transferir energía mecánica entre dos
componentes rotativos, en este caso la turbina y el generador. Deben ser capaces de
soportar cargas radiales y axiales y ser suficientemente rígidos para evitar flexiones
excesivas que puedan afectar al alineamiento de los componentes.
Los cojinetes son elementos que permiten que los ejes giren libremente y sin fricción en su
interior. Existen diferentes tipos de cojinetes, como los de fricción o los de bolas, y su
elección depende de factores como la velocidad de rotación o la carga soportada.
El acoplamiento es el elemento que conecta los ejes de la turbina y el generador. Su función
es transmitir la potencia mecánica desde la turbina hasta el generador. Existen diferentes
tipos de acoplamientos, como los rígidos o los flexibles, y su elección depende de factores
como la distancia entre la turbina y el generador o la naturaleza de las cargas que deben
soportar.
En general, estos componentes deben ser diseñados cuidadosamente para asegurar una
transmisión de potencia mecánica adecuada y evitar problemas como vibraciones
excesivas, desgaste prematuro de los cojinetes o daños en los ejes.
Acoplamiento.
Existen diferentes tipos de acoplamientos, cada uno con sus propias características y
aplicaciones. Algunos de los acoplamientos más comunes son:
Acoplamientos rígidos: Son acoplamientos sólidos y no tienen la capacidad de absorber las
vibraciones o desalineaciones. Se utilizan en aplicaciones donde la precisión es crítica y no
hay necesidad de absorber vibraciones.
Acoplamientos flexibles: Son acoplamientos que tienen una cierta
cantidad de flexibilidad para absorber vibraciones y desalineaciones. Los
acoplamientos flexibles se utilizan en aplicaciones donde es necesario
absorber vibraciones y permitir la desalineación, como en la conexión de
un motor y una bomba.
Acoplamientos hidráulicos: Son acoplamientos que utilizan un fluido
hidráulico para transmitir la energía mecánica. Los acoplamientos hidráulicos son útiles para
aplicaciones en las que se requiere una carga constante y es necesario absorber las
vibraciones.
Acoplamientos magnéticos: Son acoplamientos que utilizan
campos magnéticos para transmitir la energía mecánica. Los
acoplamientos magnéticos se utilizan en aplicaciones donde se
requiere un alto nivel de seguridad y no se puede permitir la
transferencia directa de energía mecánica.
Acoplamientos de engranajes: Son acoplamientos que utilizan un
conjunto de engranajes para transmitir la energía mecánica. Los
acoplamientos de engranajes se utilizan en aplicaciones donde se
requiere una alta precisión y una carga constante.
Sistemas de protección.
Entre los sistemas de protección más comunes de los generadores eléctricos, se pueden
mencionar:
Protección contra sobrecorriente: Esta protección se encarga de evitar que los circuitos del
generador eléctrico se sobrecarguen y se dañen. Esta protección se logra mediante
dispositivos de protección como fusibles, disyuntores y relés de protección.
Protección contra sobretensión: Esta protección se encarga de evitar que se generen
sobretensiones en el generador eléctrico debido a cambios bruscos en la carga o en la
frecuencia de la red eléctrica. Para ello, se utilizan dispositivos de protección como los
varistores.
Protección contra cortocircuitos: Esta protección se encarga de detectar y desconectar el
generador eléctrico en caso de que se produzca un cortocircuito. Para ello, se utilizan
dispositivos de protección como disyuntores y relés de protección.
Protección contra baja tensión: Esta protección se encarga de detectar y desconectar el
generador eléctrico en caso de que la tensión de salida sea demasiado baja. Para ello, se
utilizan dispositivos de protección como relés de protección.
Protección contra sobretemperatura: Esta protección se encarga de evitar que el generador
eléctrico se sobrecaliente y se dañe. Para ello, se utilizan dispositivos de protección como
termistores y relés de protección.