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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Índice
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CAPITULO 1: Introducción
1.1 Introducción a las centrales de ciclo combinado…………………………….I-1
1.2 Descripción general de una planta de ciclo combinado…………………….I-7
1.2.1 El ciclo de la turbina de gas…………………………………………I-8
1.2.2 El ciclo de la turbina de vapor ...……………………………………I-9
CAPITULO 2: Objeto, alcance y objetivos
2.1 Objeto y alcance………………………………………………………………..II-1
2.2 Objetivos………………………………………………………………………...II-3
CAPITULO 3: Descripción de la central de Ciclo Combinado
3.1 Emplazamiento y características generales………………………………..III-1
3.2 Equipos y componentes principales de la central………………………….III-2
3.2.1 Turbinas de gas……………………………………………………..III-3
3.2.2 Calderas de generación de vapor
3.2.3 Turbina de vapor
……………………………...III-4
…………………………………………………III-6
3.2.4 Condensador....……………………………………………………..III-6
3.2.5 Alternador……………………………………………………………III-8
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Índice
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3.2.6 Transformadores……………………………………………………III-8
3.3 Descripción de los edificios…………………………………………………..III-9
3.3.1 Edificio de turbinas………………………………………………….III-9
3.3.2 Edificio de calderas de recuperación
………………………...III-10
3.3.3 Edificio eléctrico……………………………………………………III-11
3.3.4 Otros Edificios……………………………………………………..III-12
3.4 Descripción de los distintos sistemas de la central………………………III-15
3.4.1 Sistemas del ciclo térmico……………………....………………..III-17
3.4.2 Sistema de refrigeración……………………………………....….III-21
3.4.3 Sistemas de combustibles…………….………………………….III-23
3.4.4 El sistema HVAC………….……………………………………….III-25
CAPITULO 4: Introducción a la ventilación natural
4.1 Conceptos básicos de la ventilación natural……………………………….IV-1
4.1.1 Ventilación natural………………………………………………….IV-1
4.1.2 Ventilación mecánica………………………………………………IV-2
4.1.3 El objetivo de la ventilación………………………………………..IV-3
4.2 Principios de la ventilación natural………………………………………….IV-3
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Índice
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4.2.1 Efecto del viento…………………………………………………….IV-3
4.2.2 Efecto chimenea……………………………………………………IV-6
4.2.3 Efecto
combinado
del
viento
y
de
la
diferencia
de
temperatura…………………………………………………………………IV-9
4.3 Diseño de la ventilación natural……………………………………………IV-10
4.3.1 Caudal de ventilación…………………………………………….IV-10
4.3.2 Flujo provocado por fuerzas térmicas…………………………..IV-12
4.3.3 Flujo provocado por el viento……………………………………IV-13
4.3.4 El diseño de la ventilación natural………………………………IV-14
4.3.5 Inconvenientes de la ventilación natural………………………..IV-16
CAPITULO 5: Cálculo de cargas térmicas
5.1 Hipótesis de cálculo……………………………………………………………V-1
5.2 Datos de partida………………………………………………………………..V-5
5.3 Cálculo de la carga térmica del edificio principal…………………………V-10
5.3.1 Sala del tanque de aceite de lubricación………………………..V-10
5.3.2 Cargas térmicas en el sector de la turbina de vapor…………..V-12
5.3.3 Cargas térmicas en el sector de las turbias de gas……………V-18
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5.3.4 Cargas térmicas en el sector de las calderas de recuperación y
bombas de agua de alimentación………………………………………..V-25
5.4 Caudal de ventilación del edificio principal
……………………………..V-29
CAPITULO 6: Introducción al modelo usado
6.1 Filosofia de diseño…………………………………………………………….VI-1
6.2 Comportamiento térmico de la nave de turbinas…………………………..VI-2
6.3 Presentación del programa ESP-r…………………………………………..VI-3
6.3.1 Introducción…………………………………………………………VI-3
6.3.2 Principios básicos de ESP-r……………………………………….VI-4
6.4 Estructura y funcionalidad de ESP-r………………………………………..VI-5
6.4.1 Estructura de los directorios de ESP-r…………………………..VI-5
6.4.2 Estructura de archivos de ESP-r…………………………………VI-6
6.4.3 Interfaz gráfica de ESP-r…………………………………………..VI-7
6.4.4 Descripción de los módulos de ESP-r……………………………VI-8
6.5 La estrategia del modelado…………………………………………………VI-14
6.5.1 Consejos básicos de modelado…………………………………VI-15
6.5.2 La estrategia al usar ESP-r………………………………………VI-15
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Índice
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CAPITULO 7: El modelo de redes de ventilación
7.1 Introducción…………………………………………………………………...VII-1
7.2 Modelo de una sola zona……………………………………………………VII-2
7.2.1 Hipótesis del modelo………………………………………………VII-2
7.2.2 Datos considerados……………………………………………….VII-2
7.2.3 Esquema del modelo………………………………………………VII-4
7.2.4 Evaluación del caudal de ventilación natural y de la temperatura
interna………………………………………………………………………VII-5
7.2.5 Conclusiones del modelo………………………………………..VII-18
7.3 Modelo de varias zonas de ventilación…………………………………...VII-19
7.3.1 Hipótesis del modelo……………………………………………..VII-19
7.3.2 Datos considerados………………………………………………VII-19
7.3.3 Resultados de la simulación…………………………………….VII-22
7.3.4 Conclusiones sobre el modelo de varias zonas………………VII-26
CAPITULO 8: Conclusiones
8.1 Conclusión general………………………………………………………….VIII-1
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Índice
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8.2 Conclusiones sobre el software utilizado…………………………………VIII-2
ANEXOS
Anexo A: Cálculo de la carga térmica de las tuberías………………………….A-1
Anexo B: Planos…………………………………………………………………….B-1
Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo…………………………..C-1
Anexo D: Potencia de motores eléctricos………………………………………..D-1
Anexo E: Instalación de ESP-r…………………………………………………….E-1
Anexo F: Bibliografía………………………………………………………………..F-1
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Capitulo 1: Introducción
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1.1 Introducción a las Centrales de Ciclo Combinado
En el último siglo, el consumo de energía eléctrica en España no ha
dejado de aumentar de manera creciente, y la tendencia seguida indica que la
demanda de energía eléctrica, tanto a nivel nacional como a nivel mundial, va a
seguir aumentando de manera progresiva en los próximos años.
El siguiente gráfico muestra la estimación de la demanda eléctrica para
el año 2006.
Además, la saturación del parque eléctrico español impide que se
añadan nuevos grupos de generación de energía eléctrica a los ya existentes, y
la energía eléctrica importada tampoco permite satisfacer la demanda. Para
solucionar este problema es necesario usar nuevas formas de generación
eléctrica, basadas en tecnologías que sean limpias y eficientes.
La búsqueda de fuentes de energía limpias, económicas y rentables es,
por tanto, uno de los objetivos más importantes que países y compañías
eléctricas se han propuesto cumplir en este siglo. Es necesario reducir las
emisiones para evitar el efecto invernadero, la lluvia ácida y el deterioro general
del medio ambiente.
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Capitulo 1: Introducción
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La situación de las tecnologías que utilizan combustibles fósiles, como
carbón y gas-oil, está muy condicionada por la Directiva Europea sobre
Emisiones y su número no puede aumentar. La tecnología nuclear sería una
buena alternativa si no sufriera el rechazo social y la moratoria en la
construcción de centrales nucleares. Por último, la energía hidráulica no ha
crecido y las energías renovables solar, fotovoltaica, eólica y de biomasa,
aunque son una realidad, no tienen el impacto suficiente en la generación
eléctrica para cubrir las necesidades actuales.
Estos hechos han provocado que en la última década los esfuerzos para
aumentar la generación de energía en España se hayan centrado en las
centrales de ciclo combinado, que usan como combustible principal gas natural.
Los ciclos combinados representan a día de hoy una tecnología madura
en la generación eléctrica a partir de combustibles fósiles y son una alternativa
firme para competir con la energía nuclear. Su empleo puede justificarse más
profundamente mediante las ventajas que ofrece su uso.
! Tienen un elevado rendimiento superior en la mayoría de los
casos al 55%.
! El impacto medioambiental es reducido. Esto es posible por el uso
de gas natural como combustible. De esta manera se emiten muy pocos
óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas sólidas. En contraste con
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Capitulo 1: Introducción
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otras formas de generación de energía más convencionales, la tasa de
emisión de CO2 por kWh generado muy baja.
! El consumo de agua de refrigeración también es muy reducido
ahorrando alrededor de un 70% de agua frente a un ciclo clásico.
! Debido a que es una tecnología en auge y que existe una gran
competencia entre los fabricantes de equipos, resulta una inversión
asequible. En media, la inversión para un grupo de 400 MW es de 150
millones de euros.
! Los plazos de ejecución de proyectos de centrales de ciclo
combinado son cortos, de aproximadamente 2 años. La estandarización de
los grupos y los avances en el diseño, la planificación y el montaje permiten
reducir estos plazos. Además, se puede prever una puesta en servicio
escalonada que permite aprovechar la turbina de gas aunque la turbina de
vapor no se encuentre operativa.
A pesar de las ventajas de la propia tecnología, existen unos factores
externos que pueden condicionar estas ventajas a la hora de contruir un ciclo
combinado, y todos ellos dependen de alguna forma del gas natural.
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Capitulo 1: Introducción
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El gas natural
El gas natural es el combustible principal de las centrales de ciclo
combinado. Debido al auge de este tipo de centrales en España el consumo de
gas natural en el sector de generación de energía se ha incrementado
notablemente, como se muestra en la siguiente figura.
Figura 1.1 Evolución del consumo de Gas Natural por mercados
La situación de España y el gas natural no representa un escenario
cómodo. España sólo produce el 1% del gas natural que consume.
Prácticamente todo el gas natural que se usa en la generación de energía
proviene del mercado de importación, siendo el principal abastecedor de gas
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Capitulo 1: Introducción
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natural Argelia.
Además,
la
situación geográfica
de
España
es
un
inconveniente, ya que está lejos de los principales productores mundiales de
gas natural.
Figura 1.2 Evolución de los aprovisionamientos de Gas Natural
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Capitulo 1: Introducción
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Figura 1.3 Consumo de Gas Natural en España por países importadores
España necesita una buena red de infraestructuras de transporte de gas
así como la necesidad de plantas de regasificación, pero este desarrollo está
condicionado por la elevada extensión territorial, así como por la distribución de
la población y la industria.
Otro factor importante tiene que ver con la construcción masiva de
centrales de ciclo combinado, para las que no está garantizado el suministro
del gas. Para minimizar riesgos sería necesario disponer del mayor número
posible de suministradores de gas natural, algo que en la actualidad no es
verdad ya que más de la mitad del gas que se consume en nuestro país
procede de Argelia.
