esbozo de un sistema geotermoelÉctrico a partir de un volcÁn

8/18/2019 ESBOZO DE UN SISTEMA GEOTERMOELÉCTRICO A PARTIR DE UN VOLCÁN

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ESBOZO DE UN SISTEMA GEOTERMOELÉCTRICO A PARTIR DE UNVOLCÁN

AUTORAdco Ito Luis [email protected]

ASESORIng. Cruz Cabrera Armando [email protected]

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICAFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y SISTEMAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOAv. Floral S/N Telef: 051 369757 C.U. Puno

RESUMEN

La característica principal de este sistema es utilizar un recurso (energía geotérmica de un volcán); para laproducción y su generación de energía eléctrica se da por las condiciones naturales de este yacimiento, para estefin: La presión de entrada a las turbinas de vapor está determinada por la presión y la temperatura del yacimiento, apartir de la formación de un sistema geotérmico que proporciona una masa bifásica (vapor-agua) del tipo erupciónvolcánica de alta temperatura situada en la corteza terrestre (como géiser) luego el calor se almacena en un acuíferoque dará origen al sistema geotermoeléctrico. Le damos importancia a éste sistema que en nuestro país existe comorecurso o campos geotérmicos. Con éste sistema que constituye una convención renovable, implantamos un métodode explotación que permitirá subsanar el suministro ante la necesidad de disponer energía eléctrica.

La existencia de elevadas temperaturas y almacenamiento de energía debido a las enormes presiones existentesbajo la corteza terrestre y a los procesos radiactivos internos de la Tierra (atribución de materia incandescente) queformó éste planeta; y por término o que la ciencia a demostrado que la temperatura de la Tierra aumenta en la

profundidad, produciéndose un gradiente geotérmico. Es aceptable la hipótesis que el calor residual de la Tierra seencuentre en los volcanes ya que por las constantes disgregaciones radiactivas a las que se ven, los volcanes sonuna fuente de generación de calor y allí encontramos la permanencia de altas temperaturas. Es por eso que debemosa nuestro interés; que la explotación de un campo geotérmico es rentable económicamente y también reúnemínimas condiciones.

ABSTRACT

The main characteristic of this system is to use a resource (geothermal energy of a volcano); for the production andits electric power generation is given by the natural conditions of this location, for this end: The entrance pressureto the turbines of vapor is determined by the pressure and the temperature of the location, starting from theformation of a geothermal system that provides a two-phase mass (vapor-water) of the type volcanic eruption of high temperature located in the terrestrial bark (as geyser) then the heat is stored in an aquifer that will give origin

to the system geothermoelectric. We give importance to this system that exists as resource or geothermal fields inour country. With this system that constitutes a renewable convention, implants a method of exploitation that willallow to correct the supply in the face of the necessity of preparing electric power.

The existence of high temperatures and energy storage due to the enormous existent pressures under the terrestrialbark and to the processes radioactive interns of the Earth (attribution of incandescent matter) that formed thisplanet; and for term or that the science had demonstrated that the temperature of the Earth increases in the depth,taking place a geothermal gradient. It is acceptable the hypothesis that the residual heat of the Earth is since in thevolcano for the constant radioactive disintegrations to those that see each other, the volcano is a source of generation of heat and there we find the permanency of high temperatures. It is for that reason that we should to ourinterest; that the exploitation of a geothermal field is profitable economically and it also gathers minimumconditions.


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INTRODUCCIÓN

El presente esbozo es un sistema que constituyeuna convención renovable. La energía geotérmica laencontramos en el interior de la tierra en una de ellasesta en los volcanes. Y en nuestro país (el Perú) quetiene 156 zonas geotérmicas identificadas cuando esel territorio peruano que forma parte del denominadoCírculo de Fuego del Pacífico, caracterizado por laocurrencia de movimientos sísmicos, fenómenostectónicos y elevada concentración de flujotectónico. Así entonces en él se hallan camposgeotérmicos reconociéndose más de doscientasvertientes de agua caliente (hidrotermales), así eneste caso se presentan las fumarolas y algunosgéiseres como el ejemplo para nuestro esbozo en el

proyecto de investigación es una erupción volcánicadel tipo géiser “Calacoa”. Por tanto la existencia deelevadas temperaturas en el interior de la tierra, estodebido a las enormes presiones existentes bajo lacorteza terrestre; y por término medio o que laciencia a demostrado que la temperatura de la Tierraaumenta 3°C cada 100m. de profundidad, de estemodo se produce un gradiente geotérmico (dt/dh). Yes aceptable la hipótesis que el calor residual de laTierra se encuentre en los volcanes ya que por lasconstantes disgregaciones radiactivas a las que seven, los volcanes son una fuente de generación decalor; por eso se debe pensar que la explotación de

un campo geotérmico es rentable: económicamente ytambién reúne mínimas condiciones. Para ellonuestro proyecto se dispone de un tipo de erupciónvolcánica conocida como géiser; esta fuentehidrotermal es un sistema geotérmico en un acuífero,para producir un ciclo térmico; y también con ellodisponer de turbinas de generación eléctrica. Y lasinstalaciones de una casa de maquinas.

