Diseño termo-hidraulico de una caldera para recuperar la energia de los gases de escape de una turbina de gas

Abstract

El presente proyecto de tesis estuvo enfocado en desarrollar el modelo que considere, de una manera bastante cercana, las dimensiones y la eficiencia en el diseño de una caldera para recuperar la energía de los gases de escape de una turbina de gas por medio del análisis térmico del ciclo combinado, y así determinar si los parámetros encontrados están dentro de las condiciones normales de operación.

El objetivo principal de esta tesis fue determinar la capacidad y viabilidad de la caldera, por medio del diseño de un modelo matemático que pudiera realizar los cálculos necesarios para el análisis de este sistema, así como conocer las características tanto de la fuente de calor como las del proceso que se quiere alimentar en términos de flujos, calores específicos y temperaturas; y por medio de los resultados obtenidos establecer si el diseño de ésta caldera es correcto.

Esta caldera, formada por el evaporador, supercalentador y el economizador, permite la producción de vapor de agua sobrecalentada o de flujo térmico a partir de los gases de combustión proveniente de la turbina de gas.

El diseño se inicia mediante el conocimiento de los rangos de flujo de calor sobre los cuales va a trabajar la turbina de gas; para el proyecto se toma los rangos de una turbina de gas modelo LM 5000; luego se realiza el análisis del intercambiador de calor por medio del uso de la temperatura media logarítmica y flujo cruzado, en el cual se establece cuales fueron los flujos de calor presentes en la caldera. El análisis se lleva a cabo por medio de la ecuación de transferencia de calor y la ecuación del calor transferido para el supercalentador y el economizador, para así obtener la capacidad de transferencia de calor hacia el agua, la cual se encuentra en el interior de los tubos.

Es importante indicar que para el análisis de la caldera de recuperación de calor (intercambiador de calor) se emplea el método de presión simple, el cual consta de un super calentador, un evaporador y un economizador; en cada elemento de la caldera se toma en cuenta detalles específicos. En el economizador se toma en cuenta la diferencia entre la temperatura de saturación del agua a la presión de trabajo, y la temperatura del agua a la salida de dicho elemento (approach point), mientras que en el evaporador se toma como referencia la diferencia de temperatura entre los gases de escape de salida del evaporador y la temperatura de saturación del agua a la presión de trabajo (pinch point). Finalmente, se encuentra las dimensiones de cada elemento de la caldera. Una vez obtenidas las dimensiones y el diseño, se procede a encontrar la eficiencia de operación de la caldera de recuperación de calor, y el dimensionamiento de la bomba con la cual se va a operar este sistema.