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Capitulo 1: Introducción
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En cuanto al contexto político, aunque el mercado eléctrico se ha
liberalizado y permite la planificación libre de la construcción de nuevos grupos
de generación, el mercado del gas natural está en proceso de liberalización,
existiendo todavía contratos poco flexibles. Esto vuelve a plantear dudas sobre
el suministro y el precio del combustible.
Conclusión
A pesar de los inconvenientes señalados, las centrales de ciclo
combinado presentan ventajas evidentes y se convierten en una alternativa
competitiva a las centrales nucleares para hacer frente a la demanda eléctrica
creciente. Al mismo tiempo, se inscriben en un plan de reducción de las
emisiones contaminantes conforme al protocolo de Kyoto, sin suponer una
inversión adicional desmesurada.
1.2 Descripción general de una planta de ciclo combinado
Se denomina ciclo combinado a un ciclo de potencia que utiliza dos
turbinas, una de turbina de vapor y una turbina de gas de manera combinada.
Ambas turbinas están acopladas a un generador eléctrico para producir energía
eléctrica. Esta energía se obtiene mediante la transformación de la energía
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Capitulo 1: Introducción
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termodinámica de los gases y el vapor en energía mecánica a su paso por las
turbinas, y esta energía mecánica es posteriormente transformada en energía
eléctrica mediante el generador.
El uso combinado de las turbinas permite aprovechar la energía
contenida en los gases a la salida de la turbina de gas de tal manera que se
pueda generar vapor a muy altas presiones, con la entalpía suficiente para
poder ser expandido en la turbina de vapor. Así pues, es posible alcanzar un
rendimiento global de la instalación cercano al 60 %.
1.2.1 El ciclo de la turbina de gas
En operación normal del ciclo, la turbina de gas acciona el compresor, el
cual aspira aire de la atmósfera. Este aire, después de pasar por un filtro, es
comprimido e introducido junto al gas natural en la cámara de combustión.
Los gases que resultan del proceso de combustión salen a muy alta
presión y temperatura. Pasan directamente a la turbina de gas donde se
expanden. La expansión genera una cantidad de trabajo suficiente como para
accionar los ejes de transmisión al compresor de aire, a las dos turbinas y al
generador eléctrico.
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Capitulo 1: Introducción
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Al salir de la turbina de gas, el contenido energético de los gases de
combustión es todavía alto. Los gases pasan por una caldera de recuperación
de calor que aprovecha dicho contenido para transformar el agua del ciclo de
turbina de vapor, en vapor de alta temperatura. Los gases son finalmente
evacuados a la atmósfera por medio de una chimenea.
1.2.2 El ciclo de la turbina de vapor
El vapor generado se expande en la turbina de vapor que está acoplada
a un alternador. El vapor de descarga de la turbina de vapor se condensa en un
condensador principal, y el agua condensada se bombea a la caldera de
recuperación. El calor cedido por el vapor en la condensación es absorbido por
el sistema de agua de circulación. El sistema de agua de circulación se
encarga de suministrar el agua fría necesaria para evacuar el calor no
aprovechable en la producción de energía eléctrica.
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Capitulo 1: Introducción
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Figura 1.4 Esquema del ciclo combinado de gas y vapor
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 2: Objeto, alcance y objetivo.
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2.1.
Objeto y alcance
Este proyecto tiene como objeto el sistema de ventilación en una central
térmica de ciclo combinado.
El sistema de ventilación tiene la función principal de evacuar el calor
producido por los equipos presentes en el edificio. Además, es necesario para
mantener unos niveles de temperatura y humedad adecuados, y para
garantizar la renovación del aire interior.
Una central eléctrica de ciclo combinado está compuesta por distintos
edificios, y cada uno de ellos tiene sus propias necesidades de ventilación y
climatización. En este proyecto se estudiarán únicamente el edificio de turbinas
y el edificio de calderas de recuperación. Estos dos son los edificios principales
de la central, donde se alojan los equipos principales de generación, y entre
ellos no existe ningún tipo de separación, formando un único espacio.
El objetivo principal es estudiar la posibilidad de implantar un sistema de
ventilación natural en los edificios de turbinas y calderas de una central de ciclo
combinado.
El diseño de las aberturas necesarias para provocar la ventilación
natural se tendrán en cuenta la geometría y disposición del edificio, las
condiciones climatológicas del emplazamiento y las cargas térmicas internas.
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Capitulo 2: Objeto, alcance y objetivo.
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El cálculo del tamaño y posición de las aberturas se llevará a cabo a partir de
una aplicación informática libre.
Inicialmente, el cálculo de cargas térmicas junto a las condiciones
interiores y exteriores será necesario para determinar el caudal de ventilación
necesario en el edificio.
Posteriormente, mediante un modelo simplificado, se simularán las
distintas alternativas de ventilación natural posibles para el edificio,
comparando cada una de ellas y eligiendo, si existe, la que más ventajas
aporte.
Se estudiará finalmente si la solución propuesta es viable económica y
técnicamente, y si cumple con las necesidades de ventilación de la central de
ciclo combinado.
El objetivo final de este proyecto es estudiar si es posible un sistema de
ventilación natural en el edificio de turbinas y calderas de la central, y en caso
afirmativo, presentar un método fiable para dimensionar este tipo de sistemas.
2.2.
Objetivos
Sobre la base de lo anteriormente expuesto, se plantean los siguientes
objetivos que han sido desarrollados durante la elaboración del presente
proyecto.
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Capitulo 2: Objeto, alcance y objetivo.
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Crear un modelo simplificado que resulte suficientemente
!
aproximado para llevar a cabo el cálculo de los flujos de aire presentes en el
edificio.
Calcular las cargas térmicas presentes en ambos edificios. Para
!
su estimación se emplearán conocimientos básicos de transmisión de calor y
documentación diversa de varios fabricantes.
!
Elegir una herramienta informática que se adapte de la mejor forma a
nuestras necesidades, y que además tenga un amplio historial de validación
contrastada.
!
Simular el modelo propuesto con el software elegido. Analizar los
resultados obtenidos y comprobar que se acercan a la realidad del sistema.
!
Proponer un nuevo diseño del sistema de ventilación de la central, en
caso de que los resultados resulten favorables.
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Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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3.1 Emplazamiento y características generales
La central estudiada se sitúa en el margen de un río de caudal suficiente
tal que permita su utilización como foco frío. La altura del terreno en el que está
situada es de 344 m por encima del nivel del mar.
Se establecen las siguientes condiciones exteriores de proyecto para el
diseño del sistema de ventilación obtenidas de la norma UNE – 100 – 001 – 01
“Condiciones climáticas para Proyectos” de marzo de 2001, correspondiente a
una localidad cercana a la central.
Condiciones para Verano (nivel percentil estacional 2,5%)
o Temperatura bulbo seco 23,2ºC
o Temperatura bulbo húmedo 19ºC
o Variación diaria de temperatura 6,5ºC
Condiciones para Invierno (nivel percentil estacional 97,5%)
o Temperatura bulbo seco en Invierno 3.8ºC
o Humedad Relativa en Invierno: 100 %
El nivel percentil corresponde al porcentaje del número de horas durante
las cuales las temperaturas son iguales o superiores a las indicadas. Para el
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Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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verano se incluyen las 2928 horas de los meses de junio, julio, agosto y
septiembre (122 días) Para el invierno, se incluyen las 2160 horas de los
meses de diciembre, enero y febrero (90 días).
Esta misma norma también define para la localidad estudiada las
condiciones de viento del proyecto, que son las siguientes:
Dirección dominante del viento: Noroeste
Velocidad del viento: 4,0 m/s
3.2 Equipos y componentes principales de la central
La central estudiada es una central de ciclo combinado de configuración
multieje 2x1 de 817,50 MW de potencia neta. Su cometido es la producción de
electricidad, sin cogeneración, a partir de la combustión de gas natural, con un
rendimiento del 57,70 %. Los componentes principales de la central son:
-
Turbinas de gas.
-
Calderas de generación de vapor por recuperación de calor.
-
Turbina de vapor.
-
Condensador.
-
Alternador.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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-
Transformadores.
3.2.1 Turbinas de gas
La turbina de gas es la parte esencial de las instalaciones de ciclo
combinado para generación de energía eléctrica, siendo de gran relevancia en
el diseño su potencia y la temperatura de los gases de combustión a la entrada
de la turbina para la obtención de un alto rendimiento. Debido a la especial
configuración de esta central, se disponen de dos turbinas de gas 270 MW de
potencia cada una.
También es de gran importancia el compresor utilizado, ya que es
necesario que sea capaz de comprimir caudales de aire con elevadas
relaciones de compresión para mantener el aumento en el rendimiento de las
turbinas. En operación normal, el caudal movido por el compresor es de 620
kg/s.
El trabajo obtenido en la etapa de alta presión de la turbina acciona el
compresor, y el de la etapa de baja presión o de potencia acciona el
correspondiente alternador.
En operación normal, las turbinas funcionan con gas natural. Sin
embargo, en el caso de falta de suministro de este combustible, existe la
posibilidad de que funcione con gasoil. En ambos casos, se realizará un control
de las emisiones de NOx mediante quemadores específicos. Dichos
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Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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quemadores son quemadores de bajo NOx secos (Dry Low NOx Combustion)
en caso de funcionamiento con gas natural, y con inyección de agua si se
emplea gasoil.
3.2.2 Calderas de generación de vapor
La caldera de generación de vapor por recuperación de calor está
especialmente diseñada para optimizar el funcionamiento de la turbina de gas
y, por lo tanto, del ciclo combinado. Consiste en un generador de vapor sin post
combustión con tres niveles de presión con circulación natural de los gases de
escape de la turbina en sentido horizontal a través de los tubos verticales de
circulación de agua de alimentación a la caldera.
Los componentes principales de la caldera de recuperación de vapor se
reparten en componentes de alta, media y baja presión.
En baja presión, se encuentran un economizador, un calderín, un
evaporador y un sobrecalentador.
En media presión, además del economizador, calderín, evaporador y
sobrecalentador de media presión, existe un recalentador en dos etapas, una
de baja temperatura y otra de alta temperatura.
En alta presión, se encuentran un economizador de baja temperatura en
dos etapas, un economizador de temperatura intermedia y otro de alta
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
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Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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temperatura. Además, existen un calderín y un evaporador de alta presión a los
cuales se añaden un sobrecalentador en tres etapas de baja, media y alta
temperatura.
Desde el punto de vista del sistema de gases, la salida de la turbina de
gas está conectada con un conducto de gases que los lleva por todos los
intercambiadores de calor del sistema de agua-vapor. A la salida de dicho
conducto, se encuentra la chimenea con su silenciador.
En operación normal, los tres niveles de generación de vapor son los
siguientes:
Alta presión: 565,3ºC y 16,1 bar
Media presión: 314,4ºC y 29 bar
Baja presión: 311ºC y 5,4 bar
La regulación de las temperaturas de alta y media presión se efectúa
mediante atemperación con agua procedente de las bombas de agua de
alimentación.