En tanto, considerando como nuestro esfuerzo(aplicando tecnologías), es posible obtenerrendimientos o remplazar a las energía tradicionalescon sus limitaciones así entonces es razonable

practicar esta ventaja que nos proporcionaría energíaeléctrica por las convenciones.

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO

La justificación del problema clave que conduce anuestro proyecto es que éste sistema no convencionalresulta una alternativa ante la necesidad desuministro de energía eléctrica en el Perú ya queconsideramos también rentable por nuestro proyectocon las características descritas, antes, pues nocontamina el medio ambiente, de ahí que también nose derivan riesgos; y que este sistema es regulable yasí tratándose económicamente con costos mínimos.

Pero las energías tradicionales presentan grandesinconvenientes (al rato de su generación y suutilización); luego que se deriva la contaminación alimpacto ambiental y otros riesgos que van asociadosa ello, en tanto demandan costos elevados y, por ello,y a sus limitaciones nos exige el esfuerzo porreemplazar de energías convencionales a partir de lageotermia.

DELINEACIÓN DE OBJETIVOS

• Objetivo General

El objetivo de este proyecto es fomentar laexplotación de energías alternativas e introducir almundo de los sistemas de generación de nuestro país,

un sistema distribuido que englobe las denominadasenergías alternativas; como de éste SISTEMAGEOTERMOELÉCTRICO.

• Objetivo Específico

Crear un sistema para el suministro de energíaeléctrica con la utilización de energía renovableproveniente de la geotermia del tipo de volcán queerupciona en forma de géiser.

DESARROLLO DEL TRABAJO

Generar electricidad a partir de un ciclotermodinámico en donde, la fuente energética estáproporcionado por una erupción volcánica en formade fuente hidrotermal, siendo para proyecto comoesbozo, el yacimiento geotérmico de CALACOA.Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperaturael agua que circula por una extensa línea de corrienteo carga formada por una tubería troncal o unvaporducto. Este vapor entra a presión en la turbinadel ciclo, la cual consta de dos etapas: de alta y bajapresión, respectivamente unidos por un mismo eje.

• Prospección y elementos del sistema

geotermoeléctrico

Para la explotación de la energía geotérmica,económicamente rentable reunimos las condiciones;que nos permitan disponer de unos acuíferos o untipo de erupción volcánica que suministre vapor omezcla vapor-agua. Comprobamos por laexploración de los campos geotérmicos con mayorpotencial; donde se ha establecido el área de estudio.Son los volcanes de la región sur; que se ubican en laRegión V (Conos Volcánicos). La Región V, dondese ubican las áreas de mayor interés a nivel nacional,las cuales son : Calacoa-(Rio de Putina), Tutupaca – (Rio de Calientes), Challapalca, Laguna –


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(Chachani), Ubinas-(Ulucan), Rio Maure-(LaBoratera), Chivay, y entre otros. Ya que existenmejores perspectivas para el aprovechamiento comoel suministro de energía eléctrica; en ello se presentala descripción de algunos potenciales geotérmicos enla tabla 1.

Yacimientosgeotérmicos

Temperatura(geotermometrí

a)[°C]

Tipode

agua

Flujode

calor*

Caudal[L/seg]

Rio Putina(Calacoa)

160 – 180 Cloruro-

sódico

11 15

Rio deCalientes

(Tutupaca)

150 – 190 Cloruro-

sódico

11 15

Ulucan(Ubinas)

170 – 180 Cloruro-

sódico

7 9

LaBoratera

(RioMaure)

140 - 150 Cloruro-

sódico

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* Flujo de calor en la superficie[J/s*106]=MWTabla 1. Campos geotérmicos con mayor potencial para el

aprovechamiento de energía.

Calacoa (río Putina), campo geotérmico conpendientes escarpadas, donde se encuentra el granpotencial en yacimientos (volcanes o géiseres); estotambién a través de fuentes hidrotermales de losvolcanes; o acuíferos que son surtidores de aguahirviente que están acompañados de vapores y así proyectan presiones (en su descarga natural alcanzan3m. de altura) con temperaturas altas, en este caso,CALACOA, hasta 90 °C, el tipo de agua contenida esClorurada-sódicas. La intermitencia de la erupción odescarga en CALACOA se explica por el hecho deque después de una explosión de agua hirviente lagrieta o conducto de sólidos se llena de agua fría, yen la zona más profunda reina las altas temperaturasdonde el agua se calienta rápidamente y, al entrar en

ebullición, impulsada por la presión que adquiere enla columna de agua hacia el exterior, y esto seaprovecha para la conversión de energía eléctrica,después se inicia de nuevo reinyectándose el fluidocondensado a los acuíferos y así sucesivamente (veresquema de anexo 1).

La recolección y conducción de la mezcla bifásicay vapor respectivamente se da por la línea delvaporducto, para ello se dispone de un sistema detuberías de acero dulce que están unidas por juntassoldadas (soldadura a tope) que térmicamente estánaislados y así también las tuberías están conectadas a

las convenciones que permiten la dilatación térmicadel vapor, es decir, omegas (para su transporte).Entonces el equipo del sistema esta compuestotambién de válvulas, una que se sitúa en el cabezaldel extractor que se instala dentro del pozo (válvulaprincipal), otras válvulas que constituyen son lasválvulas de control y de seguridad que regulan elflujo y la presión del fluido. Entre estas dos válvulasantes se ubica una válvula de purga, que permite laextracción de gases no condensables y una válvulade desvío que sirve para la descarga del fluido a laatmósfera (desechos).

Pero la relación de agua/ vapor es uniforme a unapresión constante lo cual será útil para nuestroaprovechamiento ya que existe una descarga natural

del fluido por no ser así en ocasiones debido a lasfluctuaciones (cabeceo de presión), el fluido serecolecta a través de una bomba de extracción(sumergible) y transportarlo por gravedad ya queCALACOA encontramos desniveles de terreno quevan desde la recolección hasta la planta deexplotación. Por el vaporducto troncal, se conduce elfluido recolectado, anclados en algunos sitios. Amedida que avanza el fluido se logra adicionar vaporgracias a la evaporación en la conducción. Elvaporducto, para el transporte es instalado enquiebres de zig-zag, y/o omegas; esto para lacompensación por dilatación y contracción térmica;

en la conducción y transporte de fluido geoprurizadohasta nuestra casa de máquinas desde el cabezal deextracción, instalándose antes, el separador departículas y el separador ciclotrónico; Por medio deeste separador ciclotrónico, en el cual el vapor y losgases por ser más ligeros, tienden a concentrarse enla parte superior, dejando escapar el líquido por laparte inferior del separador; este líquido separadoservirá para reinyectarlo en el pozo junto al desechocondensado.

• Utilización del yacimiento geotérmico

La generación de electricidad por medio de laenergía geotérmica está íntimamente ligada con lascondiciones naturales del yacimiento geotérmicoparticular utilizado para ese fin. La presión de entradaa las turbinas de vapor está determinada por latemperatura del yacimiento. Adicionalmente, lapresión de la descarga de un acuífero de CALACOA,en medio de un vulcanismo.

Para la instalación de este sistemageotermoeléctrico se cuenta con una línea decorriente o carga que se extrae de una erupciónvolcánica tipo fuente hidrotermal; que es el acuífero


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que suministra la energía calorífica en una mezclabifásica, y se cuenta de un vaporducto troncal que seaísla térmicamente con vermiculita (durante sutransportación a la casa de máquinas) para obtenermayores rendimientos en su posterioraprovechamiento.

El potencial energético del vapor que alimenta unael sistema geotermoélectrico depende de latemperatura y la presión, además del contenido delos gases o calidad del fluido; con la presión queexpulsa a las turbinas.

Por otro lado, el vapor, antes de entrar en laturbina, ha de ser cuidadosamente deshumidificado,a través de separadores tanto de partículas y

humedad. En caso contrario, las pequeñísimas gotasde agua en suspensión que transportaría seríanlanzadas a gran velocidad contra los álabes, actuandocomo si fueran proyectiles y erosionando las paletashasta dejarlas inservibles.

Por su parte, el vapor -debilitada ya su presión- esenviado en un proceso de recalentamiento. Allí esrecalentado utilizando combustible; esto se da en unciclo de recalentamiento (ciclo de Hirn) porquepermitirá obtener mejores rendimientos; con estodecimos que hacemos que el ciclo productivo puedavolver a iniciarse para una segunda turbina y tener

una buena eficiencia. El objetivo de esta dobledisposición es aprovechar al máximo la fuerza delvapor, ya que este va perdiendo presiónprogresivamente, por lo cual es necesario utilizar unciclo con recalentamiento de Rankine o ciclo de Hirn(ver figura 2). El recalentamiento es el proceso deretornar el vapor expandido hasta presionesintermedias de vuelta para ser recalentado; paraaumentar la temperatura máxima, aunque sinrecuperación de presión. De esta manera aumenta laproporción de calor transferido a alta temperatura, ypor lo tanto, aumenta la eficiencia térmica(físicamente se logra que el vapor se expanda más

seco). Esto evita la erosión en la turbina.Evolución del fluido geotérmico

• El calor es el motor de la tectónica de lasplacas, que involucra a la litosfera, a laastenósfera y a otros procesos a mayorprofundidad, como los movimientos o laconvección en el manto y en el núcleoexterno.

• El calor se propaga por conducción en unamateria desde una zona caliente(temperatura alta) a una zona fría

(temperatura mas baja). La velocidad a lacual se propaga en un sólido se proporcionacon el gradiente de temperatura.Supongamos que tenemos una profundidad Z 2 a una temperatura T 2 y a una profundidad Z 1, una temperatura T 1. Suponiendo tambiénT 2>T 1. La cantidad de calor transferido porunidad de tiempo y unidad de superficiedesde el nivel Z 2 al nivel Z 1 es:

frío

caliente

Z1

Z2 T2>T1

T1

Figura 1. Propagación del flujo de calor por conducción.

W = -K(T 2 – T 1)/(Z 2 – Z 1) (Ecuación 1)

Donde:W es el calor por unidad de tiempo.

K es la conductividad térmica del medio.

• El signo negativo de la ecuación 1. significapara indicar que el calor se propaga en ladirección del eje Z negativo, es decir, Z 2(que está más caliente) a Z 1 (que está a unatemperatura inferior). La unidad del flujo decalor en el sistema internacional es W/m2 yla conductividad térmica, es Wm-1°C-1, en lasiguiente tabla (ver tabla 2), se presentanvalores típicos de la conductividad térmicade algunos materiales que componen losyacimientos geotérmicos, en tanto Calacoa,estos acuíferos suministran agua cloruro

sódicas.