En cuanto a los gases de combustión de la turbina de gas, entran en la
caldera a unos 624,8ºC y salen por la chimenea a unos 84,4ºC.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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3.2.3 Turbina de vapor
La turbina de vapor está compuesta de dos cuerpos correspondientes a
los niveles de presión alta y media/baja de la caldera de recuperación de calor
con las correspondientes válvulas de control y parada. El cuerpo de baja
presión, vinculado con el de media presión mediante un ‘cross-over’, es de
doble flujo pero no tiene control de la admisión.
Cada etapa dispone de un sistema de by-pass del 100% que permite,
mediante atemperación del vapor, su descarga al condensador. La operación
de este sistema es automática cuando la presión cae por debajo de su punto
de consigna y se utiliza durante los arranques y operaciones a baja carga para
derivar vapor al condensador.
La potencia de la turbina de vapor, conjunto de los dos cuerpos, es de
295 MW.
3.2.4 Condensador
El condensador seleccionado es un condensador de superficie con
entrada vertical con un paso único de flujo de vapor, el agua de refrigeración
pasa a través de dos haces tubulares de doble paso de agua de circulación,
construidos con tubos de acero inoxidable y placas tubulares macizas de acero
inoxidable, cajas de agua de entrada y salida, ambas situadas en la misma
cara y cajas de retorno en la opuesta, pozo de condensador integrado en el
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Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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cuerpo, cuello del condensador compuesto de una junta de expansión tipo
fuelle de acero inoxidable entre el condensador y faldón de escape de la
turbina.
Recibe el vapor expansionado en la turbina de vapor y lo condensa al
entrar en contacto con la parte exterior de los tubos recorridos por agua de
circulación.
Durante
el
arranque,
paro
y
condiciones
anormales
de
funcionamiento, el aporte de vapor se realiza desde las estaciones de
derivación de Alta, Media y Baja Presión, consistentes en sendas válvulas de
reducción de presión y estaciones de atemperación que acondicionan el vapor
hasta un nivel entálpico aceptable. Está diseñado para una presión de
condensación del vapor de alrededor de 50 mbar.
El condensado recogido en el pozo situado en la parte inferior del
condensador es aspirado por las bombas de extracción de condensado y
utilizado de nuevo para la alimentación de la caldera.
El condensador cuenta con una cámara en la que se mezcla el vapor de
borboteo (“sparging”) con el condensado almacenado en el pozo del
condensador, reduciéndose de esta manera la concentración de oxígeno en el
condensado.
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Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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3.2.5 Alternador
Los alternadores son trifásicos, de 544 MVA, conectados en estrella,
refrigerados por hidrógeno y fabricados de acuerdo con normas IEC. El
aislamiento de rotor y estator del generador es de clase "F”. Genera
electricidad a 19±5% kV a una velocidad de 3000 rpm y frecuencia 50 Hz
Dispone de un sistema de excitación de tipo estático y regulador de
tensión automático. Así mismo dispone de sistemas de sincronización manual y
automática.
El sistema de arranque es estático y está montado en cabinas
independientes. Este sistema está formado por un transformador de
aislamiento y un módulo de control.
3.2.6 Transformadores
La central dispone de un transformador principal (TP) por cada grupo
que eleva la tensión de salida del generador de 19 kV hasta la tensión
requerida para su conexión a la subestación de 400 kV.
Estos transformadores son de 330/440/550 MVA, ONAN ONAF/OFAF
La central dispone de dos transformadores auxiliares (TAG) uno por
cada grupo de 19/6,9 kV 28/35 MVA ONAN/ONAF que alimentan a las dos
barras de media tensión de grupo.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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Cada grupo dispone de tres transformadores 6,6 kV/420 V de 2500 kVA,
alimentados desde las barras de media tensión que suministran energía a
algunos de los sistemas de baja tensión de grupo, una pareja de
transformadores más de idénticas características para alimentar los servicios
comunes de la central y dos de 150 kVA AN para la zona de toma de agua.
3.3 Descripción de los edificios
En este apartado, se enumeran los edificios mas importantes de la
central de ciclo combinado.
3.3.1 Edificio de Turbinas
El edificio de turbinas de la central de ciclo combinado es un edificio de
planta poligonal, con unas dimensiones aproximadas de 124 metros de largo,
24,5 m de largo en la zona de turbina de vapor y 39,5 m de ancho en la zona
de la turbina de gas, y una altura aproximada de 26,5 m.
El edificio alberga los equipos principales de la central que son la turbina
de vapor, las turbinas de gas, el condensador y el alternador.
La zona de la turbina de vapor posee tres elevaciones principales,
plantas baja, intermedia y de maniobra a las cotas +0,0000, +7,000 y +12,000
aproximadamente, existiendo entre ellas rejillas de paso de aire.
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Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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El edificio de turbina limita al norte con el edificio de calderas de
recuperación, al sur con el edificio eléctrico y la zona de transformadores, al
este con el exterior y al oeste con el edificio de control.
En la parte del edificio donde se ubican las turbinas de gas se encuentra
los conjuntos turbina de gas – generador. El generador va montado sobre un
pedestal de hormigón de elevación +4,590m. La turbina de gas va montada
sobre unos apoyos de hormigón situándose su eje a una elevación de
+5,474m.
En la planta correspondiente a la cota +0,000m se encuentran las
bombas de condensado, las bombas de vacío del condensador, las válvulas de
control y parada del sistema de vapor principal (MSCV, Main steam stop/control
valves), las válvulas del sistema de vapor recalentado (CRV´s, Combined
Reheat Valves), la unidad de procesamiento de aire y las bombas de
refrigeración auxiliar entre otros equipos.
3.3.2 Edificio de Calderas de recuperación
El edificio de calderas de la central es un edificio de planta poligonal de
dimensiones aproximadas 71 m de largo, 32 m de ancho y 40 m de altura.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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El edificio de caldera limita en su fachada sur con el edificio de turbinas,
y en las fachadas norte, este y oeste con el exterior.
En su interior se encuentran situadas las dos calderas de recuperación
de calor, las bombas de agua de alimentación y gran parte de las tuberías del
sistema de vapor principal.
Dentro del edificio de caldera se encuentra los paneles de muestreo
químico, que disponen de su propio sistema autónomo de aire acondicionado
suministrado con el equipo.
3.3.3 Edificio Eléctrico
El edificio eléctrico se encuentra situado al Sur del edificio de turbinas.
Es un edificio de planta rectangular de dimensiones aproximadas 40 m
de largo, 14 m de ancho y 10 m de altura. Todas sus fachadas limitan con el
exterior.
Dispone de dos elevaciones principales a las cotas +0,000, donde se
encuentran la sala de cables y la sala de baterías, y +3,700 donde se
encuentran la sala eléctrica y la sala de electrónica.
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3.3.4 Otros edificios
En este apartado se describen brevemente el resto e edificios que
forman parte de la central pero que no son de importancia en este proyecto.
-
Caseta de dosificación química.
-
Edificio de control.
-
Edificio de oficinas, administración y almacén.
-
Edificio de servicios eléctricos auxiliares.
-
Casa de bombas de PCI y edificio de servicios generales.
-
Caseta eléctrica tanques gas-oil.
-
Edificio de control de accesos.
-
Edificio de caldera auxiliar.
La caseta de dosificación química se sitúa en las proximidades de la
fachada norte del edificio de turbinas y la fachada oeste del área de calderas
de recuperación de calor (HRSG). Todas sus fachadas limitan con el exterior.
Se considera unas dimensiones para este edificio de 7 m de ancho por 10 m de
largo y una altura de 5,5 m.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
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El edificio de control alberga en su interior las salas de control y de
comunicaciones, desde las cuales se lleva a cabo la operación de la planta así
como distintas dependencias para el personal. Es un edificio de planta
rectangular de dimensiones aproximadas 618 m2 de superficie y 6 m de altura.
Todas sus fachadas limitan con el exterior.
El edificio de oficinas de la central se sitúa en el extremo sur-este del
complejo. Es un edificio de planta rectangular y de dimensiones aproximadas
38 metros de largo, 24 metros de ancho y 4 metros del alto. Todas sus
fachadas limitan con el exterior. El almacén se encuentra a una elevación de
+0,000 m, mientras que el resto del edificio se encuentra a una elevación de
+0,500 m.
El edificio de servicios eléctricos auxiliares se sitúa en la proximidades
de la fachada sur de las torres de refrigeración. Todas sus fachadas limitan con
el exterior. Es un edificio que alberga equipamiento eléctrico, de planta
rectangular de dimensiones aproximadas de 25 m de largo por 10 m de ancho.
La casa de bombas de PCI y edificio de servicios generales se sitúa en
el extremo norte del complejo de la central. Todas sus fachadas limitan con el
exterior. Es un edificio de planta rectangular de dimensiones aproximadas de
23 m de largo por 6 m de ancho.
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La caseta eléctrica del área de tanques de gas-oil se sitúa en las
proximidades del edificio de control de accesos en el extremo sur del complejo
de la central. Todas sus fachadas limitan con el exterior. Es un edificio que
alberga equipamiento eléctrico, de planta rectangular de dimensiones
aproximadas de 4 m de ancho por 8 m de largo.
El edificio de control de accesos se sitúa en el extremo sur-este del
complejo de la central. Es un edificio de planta rectangular de dimensiones
aproximadas de unos 12 m2 de superficie y 5 m de altura.
El edificio de caldera auxiliar se sitúa en las proximidades de la fachada
oeste del área de calderas de recuperación de calor (HRSG). Todas sus
fachadas limitan con el exterior. Es un edificio, de planta rectangular de
dimensiones aproximadas 15 m de largo por 7 ancho. En su interior se
encuentra ubicada la sala eléctrica en la que se sitúa el panel de control de la
caldera auxiliar.
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3.4 Descripción de los distintos sistema de la central
La central de ciclo combinado esta formada por una componentes que
no son independientes entre ellos. Así pues, existen una serie de sistemas que
nos permiten vincular dichos componentes. De esta manera, la caldera de
recuperación de calor está vinculada a la turbina de vapor por el sistema de
vapor, el condensador con el foco frío por el sistema de agua de circulación.
Los diferentes sistemas que se definirán a continuación son estos:
-
Sistemas del ciclo térmico.
-
Sistemas de refrigeración.
-
Sistemas de combustible.
-
Sistemas auxiliares de planta.
-
Sistemas de tratamiento de aguas y efluentes.
-
Sistemas de drenajes y purgas.
El sistema más importante en este proyecto es el sistema de HVAC
(Heating, Ventilation and Air Conditioning), que es el sistema que se encarga
de los procesos de ventilación, calefacción y aire acondicionado, y forma parte
de los sistemas auxiliares de planta.
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Aunque en este caso se estudiará un sistema de ventilación atípico en
una central, como lo es la ventilación natural, se incluirá la descripción del
sistema original de HVAC como una base para el análisis de la ventilación
natural. Además, el resto de sistemas son necesarios ya que su configuración
es clave para calcular el sistema de ventilación.
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3.4.1 Sistemas del ciclo térmico
El ciclo térmico del proceso de generación de energía eléctrica está
compuesto por los siguientes sistemas.
Sistema de aire-gases
Este sistema consta de los conductos de admisión de aire a la turbina de
gas asi como de los conductos que permiten l circulación de los gases de
escape por la caldera de recuperación de calor. Se incluye en este sistema las
chimeneas.
Sistema de agua-vapor de caldera
Este sistema consta de las tuberías que permiten al circulación del aguavapor por todos los equipos de la caldera de recuperación de calor. A estas
tuberías se les añade las bombas recirculación del economizador de baja
presión.
Sistema de vapor y bypass y drenajes de la turbina de vapor
El vapor generado en las calderas de recuperación de calor se conduce
a la turbina a través del sistema de Vapor y Bypass, este sistema está formado
distintos subsistemas correspondientes a los tres niveles de presión del Ciclo y
al escape de la turbina de alta presión que se conduce de nuevo a las calderas
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de recuperación para su recalentamiento y posterior expansión en la turbina de
media presión.
Las líneas de entrada a cada cuerpo de la turbina de vapor disponen de
un sistema de bypass en cascada. Este sistema permite la evacuación de
vapor de media y baja presión al condensador mediante la apertura de las
válvulas de bypass durante arranques y rechazos de carga. En alta presión
este vapor se descarga a recalentado frío y finalmente
es evacuado al
condensador mediante la válvula de bypass de media.
El sistema de vapor dispone de pocillos de recogida de condensado en
los puntos bajos del trazado. El condensado recogido se evacua al sistema de
Drenajes de Turbina de Vapor. El sistema dispone de un tanque de recogida de
condensado (el tanque atmosférico de drenajes) y el tanque de expansión del
condensador. Los drenajes que se ven sometidos a vacío en alguna condición
de operación se envían al tanque de expansión del condensador, el resto de
drenajes se envían al tanque atmosférico.
En los tanques de recogida de drenajes se produce la expansión de los
mismos, parte de éstos se vaporizan evacuándose a la atmósfera o al
condensador. La parte líquida se recoge en el fondo de los tanques. Los
tanques disponen de un control de nivel de forma que cuando aumenta el nivel,
el condensado se transfiere al pozo caliente de condensador
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Sistema de Agua de Alimentación a HRSG y Sistema de
Condensado
La caldera de recuperación de calor(HRSG) recibe los humos de escape
de la turbina de gas para el aprovechamiento de su energía por el ciclo. La
caldera consta de tres niveles de presión y, por tanto, de tres calderines que
operan a presiones distintas. Está diseñada de forma que los calderines de
media y alta presión se alimentan con agua procedente del de baja, siendo el
sistema de agua de alimentación el encargado de realizar el trasvase. Para
ello, el sistema cuenta con cuatro bombas (dos que funcionan normalmente y
dos de reserva, para AP y MP por cada HRSG) que, de forma continua y
regulada, impulsan agua desde el calderín de baja hacia los calderines de
media y alta presión.
La reposición de agua en el calderín de baja, del que aspiran las bombas
de agua de alimentación, se lleva a cabo mediante otro sistema de bombeo, en
este caso perteneciente al sistema de condensado.
La función principal del sistema de condensado consiste, pues, en
conducir agua desde el condensador hacia la sección de baja presión de la
caldera. Al condensador, que opera en condiciones de vacío, habrá llegado
previamente la descarga del vapor procedente del cuerpo de baja de la turbina
de vapor, para su condensación en contacto con los haces tubulares por los
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que circula agua de refrigeración, y también otras corrientes de agua que
provienen de diversos sistemas del ciclo. Esos caudales de agua y el caudal de
vapor, una vez condensado, se dirigen a una zona de almacenamiento
denominada pozo caliente del condensador, del que aspiran las bombas de
condensado.
Dado que una parte del agua que las bombas de condensado introducen
en la caldera se pierde, es decir, no retorna a través del condensador (caudales
de purga para controlar la calidad del agua del ciclo, agua de reposición de
fugas o pérdidas en equipos...), el sistema de condensado debe recibir una
aportación externa para compensar, concretamente desde el sistema de agua
desmineralizada.
Para una regulación más fácil del nivel en el pozo del condensador, el
sistema dispone además de un tanque de almacenamiento de condensado.
Dicho tanque se halla conectado al condensador, de forma que permite hacer
frente a transitorios de operación, bien admitiendo o bien proporcionando agua
en un momento dado, según las necesidades del ciclo.
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3.4.2 Sistema de refrigeración
Sistema de agua de Circulación
El sistema de agua de circulación suministra el agua fría necesaria para
evacuar el calor no aprovechable en la producción de energía eléctrica, es
decir, para evacuar el calor procedente de la condensación de vapor del ciclo
en el condensador.
El sistema está constituido por un circuito de torres de refrigeración que
enfría el agua caliente que procede del condensador y de los intercambiadores
del circuito abierto de refrigeración auxiliar. Este enfriamiento se realiza
fundamentalmente gracias a la evaporación de parte del agua de circulación. El
agua es bombeada a través del condensador hasta las torres de refrigeración
por dos bombas del 50% de capacidad cada una.
Sistema de refrigeración auxiliar
La refrigeración auxiliar de la planta consta de un circuito abierto y de un
circuito cerrado. El circuito abierto es el que enfría el agua del circuito cerrado a
través de dos intercambiadores de placas(uno de reserva). En el circuito
cerrado el agua enfriada es distribuida a todos los equipos auxiliares que
necesiten refrigeración principalmente los enfriadores de hidrógeno de los
generadores(uno por turbina), los enfriadores de aceite de las turbinas(una de
vapor y dos de gas), LCI, modulo de atomización de aire, detectores de llama,
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de aire de purgas de gas, enfriadores de purgas, compresores de aire, sellos,
cojinetes y motores de las bombas de agua de alimentación, motor de las
bombas de recirculación del economizador de BP y muestreos. Este circuito
debe de ser capaz de evacuar el calor generado por los distintos equipos de la
central mediante el agua del circuito abierto procedente de la balsa de la torre.
3.4.3 Sistemas de combustibles
Sistema de gas natural
Este sistema se encarga de la distribución de gas natural al módulo de
gas de la turbina de gas así como a la caldera de vapor auxiliar para su uso
como combustible principal. Consta de una conexión con el gasoducto de alta
presión, de una estación de regulación y medida y de la línea de distribución en
la cual se encuentran los filtros, calentadores, desaireador y caudalímetro y
válvulas.
Sistema de gasoil
Este sistema se encarga del almacenamiento y distribución de gasoil
para el módulo de aire de atomización de gasoil de la turbina de gas para su
uso como combustible de reserva, la caldera de vapor auxiliar para su uso
como combustible de reserva y el tanque diario del generador diesel de
emergencia. Consta de un tanque de almacenamiento común, que se llena
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mediante la estación de descarga de los camiones cisterna, del que sale la red
de distribución.
Sistema de agua desmineralizada
Los dos tanques de almacenamiento de agua desmineralizada se llenan
con agua procedente de los tanques de agua desmineralizada existentes por
medio de dos bombas del 100%. El agua desmineralizada de aporte al ciclo se
bombea a través de dos bombas 100% desde los tanques de almacenamiento
a través de un colector común. Estas bombas también suministran agua para el
modulo de lavado de turbina y para otros servicios. La inyección de agua
desmineralizada a las turbinas de gas, la cual se realiza nuevamente con otras
dos bombas del 100%, sólo es necesaria cuando el combustible utilizado es
gasoil. En este caso, las bombas de inyección suministrarán el agua desde el
colector común de aspiración requerida en el funcionamiento con gasoil para
obtener unas emisiones con bajo NOx.
Esta inyección se hace a través del modulo de inyección turbina de gas
(uno por turbina).
Sistema de agua potable y de servicios
El agua de servicios es almacenada en los tanques de agua bruta y PCI.
Esta agua es distribuida a través del grupo de presión, formado por dos
bombas del 100% y un deposito de presurización, a los distintos consumidores
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(Dosificación química, tanques de gasoil, etc.) y a las distintas zonas donde se
requiera para baldeos.
El tanque de agua potable almacena el agua procedente de la red
municipal de agua potable y la bombea a través del grupo de presión (2
bombas del 100% y un tanque de presurización) a los distintos consumidores.
Sistema de aporte y vertido
El ciclo dispone de un sistema de aporte y vertido común. El sistema de
aporte está compuesto toma el agua del río. El agua es bombeada a la central
a través de dos bombas de aporte(ambas del 100%).
Este agua de aporte se emplea para reponer el agua vertida mediante la
purga de la torre, drenajes de planta, y como aporte para el tanque de agua
bruta y PCI.
El vertido del ciclo está compuesto por la purga de la torre, los drenajes
sanitarios y los drenajes recogidos en la balsa de efluentes. Los drenajes
sanitarios y los drenajes de la balsa de efluentes se tratan por separado de
forma que se obtenga un vertido que cumpla con todos los requisitos
medioambientales. Estas tres corrientes de vertido se conducen a la balsa de
tormentas.
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3.4.4 El Sistema HVAC
El sistema de HVAC está integrado por todos los componentes que
permiten la adecuada renovación y/o tratamiento del aire interior de los
distintos edificios de la planta para mantener las condiciones de temperatura y
humedad deseadas. En función de la procedencia del aire de renovación y del
tratamiento que sufre, se clasifica el sistema de HVAC en sistema de
ventilación y sistema de aire acondicionado.
El sistema de ventilación consta de los componentes que permiten la
renovación del aire utilizando única y exclusivamente aire exterior sin tratar,
salvo una filtración en algunos casos.
En caso de que se utilice aire exterior y recirculación del aire interior
tratándolos para modificar su temperatura y/o su humedad, el sistema se
denomina de aire acondicionado.
Tanto el sistema de ventilación de la central como el sistema de aire
acondicionado se puede repartir en varios subsistemas que corresponden a
cada una de las salas o grupos de salas ventiladas por el mismo conjunto de
componentes.
Funciones del sistema
Aunque los sistemas de aire acondicionado y los de ventilación tienen un
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principio de funcionamiento diferente, los objetivos son parecidos.
Se pueden destacar las funciones genéricas siguientes, que dependerán
después del tipo de sala considerada:
-
Mantener las condiciones ambientales para el confort del personal
de la central en las salas ocupadas.
-
Mantener las condiciones ambientales para asegurar el buen
funcionamiento de los equipos y prevenir su envejecimiento.
-
Ayudar al sistema de protección contra los incendios.
-
Mantener dentro de un rango aceptable la concentración de gases
y/o productos peligrosos.
-
Proporcionar el máximo ahorro energético.
En las salas ocupadas de manera no esporádica, el sistema de
ventilación y aire acondicionado debe mantener las condiciones ambientales de
temperatura seca y de humedad dentro de unos márgenes de manera que se
procura sensación de confort para el personal de la central.