Material Conductividad(Wm-1°C -1)

Argilita 2.38Caliza 2.21Basalto 1.76

Sal 5.52Tabla 2. Conductividad térmica de materiales que compone el

yacimiento geotérmico.

• Para obtener la diferencial de la ecuación 1.consideramos Z 2 - Z 1 muy pequeño, dZ, la


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diferencia de temperatura será dT y laecuación queda.

W(Z) = -KdT/dZ (Ecuación 2)

El cociente (dT/dZ ) se conoce como gradientegeotérmico y es un parámetro que puede medir en unpozo geotérmico, a partir de las medidas detemperatura en sucesivos puntos a lo largo delmismo; para ello hay que tomar especialesprecauciones, por estar la influencia de corrientes deagua subterránea que puedan perturbar latemperatura de la roca. El gradiente geotérmicopuede variar de un punto a otro de la superficie de latierra y su valor promedio viene a ser de 0.2 a 0.04°C/m. A partir del gradiente geotérmico,

multiplicándolo por la conductividad de la roca,entonces se obtendrá el flujo de calor (W).

Considerando para nuestro esbozo, tenemos unaerupción volcánica de Calacoa (Río Putina) del tipogéiser, es un yacimiento geotérmico con predominiode agua, en una mezcla bifásica (vapor/ agua).Calacoa (campo geotérmico) que actualmente no seaprovecha por el desconocimiento, este yacimientose encuentra en una región de vulcanismo, que sesupone que la fuente de calor es el magma que puedeestar a 700 – 1000°C situada en algunos Km. de lasuperficie, en tanto que la intrusión magmática

ocurre en la zona limite de la placa Nazca; puntocaliente y zona de adelgazamiento litosférico conpresencia de fallas que favorecen la ascensión delmagma. Esta es una de las determinadas estructurasen zonas de fuerte actividad tectónica.

CALACOA (Río de Putina) las erupcionesvolcánicas se hallan ubicadas al norte del pueblo deCalacoa dentro de la Provincia Mariscal Nieto a unaaltura de 2,814 a 3,075 m.n.s.m., el fluidogeotérmico que suministra es una sustancia clorurosódica, que no es una corrosiva, sino una sustanciasalina, que incluso puede beberse, y haciendo un

estudio de impacto ambiental para este proyecto sudescarga no contiene elementos radioactivos. (Verfigura 2) .

Figura 2. Erupción volcánica del tipo fuente hidrotermal(CALACOA).

Se caracteriza por sus grietas y surtidores tipoGéiser que alcanzan hasta 3 mts., de altura. Es decir,la descarga es natural. Su temperatura media llegaaproximadamente a 90ºC, en toda la quebrada,existen diferentes pozos hidrotermales en unas demenor grado de temperatura.

Comportamiento termodinámico del yacimientogeotérmico

- El yacimiento geotérmico es aquella partede la energía geotérmica, y elcomportamiento del yacimiento estacontrolado está controlado por laspropiedades termodinámicas del agua.Ejemplo: la temperatura de ebullición depende de la presión, y ésta, de la propiedaddel acuífero.

- El contenido energético del agua viene dadopor su entalpía, así entonces los yacimientos

geotérmicos de alta entalpía puedenaprovecharse directamente para generarelectricidad.

Para entender mejor lo que ocurre en unyacimiento geotérmico estudiamos el proceso querecorre el agua en las condiciones del punto 1 de lafigura 3, agua líquida, hasta que se evaporaalcanzando las condiciones del punto 5,permaneciendo la presión constante p2.


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P r e s i ó n b a r ( 0 . 1

M

P a )

Entalpía MJ/kg

h1 h2=h6 h3 h4h5

1 2 3

x=1x=0

PC

23

1

6

54

7''7' 7

P2

x3

x7

P1

t2t1

t3

w

B

1

1000

Temperatura °C

1 0 0 2

0 0

3

0 0

4 0 0

5 0 0

0

Figura 3. Entalpía específica del agua en función de latemperatura y presión.

Tramo 1- 2El agua pasa de líquido no saturado (su

temperatura es meno que la de saturación a lapresión p1(t 1 < t 2) a líquido saturado). El aumento deentalpía específica (entalpía por unidad de masa)vendrá dado por:

h12 = C pl(t 2 – t 1) (Ecuación 3)

Donde: C pl es el valor medio del calor específico delagua líquida entre las temperaturas t 1 y t 2.

Tramo 2- 3 El calor aportado se invierte en evaporar parte delagua, de forma tal que en el punto 3 tenemos unamezcla líquido-vapor, que viene caracterizada por lascondiciones de saturación (t 2 y p2) y por la calidad x3de la mezcla. Se entiende por mezcla la relaciónentre la masa de vapor y la masa total de la mezcla.

X = masa de vapor/(masa de vapor + masa de

líquido) (Ecuación 4)

De este modo, el agua líquida en condiciones desaturación (punto 2) tiene calidad x = 0 y el vaporsaturado (punto 4) tiene calidad x = 1. A lo largo deese tramo, la temperatura permanece constante y elincremento de entalpía específica vendrá dado por.

h23=Lx3 (Ecuación 5)

Donde L=h4 – h2 es el calor latente de vaporizacióndel agua a la presión p2.