En las salas donde se encuentran equipos tales que motores eléctricos,
cabinas eléctricas, etc., el sistema HVAC debe mantener las condiciones
ambientales para las cuales han sido diseñados los equipos. Además de estas
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dos funciones principales, el sistema HVAC debe ayudar al sistema de
protección contra incendios en tres puntos.
En primer lugar, debe respetar las distintas áreas de fuego establecidas
utilizando las adecuadas compuertas cortafuegos para que, en caso de
incendio, un fuego no se propague por los conductos del sistema HVAC.
La resistencia al fuego de los componentes de aislamiento del sistema
de ventilación debe cumplir la normativa establecida para la zona donde se
ubican.
Por otra parte, una vez aislado el fuego, debe proporcionar la adecuada
extracción de los humos sin disminuir la concentración del agente extintor.
Por último, debe preservar las vías de evacuación, principalmente las
escaleras de emergencia, del fuego y de los humos manteniéndolas en
sobrepresión con respeto a las salas contiguas.
Otra función más específica a un cierto tipo de sala es mantener en un
nivel suficientemente bajo la concentración de gases o productos peligrosos.
Los gases que hay que vigilar en el edificio de turbinas son el amoniaco
y el hidrógeno. Si su concentración supera un cierto limite, el amoniaco puede
provocar molestias o intoxicaciones mientras que el hidrógeno presenta peligro
de deflagración.
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Capitulo 3: Descripción de la Central de Ciclo Combinado
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Por último, el sistema HVAC debe proporcionar el máximo ahorro
energético, es decir ser diseñado de manera que se cumplan las otras
funciones con el menor consumo posible de energía.
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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4.1 Conceptos básicos de la ventilación natural
Ventilación es el proceso por el cual se introduce aire fresco en un
espacio cerrado, haciendo circular el aire en su interior. El principal objetivo de
la ventilación es conservar la calidad del aire. En ocasiones, la ventilación se
usa para disminuir la temperatura dentro de un área ocupada.
4.1.1 Ventilación natural
La ventilación natural es el proceso de introducir y extraer aire de un
espacio mediante aberturas acondicionadas (como pueden ser rejillas o
ventanas) y el aprovechamiento de las fuerza del viento y de la diferencia de
presión y temperatura.
La ventilación natural se puede dividir en dos categorías:
Ventilación natural controlada: es el desplazamiento de airea a través de
aperturas específicas como pueden ser puertas, ventanas o rejillas, usando
fuerzas naturales. Estas suelen ser diferencias de presiones provocadas por el
viento o diferencias de temperaturas entre el interior y el exterior. Usualmente,
se suele controlar por los propios ocupantes del edificio.
Infiltración: es el flujo aleatorio y no controlado de aire que se introduce a
través de aperturas no dedicadas a ello. Como el caso anterior, está provocado
por el viento, las diferencias de temperatura y de presión. A diferencia de la
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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ventilación natural controlada, la infiltración no puede se controlada y se hace
poco deseable que otras estrategias de ventilación, aunque sigue siendo una
fuente de ventilación a tener en cuenta.
4.1.2 Ventilación mecánica
La ventilación mecánica o forzada es el proceso de introducir y extraer
aire por medio de aparatos mecánicos, como pueden ser los ventiladores. La
ventilación mecánica tiene que ser de tal manera que garantice un aporte de
aire y una extracción equilibradas para el espacio que se ocupa.
La ventilación mecánica es vital en muchas áreas, incluyendo la que nos
ocupa, la ventilación de una central térmica de ciclo combinado. Sin embargo,
en este proyecto solo se hablará de la ventilación natural.
4.1.3 El objetivo de la ventilación
Mantener el confort y la salud par alas personas son las dos rezones
principales para la ventilación en un edificio. Para conseguir estos dos
objetivos, el sistema de ventilación tiene que ser capaz de cumplir los
siguientes requisitos:
Aportar un suministro suficiente de aire para cumplir con las necesidades
fisiológicas de los ocupantes (un mínimo de 0,2l/s/persona es necesario) u
otros seres vivos;
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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Aportar un suministro suficiente de aire para los distintos procesos que
se lleven a cabo en el edificio, ya sean industriales o agrarios ( por ejemplo, el
aporte necesario de oxígeno para llevar a cabo procesos de combustión, etc);
Eliminar los productos de las respiración y el aire contaminado (por
ejemplo con humo de cigarrillos) que emiten los ocupantes;
Eliminar los contaminantes producidos por sustancias químicas o
durante distintos procesos industriales;
Eliminar la carga térmica generada pro las personas, la iluminación y los
equipos presentes en el espacio a ventilar;
Crear cierto grado de movimiento de aire, esencial para que los
ocupantes puedan percibir un cierto grado de movimiento del aire, y por tanto
una sensación de confort y frescura (generalmente una velocidad de 0.1 a 0.3
m/s es necesaria para esto).
4.2 Principios de la ventilación natural.
Para que el aire se mueva por el interior de un edificio, es necesario
que exista una diferencia de presión entre el interior y el exterior de este. La
resistencia a fluir del aire a través del edificio afectará a la cantidad de flujo de
aire. En general, la ventilación natural controlada y la infiltración se basan en la
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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diferencia de presiones en la fachada del edificio. Esta diferencia de presiones
está provocada por:
•
El viento (o el efecto del viento);
•
Diferencia en la densidad del aire debido a la diferencia de
temperatura entre el aire interior y exterior (efecto chimenea)
•
Combinación de los dos tipos de efectos, el del viento y el efecto
chimenea.
4.2.1 Efecto del viento
Cuando el flujo de aire se debe al viento, este entra a través de
aperturas situadas en la pared expuesta al viento, y sale por las aperturas
situadas en las paredes que no reciben el viento. Las posibles distribuciones de
presión en este caso siguen los esquemas presentados en la figura 4.1.
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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Figura 4.1 Flujo de aire alrededor de un edificio
La presión del viento es, generalmente, mayor en la parte expuesta al
viento, y menor en la parte que no recibe la acción de este. El cambio de la
presión producida por el viento alrededor del edificio depende de:
•
La velocidad y dirección del viento con respecto al edificio;
•
La localización del edificio y el ambiente por el que está rodeado;
______________________________________________________________________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
__________________________________________________________________________________________________________
•
La forma del edificio.
Matemáticamente, la presión en la superficie del edificio se puede
expresar como:
(1)
= presión media en la cara del edificio (N/m2 o
donde
Pw
Pa)
Po
= presión estática del viento (N/m2 o Pa)
vw
= velocidad media del viento (m/s)
= densidad del aire (kg/m3)
Cp
= coeficiente de presión superficial
Existe poca información acerca de los coeficientes de presión para
edificios con diferente geometría. En cambio, para edificios con una forma
básica, o que son mucho más elevados que el resto de los edificios que el
rodean, se pueden obtener valores aproximados de los coeficientes de presión
en su superficie.
______________________________________________________________________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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En edificios con múltiples particiones y aperturas, estará sometido a
distintos tipos de presiones dependiendo de los tamaños relativos de las
aperturas y de la dirección del viento. Si las aperturas son grandes en la
superficie de incidencia del viento, el edificio tenderá a estar bajo presiones
positivas. Lo contrario ocurre cuando estas son más pequeñas que las de
salida del aire.
4.2.2 Efecto chimenea
Cuando el movimiento del aire se produce por la diferencia de
temperatura entre el interior y el exterior, el flujo de aire se produce en una
dirección vertical dentro del edificio buscando siempre el camino que menor
resistencia a la circulación del aire presente. La diferencia de temperatura hace
que se produzca una diferencia de densidad, y por lo tanto una diferencia de
presión, que provoca el movimiento del aire. Durante el invierno, el efecto
chimenea sigue el siguiente esquema:
•
La temperatura del interior del edificio es mayor que la del
exterior;
•
El aire caliente dentro del edificio se eleva;
•
El movimiento vertical del aire produce el descenso de la presión
en la parte baja del edificio;
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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•
Por el contrario, en la parte superior se produce un incremento de
presión;
•
El aire caliente que se ha desplazado sale por la parte superior
del edificio;
•
Este aire es remplazado por aire más frio del exterior que entra
pro la parte inferior de este.
Figura 4.2 Efecto chimenea
Durante el verano, ocurre lo contrario cuando la temperatura del aire
interior es menor que la del exterior. Por la tanto el efecto chimenea es más
efectivo en invierno o cuando la temperatura dentro del edificio sea mayor que
la exterior, debido por ejemplo a cargas térmicas presentes en este.
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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Figura 4.3 Efecto chimenea y distribución de presiones en distintos edificios
Cuando solamente actúan las fuerzas térmicas, existe un nivel medio de
presión en el que se igualan las presiones exterior e interior. A otras alturas, la
presión entre el interior y el exterior depende de la distancia entre el nivel de
presión neutral y la diferencia entre las densidades del aire interior y exterior.
(2)
= diferencia de presión debido al efecto
donde
Ps
chimenea (N/m2 )
______________________________________________________________________
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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!
= densidad del aire (kg/m3)
G
= constante gravitacional = 9.81 m/s2
H
= altura (m)
hneutral
= altura del nivel de presión media (m)
= temperatura absoluta (K) (i = interna y o =
T
externa)
4.2.3 Efecto
combinado
del
viento
y
de
la
diferencia
de
temperatura.
En la mayoría de los casos, la ventilación natural depende de la
combinación de la fuerza del viento y del efecto chimenea. Los distintos
patrones de presión para los edificios cambian continuamente con el cambio de
las magnitudes de la fuerza térmica y del viento. La figura 4 representa el
efecto combinado del viento y fuerzas térmicas. La presión debida a ambos
efectos se suma para determinar la diferencia de presión total resultante en la
superficie del edificio.
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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Figura 4.4 Efecto combinado del viento y las fuerzas térmicas
La importancia relativa del viento y del efecto chimenea en el edificio
depende de la altura del edificio, la resistencia interna a la circulación de flujo
vertical, la localización y la resistencia al flujo de las aperturas, el terreno y si
existen construcciones que puedan hacer de escuda para le edificio.
4.3 Diseño de la ventilación natural
El diseño de los sistemas de ventilación natural controlada requiere la
identificación de la dirección dominante del viento, las orientaciones
estratégicas y la colocación de zonas de entrada de flujo en la fachada del
edificio. Estas entradas incluyen ventanas, puertas, ventiladores de techo,
rejillas, etc.
4.3.1 Caudal de ventilación
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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Al diseñar un sistema de ventilación, el caudal de ventilación es un
cálculo necesario para determinar el tamaño de los ventiladores, aperturas y
conducciones de aire. Los métodos que pueden ser usados para determinar el
caudal de ventilación son:
(a) Concentración de contaminantes máxima permitida.
La siguiente ecuación puede ser usada para describir la concentración
de contaminante relacionada con el flujo de ventilación para unas condiciones
ambientales constantes
Ci = Co + F / Q
(3)
= concentración de contaminantes maxima
donde
Ci
permitida
= concentración de contaminantes del aire
Co
exterior
= tasa de generación de contaminantes en el
F
espacio ocupado (l/s)
Q
= flujo de aire (l/s)
______________________________________________________________________
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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(b) Generación de calor
El flujo de ventilación que se requiere para extraer el calor de un
determinado espacio ocupado se puede calcular con la siguiente expresión:
(4)
donde
H
= calor generado dentro del espacio (W)
Q
= flujo de ventilación (l/s)
cp
= calor específico del aire (J/kg.K)
!
= densidad del aire (kg/m3)
Ti
= temperatura interna del aire (K)
To
= temperatura externa del aire (K)
(c) Renovaciones de aire
Dependiendo de la normativa, se recomienda que se mantenga unos
determinados caudales de ventilación, esto se expresa en las renovaciones de
aire por hora, para distintas situaciones. La ventilación entonces se calcula en
relación con el número de renovaciones de aire por hora, siguiendo la siguiente
______________________________________________________________________
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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ecuación:
(5)
Donde
Q
= caudal de ventilación (l/s)
= concentración de contaminantes en el aire
V
exterior
ACH
= renovaciones de aire por hora
4.3.2 Flujo provocado por el viento
Los principales factores que afectan a a las fuerzas del viento en la
ventilación son:
•
La velocidad media del viento;
•
La dirección del viento que prevalece;
•
La variación estacional y diaria de la velocidad y dirección del
viento;
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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•
Objetos que provoquen obstrucciones locales, como edificios y
árboles;
•
La posición y las características de las aperturas por las que
circula el flujo de
•
aire;
Distribución de los coeficientes de presión superficial para el
viento.
Los sistemas de ventilación natural son diseñados generalmente para
velocidades del viento alrededor de la mitad de la velocidad del viento media
para la estación dada. Se comprueba mediante un análisis climático que que la
velocidad del viento no suele bajar de la mitad de la velocidad media en un
porcentaje elevado de horas del año.
La siguiente ecuación sirve para calcular el caudal de aire provocado la
fuerza del viento que atraviesa una apertura:
(6)
where
Q
= flujo de aire (m3/s)
A
= area libre de la entrada (m2)
v
= velocidad del viento (m/s)
______________________________________________________________________
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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= coeficiente de la apertura (se assume que es
Cv de 0,5 o 0,6 para vientos perpendiculars, y de 0,25 a
0,36 para vientos con dirección diagonal)
4.3.3 Flujo de aire provocado por fuerzas térmicas
Si la resistencia interna del edificio no es relevante, eel flujo de aire
provocado por el efecto chimenea puede ser calculado de la siguiente manera:
(7)
Donde
Q
= caudal de aire (m3/s)
= coeficiente de descarga de la entrada
K
(generalmente 0,65)
A
= area libre de la entrada (m2)
= altura desde el punto medio de la entrada más
h
baja al punto de presión neutral (m)
Ti
= temperatura interna del aire (K)
______________________________________________________________________
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Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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To
= temperatura del aire externa (K)
4.3.4 El diseño de la ventilación natural
Las siguientes pautas son muy importantes para planificar y diseñar un
sistema de ventilación natural en edificios:
•
Un sistema de ventilación natural ha de ser efectivo, sin depender
de la dirección del viento. Tiene que aportar una ventilación adecuada incluso
cuando el viento no tiene la dirección optima para la que ha sido diseñado;
•
Las entradas y salidas de aire no tiene que estar obstruidas por
objetos cercanos;
•
Las ventanas debería estar situadas en la zonas de presión
opuesta, lo que incrementaría el flujo de ventilación;
•
Se debe dejar una cierta distancia vertical entre las distintas
aperturas, de tal forma que se produzca el efecto chimenea por una diferencia
clara de temperaturas;
•
Las aperturas en el mismo nivel y cerca del techo se deben evitar,
ya que la mayor parte del flujo se escapará sin hacer efecto chimenea;
•
Se deben aprovechar al máximo los elementos arquitectónicos
que permitan guiar el flujo de aire a través del edificio;
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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•
La topografía, el paisaje y los edificios colindantes debería usarse
para conducir el flujo de aire que llega al edificio;
•
En climas húmedos y cálidos, la velocidad del aire debe ser
maximizada en las zonas ocupadas;
•
Para la admisión del flujo de aire, la fachada más larga del edificio
con el mayor número de entradas tiene que estar orientada de manera que
reciba el viento de la dirección predominante;
•
Si es posible, las entradas de aire deberían ser accesibles y poder
ser controladas por las personas que ocupan el edificio;
•
Los huecos y escaleras deben ser usadas para incrementar el
efecto chimenea;
•
Las entradas alrededor del punto de presión media del edificio
tienen que evitarse, ya que no supone una ventaja para la ventilación natural
por efecto térmico;
4.3.5 Inconvenientes de la ventilación natural
Un buen diseño del sistema de ventilación natural supone solo es
posible cuando no existen problemas en las distintas áreas desde la etapa de
diseño, hasta la etapa de construcción y funcionamiento del sistema. Estos
posibles inconvenientes son:
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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•
Problemas durante el funcionamiento
o
Problemas de seguridad
o
Ruido del exterior
o
Polvo y contaminación del aire
o
Control de la humedad
o
Conocimiento de los usuarios sobre como obtener ventaja del
sistema de ventilación natural
•
Problemas durante el diseño
o
Normativa del edificio y de protección contra incendios
o
Necesidades de protección acústica
o
Dificultad para predecir el funcionamiento del sistema.
o
Problemas en los controles automáticos de las entradas
o
Falta de herramientas de diseño adecuadas
•
Otros problemas
o
Impacto en la arquitectura y diseño del edificio
o
Variación de las condiciones climáticas internas
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 4: Introducción a la ventilación natural
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o
La reducción de coste del sistema de ventilación mecánica no
siempre se corresponde con la gastado en el sistema de ventilación natural
o
Falta de diseños estándar adecuados.
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
__________________________________________________________________________________________________________
5.1.
Hipótesis de cálculo.
Se muestra en este capítulo el cálculo de las necesidades de ventilación
del edificio principal de la central de ciclo combinado, basándose en la
disposición y operación de los equipos que la componen.
El sistema de ventilación está destinado a extraer el calor del edificio.
Ésta se realiza únicamente a través de la renovación del aire interior con aire
exterior. Además de extraer calor el sistema permite mantener unas
condiciones de trabajo adecuadas para las personas impidiendo que se
sobrepasen los límites de temperaturas específicos de cada componente.
El cálculo del aire de ventilación se basa en la estimación de la carga
térmica interior del espacio que se desea ventilar. Este cálculo se llevará a
cabo considerando que se ha alcanzado el régimen estacionario de
funcionamiento de la central, es decir, una temperatura interior constante e
igual a la máxima permitida, de manera que no se tengan en cuenta regímenes
transitorios en el cálculo.
También se suponen las condiciones exteriores más desfavorables para
la extracción de calor, que coinciden con la máxima temperatura ambiente
exterior de proyecto. De esta manera se adopta una postura conservadora a la
hora del cálculo de la capacidad de extracción de calor del sistema de
ventilación durante la mayoría de los días del año.
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Como el sistema de ventilación se diseña para la operación normal de la
central, solo se tendrá en cuenta en el cálculo los equipos, tuberías, cabinas,
etc. , que generan calor continuamente. Si se diera el caso de un equipo que
funcionara de forma intermitente pero con una regularidad suficiente para ser
considerado, entonces se le aplicaría un factor de funcionamiento.
No se tiene en cuenta el efecto de almacenamiento de calor. No se hace
diferencia entre las cargas térmicas por convección y las cargas térmicas por
radiación. Se supone que la carga térmica por radiación se transforma
instantáneamente en carga térmica por convección. Tampoco se considera
para el cálculo el efecto de radiación solar sobre las paredes, aunque sí será
considerado en la simulación.
Estas hipótesis nos permiten determinar la carga interna dentro de una
sala dada. Para calcular el caudal de aire necesario se contemplan dos
posibilidades: el método de la carga térmica y el método de las renovaciones
de aire.
El método de la carga térmica se utiliza cuando la carga térmica
determina las necesidades de ventilación, es decir, cuando el caudal de
ventilación de aire mínimo requerido por la norma no es suficiente para evacuar
el calor generado. Para ello se iguala la capacidad de extracción de calor del
aire exterior con la carga interna:
______________________________________________________________________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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.
V " C P " # " !T = Q
Siendo
V
el caudal de aire de ventilación (m3 / h)
CP
el calor específico del aire (kcal / kg ºC)
!
la densidad del aire (kg / m3)
"T
la diferencia de temperatura entre el aire interior y
Q
la carga térmica interna (kcal / h)
exterior (ºC)
La diferencia de temperatura se determina como la diferencia entre la
temperatura exterior máxima de proyecto y la temperatura interior máxima
permitida.
Se elige como valor de CP el correspondiente a las condiciones de
proyecto.
La densidad del aire depende tanto de las condiciones del aire exterior
como de la altura del emplazamiento.
El método de las renovaciones de aire se utiliza cuando el caudal de
ventilación proporcionado por el método de la carga térmica no es suficiente
para cumplir la normativa aplicable a calidad del aire interior. Esto ocurre
______________________________________________________________________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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cuando la carga térmica interna es despreciable, y la normativa exige un caudal
de ventilación mínimo.
El caudal de ventilación se obtiene mediante la ecuación siguiente:
.
V =V !R
Siendo
V
el caudal de aire de ventilación (m3 / h)
V
el volumen de la sala (m3)
R
la tasa de renovación del aire (renovaciones / h)
En cuanto al diseño de las rejillas de toma de aire, se aplica la fórmula
siguiente:
.
S MIN
Siendo
V
=
3600 ! v aire
SMIN
la superficie de diseño de rejilla (m2)
V
el caudal de aire de ventilación (m3 / h)
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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vaire
5.2.
velocidad paso aire por la rejilla (m / s)
Datos de partida.
En este apartado se presentan los datos utilizados para realizar el
cálculo del sistema de ventilación. Como la central aún no está construida,
estos datos se han obtenido atendiendo a la configuración prevista de los
equipos y sistemas.
Estos datos de partida se recogen en las tablas mostradas a
continuación, estando ordenados atendiendo a la naturaleza de cada uno de
ellos (plano, norma, hoja de fabricante, etc.)