Tramo 3- 4 La mezcla líquido-vapor continua absorbiendocalor, la fracción líquida se evapora totalmente y alfinal se alcanza la condición de vapor saturado seco,con un incremento de entalpía específico:

h34=L(1 – x3) (Ecuación 6)

Tramo 4- 5 Continúa el aporte de calor, que se invierte enaumentar la temperatura hasta un valor superior a lade saturación (t 3 > t 2) en estas condiciones se diceque tenemos vapor recalentado y el aumento deentalpía específica vendrá dado por:

h45=C pv(t 3 – t 2) (Ecuación 7)

Donde C pv es el valor medio del calor específico delvapor de agua a la presión p2 y entre t 3 y t 2.

El yacimiento de agua caliente esta a una presiónque depende de la diferencia de altura entre susituación y el nivel del agua superficial que alimentaeste yacimiento y, por otro lado su temperaturadepende del gradiente geotérmico del lugar concreto.Estas magnitudes evolucionan en función de laprofundidad.

Evolución del agua al descargar del acuífero

Sobre el diagrama p-h que se representa en la figura3, es el proceso, partiendo de agua en estado líquido(por convección agua de lluvia), el líquido alcanzalas condiciones de líquido saturado y luego vaporizaparcialmente (por la cavidad del pozo) llegando auna mezcla líquido-vapor de calidad.

X 7 =(h6 – h’ 7 )/(h’’ 7 – h’ 7 ) (Ecuación 8)

Donde:h6 =h7 es la entalpía del líquido a la presión

alta y coincide con la entalpía de la mezcla

en 7.h’ 7 es la entalpía del líquido saturado a la

presión baja y

h’’ 7 es la entalpía del vapor saturado a la

presión baja.

Entonces en el yacimiento de presión pi situado auna profundidad z y se extrae un caudal Qex , lapresión antes de la válvula principal vendrá dada porla expresión

p0=pi – ( pc - ps) (Ecuación 9)

Donde:


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pc es la pérdida de presión debida al

rozamiento y las turbulencias del agua a lo

largo del conducto de salida,

ps = zg es la presión debida a la columna

de agua,

es la densidad media del agua y

g es el valor de la gravedad.

La pérdida de presión debida a rozamiento pcpara una tubería dada, depende principalmente delcaudal y, de forma aproximada se escribe como

pc=aQb (Ecuación 10)

Donde: a es una constante que depende de la tubería y de las propiedades físicas del fluido, b es una

constante, que en la mayoría de los casos, puede

aceptarse igual a 2.

Se observa que a medida que aumenta el caudal, lapresión disponible en la boca del pozo p0 , vadisminuyendo. Si p0 es menor que la presiónatmosférica , entonces instalamos una bomba paraextraer el agua del pozo.

Comportamiento de un acuífero con extracciónartificial.

Debido que a veces encontramos que p0 es menor

que la presión atmosférica , entonces instalamos unabomba para extraer el agua del pozo, del que seextrae agua caliente, entonces pensamos en lacaptación del agua superficial, siguiendo un trayectodel agua freática hasta llegar al yacimiento. Entoncesinstalamos una bomba de extracción para tener en laboca del pozo, el agua de suministro ps requerida pornuestra instalación.

La potencia eléctrica demandada por esta bombaviene dada por la expresión

W e=nQv(ps – p0) (Ecuación 11)

Donde: N es el rendimiento del grupo motor-bomba y

Qv=Qex / es el caudal volumétrico extraido.

A medida que aumenta el caudal de agua extraídaQex aumenta la energía consumida en el bombeo,puesto que tanto el caudal Q como el salto de presión ps – p0 aumentan y puede llegar a condiciones deextracción en las que la energía neta útil disponiblees tan pequeña que hace no rentable al pozo. Lo cualocurriría en pozos de baja entalpía.

Energía neta útil disponible = [Energía extraída

– Energía consumida – Energía disipada]

(Ecuación 12)

Cuenta de energía alrededor de la zona deextracción

El calor aportado, es tal como cuando se invierteen aumentar la entalpía del agua que llega a dichazona

Qeh2 + W=(Qex + Qs)hi (Ecuación 13)

El calor aportado por conducción viene dado por

W=AU(t t – t i) (Ecuación 14)

Donde:t t es la temperatura de la roca que rodea la

zona,

t i es la temperatura del agua captada,

A es la superficie ideal que encierra la

zona de captación y

U es el coeficiente de transmisión de calor.

A partir de las dos ecuaciones anteriores se llega ala expresión

hi=Qeh2 /(Qex + Qs) + AU(t t – t i)/(Qex + Qs)

(Ecuación 15)

la cual nos indica que la entalpía del agua extraídamedida en la base del pozo (hi) disminuye a medidaque el caudal extraído aumenta.

• Esbozo de Sistema Geotermoelécrico

El aprovechamiento del recurso geotérmico paragenerar electricidad, mediante un ciclo de potencia,así aprovechando la entalpía del fluido; teniendo encuenta que como equipo de producción de vapor (laserupciones volcánicas del tipo hidrotermal)

conectados a unas convenciones, luego un grupoturbo-alternador y condensador.