______________________________________________________________________
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2.1
2
Planta elevación +7.100
Planta elevación +12.000
Planta cubiertas
-
-
-
Temperatura de bulbo húmedo de verano 19ºC
Condiciones climáticas para proyectos
______________________________________________________________________
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Humedad relativa de invierno
Temperatura de bulbo seco de invierno 3,8ºC
Variación diaria de temperatura 6,5ºC
Temperatura de bulbo seco de verano 23,2ºC
Disposición geométrica y orientación de la central
Datos
UNE 100-001 de marzo de 2001
- Secciones
Normas
Planta elevación +0.000
-
Disposición general del edificio de turbinas
Planos
1
1.1
Origen
Nº
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Calidad del aire del edificio de turbinas
Locales ventilados
3.1
3.2
Locales acondicionados
Requisitos del proyecto
3
3.3
Origen
Nº
Sala del LCI: TMAX = 30ºC
Saladel
detanque
baterías:
Sala
de Taceite
MAX = 35ºC
Sala electrónica:
TMAX
= 24ºC
del generador
diesel
Casa de bomba de agua de alimentación
Sala de dosificación química
Sala de muestreo
Salas eléctricas
de turbinas y excitatriz del generador
TNave
MIN = 20ºC
TMAX : depende de la sala
Locales acondicionados: HR sin controlar
Locales ventilados: TMAX = 40ºC ; TMIN = 5ºC
Datos
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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______________________________________________________________________
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
Pot.: 550 kW
Bombas de refrigeración de circuito cerrado
4.5
Pot.: 90 kW
Bombas de vacío del condensador
4.4
Pot.: 650 kW
Bombas de condensado
4.3
presión
Pot.: 260 kW
Bombas de agua de alimentación de media
Bombas de agua de alimentación de alta
4.1
4.2
Datos de fabricantes (motores de bombas)
4
presión
Origen
Nº
Pot.: 2250 kW
__________________________________________________________________________________________________________
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
30 kW
Carga térmica
6.2
270 MW
Potencia
6.1
3.5 kW
Datos
(turbina de vapor)
Lube de
Oil fabricante
Module Compartment
6
17.1 kWm3/h
238850
Gas module
Caudal
de ventilación propia
4.4 kW
Load shaft compartment
5.2
56.1 kW
Exhaust diffuser
Cargas térmicas:
5.1
438.9 kW
Datos de fabricantes (turbina de gas)
5
Turbine compartment
Origen
Nº
Datos
__________________________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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5.3.
Cálculo de la carga térmica del edificio principal.
Las áreas a ventilar en el edificio de turbinas son las siguientes:
-
Sala del tanque de aceite de lubricación (el. + 0,000 m),
-
Edificio principal (sala de turbinas y sala de calderas de
recuperación y bombas de agua de alimentación. (el. + 0.000 m)
-
Housing de la excitatriz de los generadores principales TG y TV.
(El. + 0.000)
5.3.1. Sala del tanque de aceite de lubricación
Esta sala abarca el tanque de aceite de lubricación del turbogenerador
así
como
las
distintas
bombas
que
permiten
su
distribución
y
acondicionamiento. Se encuentran también una parte de las tuberías cuyo
cometido es la alimentación de aceite al turbogenerador y su retorno al tanque.
Potencia
[kW]
Eficiencia
[%]
Potencia Disipada
[kW]
Calculo de la
disipación de calor
Lube Oil Pump Motor no. 1
110
Lube Oil Pump Motor no. 2
110
91%
10,8
kW*(1-%Eff) / Eff
90%
Reserva
Emergency Brg Lube Oil Pump Motor
30
89%
Emergencia
Emergency Seal Oil Pump Motor
11,2
86%
Emergencia
Oil Conditioner Pump Motor
2,25
81%
0,56
Space Heater Lube Oil Pump Motor #1
0,1
0,1
Space Heater Lube Oil Pump Motor # 2
0,1
Reserva
Space Heater Emer. DC Lube Pump Motor
0,18
Emergencia
Space Heater Emer. DC Seal Pump Motor
0,075
Emergencia
Equipos
kW*(1-%Eff) / Eff
______________________________________________________________________
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Space Heater Oil Conditioner Motor
0,06
0,06
Space Heater Vapor Extractor #1
0,06
0,06
Space Heater Vapor Extractor #1
0,06
Vapor Extractor Motor No. 1
2,25
81%
2,8
Vapor Extractor Motor No. 2
2,25
81%
Reserva
Reserva
Total potencia disipada
kW / Eff
14,4
Se recogen en la tabla los distintos motores eléctricos de los que se
desprende calor, así como su condición de funcionamiento. En caso de que el
motor eléctrico funcione en operación normal, se calcula la carga térmica como
se explica en el anexo D. En caso de que no funcione en operación normal, se
considera como carga térmica la potencia de la resistencia de caldeo que
permite evitar la condensación al nivel de contactos eléctricos. La carga total
resultante de los motores eléctricos es la siguiente:
Q = 14,4 kW
A esta carga hay que añadir la carga debida a las tuberías de aceite
(Anexo B), que resulta ser de 7,2 kW; y la carga debida a la disipación del
propio tanque (Anexo B), que resulta ser de 25,7 kW. Por tanto, la carga total
de la sala del tanque de aceite de lubricación es de Q = 47,3 kW.
______________________________________________________________________
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
__________________________________________________________________________________________________________
5.3.2. Cargas térmicas en el sector de la turbina de vapor
Pérdidas interruptores de generación
Según la información del dato de partida, la perdida térmica de los
interruptores de generación es de Q = 5,6 kW.
Pérdidas barras de fase aislada
Las perdidas de barras de fase aislada, según el dato de partida, son de
Q = 32,51 kW.
Pérdidas generador
Se considera la carga térmica por perdidas del generador igual a 34,1
kW.
Iluminación
La carga por iluminación es de 0,0075 kW/m2 con un rendimiento de un
50%. El sector de turbina de vapor cuenta con una superficie total de de 24.5 x
50 = 1.225 m2. Por lo tanto, la carga térmica por iluminación en al zona será de
1.225 x 0.0075 / 0.5 = 18,4 kW
Cables de Potencia y CCMs
______________________________________________________________________
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Se considerará como carga total de la sala de CCMs y cables de
potencia 40 kW.
Turbina de Vapor
Para el cálculo de la carga que despide al ambiente la turbina de vapor,
se considerará el dato de fabricante de 0,1 kW por MW instalado, por lo tanto la
carga total de la turbina de vapor es de 30 kW.
Tuberías calientes (Anexo B):
Según el cálculo realizado en el anexo B, se tiene una carga térmica
disipada en las tuberías de 563 kW.
Condensador.
El condensador se comporta como un elemento que disipa calor por
radiación y convección. Esta se calcula en el anexo B, junto con la carga
térmica de las tuberías. Por lo tanto, la carga calculada resulta ser de 24,9 kW.
Bombas de condensado
______________________________________________________________________
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Para la estimación de
la carga térmica cedida al ambiente por una
bomba se puede aplicar la ecuación del documento de referencia nº4 tal a
partir de la potencia del motor eléctrico y su eficiencia.
Considerando una potencia del motor de la bomba de 650 kW y un 95%
de eficiencia:
Q=
Potencia # (1 ! Eficiencia) 650 " (1 ! 0,95)
=
= 34,2 kW
Eficiencia
0,95
Al ser dos bombas las que se encuentran en funcionamiento en
operación normal de la planta, la carga térmica cedida al ambiente será de:
34,2 kW x 2 = 68,4 kW.
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Bomba de vacío del condensador
Considerando una potencia de la bomba es 90 kW y un rendimiento
95%, se puede estimar la carga térmica cedida al ambiente del mismo modo
que el apartado anterior.
Q=
Potencia # (1 ! Eficiencia) 90 " (1 ! 0,95)
=
= 4,7 kW
Eficiencia
0,95
Bomba de refrigeración.
La potencia del motor es 550 kW y el rendimiento del 95%. La carga
térmica estimada es de
Q=
Potencia # (1 ! Eficiencia) 550 " (1 ! 0,95)
=
= 28,9 kW
Eficiencia
0,95
Secador de hidrógeno
La potencia del motor es 150 kW y el rendimiento del 95% (DP.). Por lo
que la carga térmica cedida al ambiente resulta
Q=
Potencia # (1 ! Eficiencia) 150 " (1 ! 0,95)
=
= 7,9 kW
Eficiencia
0,95
Sistema de limpieza del condensador
______________________________________________________________________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Se considera una potencia de la bomba de 11 kW y un rendimiento del
85%. Por lo que la carga térmica cedida al ambiente resulta
Q=
Potencia $ (1 " Eficiencia) 11 # (1 " 0,85)
=
! 2 kW
Eficiencia
0,85
Panel de Muestreo
Según hipótesis por comparación con otros casos se estima una carga
de 2 kW para el panel de muestreo.
Panel de PCI
Según hipótesis por comparación con otros casos se estima una carga
de 2 kW para el panel de muestreo.
Monitor de gases
Según hipótesis por comparación con otros casos se estima una carga
de 2 kW para el panel de muestreo.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Resumen de Cargas en el sector de la turbina de vapor:
Interruptores de Generación
5,6 kW
Barras de fase aislada
32,5 kW
Pérdidas generador
34,1 kW
Iluminación
18,4 kW
Cables de Potencia y CCMs
40 kW
Turbina de Vapor
30 kW
Tuberías
553 kW
Condensador
24,9 kW
Bombas condensado
68,4 kW
Bombas Vacío de Condensador
4,7 kW
Bomba de Refrigeración
28,9 kW
Secador de Hidrógeno
7,9 kW
Sistema de limpieza del condensador
2 kW
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Paneles y monitores
6 kW
Total
857 kW
5.3.3. Cargas térmicas en el sector de las turbinas de gas
Pérdidas interruptores de generación
Las pérdidas de calor correspondientes a los interruptores de generación
es de 13,2 kW.
Pérdidas barras de fase aislada
La carga térmica correspondiente es de 80,12 kW.
Pérdidas generador
Las pérdidas en el generador corresponden a una carga térmica de 62,5
kW.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Iluminación
La carga por iluminación es de 0,0075 kW/m2 con un rendimiento de un
50% (D P.9.1). El sector de las turbinas de gas cuenta con una superficie de 74
x 39,5 = 2.923 m2. Quedará la carga térmica por iluminación de la zona.
2.923 x 0,0075 / 0,5 = 43,8 kW
Cables de Potencia y CCMs
Se hace la hipótesis de que la carga térmica de los cables de potencia y
CCMs es de 40 kW.
Turbina de gas
Carga debida a Gas Fuel Module
La carga térmica es de 17.1 kW.
Carga debida a Turbine Compartment
Según dato de partida, la carga corresponde a 438.7 kW.
Carga debida a Exhaust Diffuser
Según dato de partida, la carga es de 56.1 kW.
Carga debida a Load Shaft Compartment
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Según dato de partida, la carga es de 4.4 kW.
Carga debida a Lube Oil Module
Según dato de partida, la carga es de 3.5 kW.
Turbina gas total
520 kW (por turbina)
Total
1040 kW
Equipo de acondicionamiento del aire de las unidades LCI
Este equipo esta refrigerado por dos unidades de aire acondicionado del
100% de capacidad, uno de reserva, que disipan al ambiente la siguiente carga
térmica.
Capacidad frigorífica de la máquina: 8,3 ton = 99.600 Btu/h = 29,2 kW.
Consumo del equipo: 11,5 kW
La carga total disipada al ambiente resulta ser 29,2+11,5= 40,7 kW por
turbina
Carga total por equipos de acondicionamiento de aire de las unidades
LCI 40,7 x 2 = 81,4 kW. Se considerarán 82 kW.