Este sistema basa su funcionamiento en la turbinade vapor y en el ciclo Rankine con recalentamiento(ciclo de Hirn), que a continuación se describe.

Las turbinas de vapor que generan energía a partirdel vapor a alta presión y temperatura; este vapor seexpansiona hasta una presión menor y parte de ladiferencia de entalpía entre el vapor entrante ysaliente, se convierte en energía mecánica en el ejede la máquina.


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El proceso de expansión del vapor en la turbina seha representado en un diagrama entalpía-entropía(ver figura 5). A la turbina llega vapor en lascondiciones 1, que al atravesar la turbina, el vapor seexpansiona desde el punto 1 hasta las condiciones deescape, punto 2* e isentrópicamente hasta el punto 2,y generará energía mecánica en el eje de la máquina.

• La energía generada por unidad de masa devapor viene dada por

w = w*i = (h1 – h

*2)i (Ecuación 16)

Donde:w

* es el trabajo isoentrópico por unidad de

masa (kJ/kg),

h1 es la entalpía específica del vapor en la boca

de admisión (kJ/kg),h

*2 es la entalpía específica del vapor de

expulsión supuesto el proceso isoentrópico

(kJ/kg)

es el rendimiento interno de la turbina.

Cuando aprovechamos el vapor de origengeotérmico, la presión de alimentación vienelimitada por la que proporciona el pozo y, además, elvapor llega a la turbina en condiciones de vaporsaturado. En consecuencia, las condiciones de escapeen la turbina son mucha más determinadas en cuantoa conseguir un salto entálpico apreciable y

económicamente rentable.

Cuanto menor sea la temperatura de condensación,mayor es la energía generada. Entonces en función alas condiciones de trabajo, hemos considerado paraeste sistema geotermoeléctrico dos turbinas, una dealta y otra de baja (físicamente diferenciadas)asociadas en serie, una de contrapresión y otra decondensación.

El vapor que llega a la primera turbina decondensación (con recalentamiento intermedio), seextrae vapor en un punto intermedio para devolverlo

a un pozo-sumidero, donde se calienta a presión casiconstante, y retornará a la turbina de baja presión,donde continúa expandiéndose. Esta convención omodificación se hace a fin de buscar la ventaja en elrendimiento ya que basa su comportamiento en queaumenta notablemente el trabajo generado porunidad de masa de vapor turbinado.

Para calcular la potencia generada se tiene encuenta que por la segunda turbina sólo pasa una partedel vapor consumido, así tendremos que:

• Trabajo por unidad de masa en la primera

turbina

w1 = w1*i1 = (h1 – h

*2)i1 (Ecuación 17)

•

Trabajo por unidad de masa en la segundaturbinaw2 = w2

*i2 = (h1 – h

*2)i2 (Ecuación 18)

• Finalmente la potencia eléctrica del grupoturboalternador vendrá dada por laexpresión

Pe=Q[w1 + (1 - y)w2](me) (Ecuación 19)

Siendo y = (caudal extraído)/(caudal total)(Ecuación 20)

Donde: Q es el caudal (kg/s),m es el rendimiento mecánico de la

turbina,

e es el rendimiento eléctrico del alternador

Pe es la potencia eléctrica generada (kW).

A fin de optimizar el aprovechamiento de laenergía disponible y la inversión económicadisponemos del siguiente arreglo que se tipifica acontinuación.

La instalación del sistema, a partir de la boca delacuífero geotérmico, que llamamos pozo deproducción (PP). La mezcla bifásica tiene unadescarga natural con un flujo de 15kg/s. Aunquealguna vez deja de salir el fluido de forma natural,entonces se extrae mediante una bomba deextracción (sumergible) que, si la presión del pozo esinsuficiente, debe trabajar sumergida a fin de evitarproblemas de cavitación.

Seguidamente tenemos una desviación T provistade una válvula de corte, y otra válvula (válvulaprincipal VP), que normalmente estará abierta, éstapermite el paso al resto de la instalación. De ladesviación, la válvula de corte descarga vapor delpozo a la atmósfera a través de la válvula de corte

(cuando sea necesario). La carga asciende por latubería de extracción a un flujo que podría arrastrarpequeñas partículas de roca, arena u otra menoscosas, luego que también gotas de agua, entonces,debe eliminarse para no dañar el resto de lainstalación; a tal fin se instala primero un separadorde partículas sólidas (SP) y a continuación unseparador de gotas, que es un separador de humedado ciclotrónico (SH).

A continuación, el vapor, limpio y seco, setransporta hasta el sistema o la central propiamentedicha, mediante tuberías aisladas térmicamente.


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Tenemos como disponibilidad dos pozosgeotérmicos (uno de extracción y otro dereinyección) en un mismo campo que alimenta unacentral única, de esta forma mejoramos elcomportamiento del sistema. Para el transporte delvapor se tiene una instalación de compensadores enforma de omegas (liras de dilatación), esto debido alos tramos largos de tubería (vaporducto); y laeliminación del vapor que condensa, instalandoválvulas de purga de condensados. Además, elvaporducto troncal está térmicamente aislado, a finde reducir al máximo las pérdidas por disipación decalor al exterior.

Siguiendo al vapor su camino hasta la turbina, conuna sola corriente principal, que se alimenta a través

de las válvulas de control y seguridad (VCS). Laprimera turbina de condensación (de alta presión)tiene una extracción que se devuelve para elrecalentamiento luego, se alimenta a la segundaturbina (de baja presión), ésta arrastra al generadorde electricidad (GE) y descarga la mezcla líquido-vapor al condensador principal (CP). Que luego ira auna torre de refrigeración, después volviendo paraser reinyectado en un pozo de reinyección, así cumplirá un ciclo cerrado.

• El calor por unidad de tiempo aportado alciclo vendrá dado por

Pt,c=Q(h1 – h2) (Ecuación 21)

• La mezcla líquido-vapor, que sale de laturbina, llega al condensador dondecondensa todo el vapor y se disipa alexterior el calor latente de cambio deestado. Entonces, la potencia térmica quedebe extraer el condensador (potencia derefrigeración) vendrá dada por

Pt,r =Q(h3 – h4) (Ecuación 22)

....Que por otro lado, deberá cumplir con lacondición

Pt,r =QrCpr(T 8 – T 7 ) (Ecuación 23)

Donde: Qr es el caudal del fluido refrigerador (kg/s),C pr es el calor específico del mismo

(kJ/kg°C),

T 7 es la temperatura a la entrada (°C) y

T 8 es la temperatura a la salida (°C).

Para mover este fluido de refrigeración, se instalauna bomba que lleve el agua refrigerante a la torre de

refrigeración, entonces vemos un consumo deelectricidad que vendrá dado por

Pe,r =Qr vr pr b,r (Ecuación 24)

Donde:vr es el volumen del fluido

refrigerante(m3 /kg),

pr es la diferencia de presión entre las

bocas de aspiración e impulsión (Pa) y

b,r es el rendimiento del grupo motobomba.

• El líquido llega a la bomba de presióndonde se recupera la presión inicial p1 acosta de consumir energía del exterior(energía eléctrica). Entonces, la potenciaeléctrica consumida por el equipo debombeo vendrá dada por

Pe,b=Qv pb (Ecuación 25)

Donde:v es el volumen específico de liquido de

trabajo (m3 /kg),

p es la diferencia de presión entre las

bocas de aspiración e impulsión (Pa) y

b es el rendimiento del grupo motobomba.

Potencia eléctrica neta y rendimiento

La potencia eléctrica neta generada por sistemaviene dado por la diferencia entre las generadas porlas turbinas (grupo turboalternador) y la gastada enconsumo interno

Pe,neta=Pe,g – (Pe,b + Pe,r + Pe,aux) (Ecuación 26)

Donde Pe,aux es la potencia eléctrica consumida enequipos auxiliares tales como bombeo de agua

caliente (Qc), bombas de engrase, iluminación,

sistema de control, etc.

Se define un rendimiento bruto de del ciclo comola relación entre la energía generada y la aportadapor el fluido calefactor, así tendremos

bruto = Pe,g /Pt,c (Ecuación 27)

bruto = i m e [Q(h2 – h3)]/ [Qc(h5 – h6 )]

(Ecuación 28)

....y un rendimiento neto como

neto =[ Pe,g – (Pe,b + Pe,r + Pe,aux)]/ Pt,c (Ecuación 29)


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neto =[i m e (Q(h2 – h3))/ Pt,c] – [(Pe,b + Pe,r +

Pe,aux)/ Pt,c]

(Ecuación 30)

RESULTADOS Y DISCUSIONES

Resultados:Con las ecuaciones anteriores y con los datos de latabla 1. Y tabla 3, tenemos los siguientes resultadospara nuestro esbozo de sistema geotermoeléctrico,también a partir de la figura (ver figura 4).

SP

SH

VCS

VCS

TV1 TV2

CP

BC

BP

BT

VP

VPUGE

TR

5

2

3

46

7

1 P4=P5=Precalent.

P1=0.7Bar

h1=1061.86 kJ/kg

x1=0.3

Figura 4. funcionamiento de ciclo de potencia Rankine conrecalentamiento (Ciclo de Hirn).

Sabiendo que el caudal másico de la mezclabifásica es de 15 kg/s, también el flujo de calor es de11MW, y considerando el título del fluido (X=0.25),

obtenemos la entalpía 1.

h1=h f + Xh fg (Ecuación 31)

De la ecuación 31, y con los datos encontrados enlas tablas termodinámica, en condición de saturacióntenemos la entalpía (ver tabla 3).

h1=1061.86 kJ/kg

Punto presión Temp.°C Entalp. Caudal1 0.7Bar 90°C 1061.86 15kg/s2 0.7Bar 90°C 1795.2 15kg/s

3 0.7Bar 90°C 2660.1 4kg/s4 0.074Bar 40°C 2227.8 4kg/s5 0.074Bar 150°C 2783.3 0.7kg/s6 0.08Bar 40°C 2336.67 0.7kg/s

Tabla 3. Valor de las propiedades termodinámicas en los puntosde la figura 4.

Ahora, calculamos la entalpía en el punto 2,utilizando las ecuaciones y datos anteriores, tenemos

h2=1795.2 kJ/kg

La entalpía en el punto 3, se halla de tablas con lascondiciones de vapor saturado con presión, P=0.7Bar, entonces tenemos

h3=2660.1 kJ/kg

Por tanto el caudal másico que llega a la turbina,teniendo en cuenta que el título de la mezcla(X2=0.26) es

Q=15*0.26 = 4 kg/s

• Potencia interna de la turbina 1

Pi,1=4(2660.1 – 2227.8)

Pi,1=1729 KW(m)

Con los resultados que se tienen en la tabla 3,tenemos que la potencia en la turbina 2 es

Pi,2=3.4(2783.3 – 2336.67)

Pi,2=1519 KW(m)

Por consiguiente tenemos la potencia internatotal que es

Pi= Pi,1 + Pi,2Pi = 3248 KW(m)

Y la potencia eléctrica generada es(considerando un rendimiento electromecánicode 90%)

Pe,g=0.9*3248=2923 KW(e)

Discusiones:• Con los resultados obtenidos se tiene que

nuestro esbozo de un sistemageotermoeléctrico, genera potencia eléctricacasi como 3MW, con esto pensamos quenuestro esfuerzo se dirige a buscar nuevastecnologías ya que en nuestro país los

recursos geotérmicos nos podrían resolverel suministro de energía eléctrica ante lanecesidad de abastecimiento.

• Luego que además resulta, económicamenterentable, al utilizar esta convención para lageneración de electricidad, ya que es apartir de un recurso natural.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• La conexión de nuestro sistema como plantageotermoeléctrica a partir de una erupción


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volcánica es alimentado por la emisión deagua hirviente que sale al exterior de unaerupción volcánica en forma de fuentehidrotermal; en ello de CALACOA es unyacimiento que nos permite aprovechar laenergía para su transformación, CALACOAun estrecho conducto por el que brota apresión el agua caliente como mezcla vapor/ agua, con flujo geotérmico de 11MW (vertabla 1), por tanto nuestro interés esexplotar este recurso volcánico.

• El SISTEMA GEOTERMOELÉCTRICO,se basa en el principio de transformación deenergía calorífica en energía eléctrica, conprincipios análogos de una central

termoeléctrica, en este caso exceptuado sólodel vapor, que por las calderas lasreemplazan los pozos geotermales; donde seextraen o recolectan la mezcla bifásica queantes de la entrada de la turbina se envía aun separador ciclotrónico, donde el vapor yel agua que originalmente estabanmezclados en el fluido geotérmico sonseparados y el vapor se hace pasar a lasturbinas conectadas a los generadores quevan a transformar la energía cinética delvapor en energía mecánica, éstaconstrucción (grupo turboalternador) se

encuentra en la casa de maquinas. A lasalida de las turbinas, el vapor, queusualmente tendrá una presión menor que laatmosférica, entonces, para ello instalamoscondensadores para el vapor de desecho, así como extractores para los gases nocondensables. En tanto el agua de desechoque se condensa y el agua del separador sonreinyectados a un pozo de reinyección, paraevitar algún riesgo de contaminaciónquímica; haciendo que se cumpla un ciclotermodinámico.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] HÉCTOR ALONSO. “Geothermal, an alternativeenergy source for power generation”- GeothermalResources Council. Bulletin. Febrero de 1985[2] PAUL KRUGGER y VASEL ROBERTS.“Modular power plants for indigenous energyresources”- International Congress on RenewableEnergy Resources. Madrid, España. Mayo de 1986.[3] J. K. SALISBURY. “The Steam TurbineRegenerative”- General Electric Co.[4] L. E. NEWMAN. “Modern Extraction Turbines”-Power plant engineering, abril de 1945.

[5] E. E. PARKER. “Steam Turbines for Resuperheat Cycle”- ASME 1948.[6] FREDERICK T. MORSE. “Central Electrics”-octubre de 1984.

ANEXOS:

5

3

4

6

5

3

4

6

4*

6*

P3

S

h

ANEXO 1. ESQUEMA DE LA REPRESENTACIÓN DELPROCESO DE EXPANSIÓN DEL VAPOR EN LAS

TURBINAS DE CONDENSACIÓN CONRECALENTAMIENTO EN UN DIAGRAMA ENTALPÍA-

ENTROPÍA.


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Bomba de

extracción

Línea de dos fases

Recalentador

Pozo de extracción

Separador de humedad

(ciclotrónico)

Separador de

partículas

Alta

presión

Baja

presión

Condensador

Torre de

refrigeracióin

Pozo de reinyección

Válvula de retención

Válvula de control

y seguridad

SP

SH

VCS

VCS

TV1 TV2

CP

BC

BP

BT

VP

VPUGE

TR

ANEXO 2. ESQUEMA DEL SISTEMA GEOTERMOELÉCTRICO A PARTIR DE UN VOLCÁN (TIPO FUENTE HIDROTERMAL).

CALACOA

Rio Putina (Calacoa)

ERUPCIONES VOLCÁNICAS TIPO FUENTE HIDROTERMAL

ANEXO 3. ESQUEMA DE UNA ESTRUCTURA VOLCÁNICA DEL TIPO FUENTE HIDROTERMAL

esbozo de un sistema geotermoelÉctrico a partir de un volcÁn

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