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Equipo de acondicionamiento del aire de los Compartimentos de
equipos eléctricos y electrónicos de Turbinas de Gas.
Se estima la siguiente la siguiente en cada uno de los citados
compartimentos:
Carga
Carga
unitaria
total
(W)
(W)
3
2.000
6.000
2
900
1.800
1PC local GT 1
1
230
230
1 monitor local GT 1
1
200
200
1 impresora matricial local GT 1
1
460
460
Vibration 3500 + TDX
1
200
200
Carga
Carga
unitaria
total
Descripción Equipos
Cantidad
CENTROS CONTROL MOTORES
+ DC cuadros (HMI, MK VI…) GT 1
CENTROS CONTROL MOTORES
+ DC cuadros (HMI, MK VI…) GT 1
1Mark VI TG-1 (I/O and controller
3
cabinets)
Superficie
Iluminación
2
(m )
2
(W/m )
(W)
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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37,8
15
Total PEECC GT 1
567
9.457
Además existiría transmisión de calor desde el ambiente del edificio de
Turbinas a los compartimentos PEECC, por lo se estima que se dispondrá de
unas unidades de aire acondicionado, de características similares a las del LCI.
La carga total disipada al ambiente por turbina será 40,7 kW.
Considerando las dos turbinas 40,7 x 2 =81,4 kW. Se considerarán 82
kW.
Secadores de hidrógeno
La potencia del motor es 150 kW y el rendimiento del 95% (DP. 14)
Q=
Potencia # (1 ! Eficiencia) 150 " (1 ! 0,95)
=
= 7,9 kW
Eficiencia
0,95
Considerando las dos turbinas: 7,9 x 2 = 15,8 kW
Paneles y monitores
Panel de control del hidrógeno del generador
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Las pérdidas del panel de control del hidrógeno del generador
corresponden a 2 kW por turbina.
Monitor de gases
Las pérdidas del monitor de gases corresponden a 2 kW por turbina.
Carga total por paneles y monitores
8 kW
Carga debida a I/O cabinets
Se estima por criterio de ingeniería una carga de 5 kW
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Resumen de cargas sector de la turbina de gas:
Pérdidas interruptores de generación
13,2 kW
Pérdidas barras de fase aislada
80,12 kW
Pérdidas generador
62,5 kW
Iluminación
43,8 kW
Cables de Potencia y CCMs
1040 kW
Turbina de Gas
30 kW
Unidades LCI
82 kW
Inidades PEECC
82 kW
Secadores de hidrógeno
15,8 kW
Paneles y monitores
8 kW
I/O Cabinets
28,9 kW
Total
1473 kW
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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5.3.4. Cargas térmicas en el sector de las calderas de recuperación
y bombas de agua de alimentación
Iluminación
La carga por iluminación es de 0,0075 kW/m2 con un rendimiento de un
50% (D P.9.1). El edificio de la caldera de recuperación y las bombas de agua
de alimentación cuenta con una superficie de 71 x 29,9 = 2.123 m2. Quedará la
carga térmica por iluminación de la zona
2.123 x 0,0075 / 0,5 = 31,8 kW
Cables de Potencia y CCMs
La carga térmica correspondiente es de 20 kW
Caldera
La carga térmica cedida al ambiente de acuerdo con el dato de partida
es la siguiente:
Módulos: 325 kW por caldera.
Considerando las dos calderas 325 kW x 2 = 650 kW
Tuberías internas: 223 kW por caldera.
Considerando las dos calderas 223 kW x 2 = 446 kW
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Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Tuberías calientes (Anexo B):
La carga térmica calculada resulta ser 525 kW
Bombas de agua de alimentación de alta presión
La potencia del motor es 2.250 kW y el rendimiento del 96% (DP.14).
Q=
Potencia # (1 ! Eficiencia) 2.250 " (1 ! 0,96)
=
= 93,75 kW
Eficiencia
0,96
Al estar refrigeradas por agua, se considera que la carga térmica cedida
al ambiente será de un 5%. Quedará con ello una carga disipada del 93,75 x
0.05 = 4,7 kW.
Durante la operación normal de la planta se encuentran en
funcionamiento una bomba de agua de alimentación de alta presión por
caldera, por lo que la carga térmica cedida al ambiente será 4,7 kW x 2 = 9,4
kW.
Bombas de agua de alimentación de media presión
La potencia del motor es 260 kW y el rendimiento del 94% (DP.).
Q=
Potencia # (1 ! Eficiencia) 260 " (1 ! 0,94)
=
= 16,6 kW
Eficiencia
0,94
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Durante la operación normal de la planta se encuentran en
funcionamiento una bomba de agua de alimentación de alta presión por
caldera, por lo que la carga térmica cedida al ambiente será 16,6 kW x 2 = 33,2
kW.
Bombas de recirculación de caldera.
La potencia del motor es 54 kW y el rendimiento del 94% (similitud con
otros casos).
Q=
Potencia # (1 ! Eficiencia) 54 " (1 ! 0,94)
=
= 3,4 kW
Eficiencia
0,94
Durante la operación normal de la planta se encuentran en
funcionamiento una bomba de agua de alimentación de alta presión por
caldera, por lo que la carga térmica cedida al ambiente será 3,4 kW x 2 = 6,8
kW.
Panel de muestreo
La carga térmica cedida por le panel de muestreo al ambiente, según
datos de partida, resulta ser de 2kW.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Resumen de cargas calderas de recuperación:
Iluminación
31,8 kW
Cables de Potencia y CCMs
20 kW
Módulos de la calderas
650 kW
Tuberías internas de las calderas
446 kW
Tuberías
525 kW
Bombas AA alta presión
9,4 kW
Bombas AA media presión
33,2 kW
Bombas recirculación
6,8 kW
Panel de muestreo
2 kW
Total
1725 kW
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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5.4 Caudal de ventilación del edificio principal.
La carga térmica total del edificio principal resulta ser de
857 kW + 1473kW + 1725kW = 4055kW
m = Q / !Cp "t
m = (4.055 kW x 860 kcal/h / kW) / [0,25 kcal/ ºC m3 x (40ºC – 24,9 ºC)]
m # 923.788 m3/h
Considerando de acuerdo a D.P.6, que parte de este caudal será
aspirado por los ventiladores asociados a los módulos de la turbina de gas,
según se detalla a continuación:
Turbine Compartment
159.480 m3/h (DP.6)
Exhaust Diffuser
44.280 m3/h (DP. 6)
Load Shaft Compartment
16.200 m3/h (DP. 6)
Total por turbina
220.150 m3/h (DP. 6)
Total
440.300 m3/h (DP. 6)
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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En previsión de que los ventiladores de GE tengan velocidad variable y
pudieran extraer un caudal inferior, se da crédito únicamente a un 55% del
caudal, es decir a un caudal de 242.165 m3/h
Se obtiene un caudal a extraer de
923.788 m3/h – 242.165 m3/h = 681.623 m3/h
Según el reparto de cargas en los diferentes sectores del edificio
principal, los ventiladores seleccionados serán los siguientes:
Superficie de rejilla en el sector de turbinas
El caudal del exterior será de:
400.000 m3/ h debidos a los ventiladores de extracción
477.700 m3/h debidos al caudal extraído por los ventiladores de la TG
considerando los caudales siguientes
Turbine Compartment
159.480 m3/h (DP. 6)
Exhaust Diffuser
44.280 m3/h (DP. 6)
Load Shaft Compartment
16.200 m3/h (DP. 6)
Lube oil atomizing
10.200 m3/h (DP. 6)
Liquid fuel
2.550 m3/h (DP. 6)
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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Gas fuel
5.950 m3/h (DP. 6)
Total por turbina
238.850.m3/h (DP. 6)
Total
477.700.m3/h (DP. 6)
La superficie mínima de rejilla de entrada de aire, para el caudal del
exterior, considerando una velocidad frontal del aire de 2,5 m/s, será de:
[(400.000 + 477.700) m3/h / 3.600 s)] m3/s ÷ 2,5 m/s # 98 m2
Considerando un área libre de rejilla del 60%, se tiene un total de
superficie de rejilla de 100 / 0,6 # 163 m2
De la misma manera la superficie mínima para entre-plantas,
considerando una velocidad del aire de 5 m/s, será de:
[400.000 m3/h / 3.600 s)] m3/s ÷ 5 m/s # 22 m2
Considerando un área libre de rejilla del 60%, se tiene un total de
superficie de rejilla de 22 / 0,6 # 37 m2
Superficie de rejilla en el sector de calderas de recuperación y bombas
de agua de alimentación
La superficie mínima de rejilla de entrada de aire, para el caudal del
exterior, considerando una velocidad frontal del aire de 2,5 m/s, será de:
______________________________________________________________________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 5: Cálculo de cargas térmicas
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[288.000 m3/h / 3.600 s)] m3/s ÷ 2,5 m/s # 32 m2
Considerando un área libre de rejilla del 60%, se tiene un total de
superficie de rejilla de 32 / 0,6 # 54 m2
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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6.1 Filosofía de Diseño
Para poder explicar el funcionamiento del sistema y cumplir el
objetivo de este proyecto, se desarrollará un modelo que permita realizar una
simulación del sistema.
En el capítulo anterior se evaluó la carga térmica interna de los
edificios de turbinas y calderas de recuperación, mediante datos definidos de
características y configuraciones de equipos. Se supondrá que dicha carga
refleja de manera correcta la realidad del funcionamiento de la central de ciclo
combinado. Por tanto el modelo que se pretende desarrollar tendrá que ver con
la respuesta del edificio ante dicha carga térmica.
De esta manera se intentará evaluar la importancia de una serie de
fenómenos que determinaran el comportamiento de la ventilación natural en el
edificio:
- El efecto de la variación diaria de las condiciones exteriores.
- La estratificación de la temperatura.
- El efecto del viento.
- El efecto de la inercia térmica del edificio.
- El efecto de la radiación térmica sobre las paredes del edificio.
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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Para evaluar dichos efectos y llevar a cabo las simulaciones
correspondientes,
es necesario disponer de una herramienta informática
adecuada, capaz de modelar el edificio en función del tiempo. Por tanto la
simulación se llevará a cabo con el programa ESP-r, cuya descripción se
realiza en los siguientes apartados .
6.2 Comportamiento térmico de la nave de turbinas
El objetivo principal es evaluar el comportamiento térmico de la nave
de turbinas y del edificio de calderas de recuperación al verse sometido
únicamente a ventilación natural. Como se ha especificado anteriormente, se
tendrán en cuenta una serie de efectos que inciden directamente en la
ventilación natural. Por lo tanto, además de la carga interna, se tendrán en
cuenta el efecto de la variación diaria de las condiciones exteriores, el efecto
del viento, la inercia térmica del edificio y la radiación térmica sobre las paredes
del edificio. Con todo ello se quiere evaluar su incidencia sobre la temperatura
interior y sobre la carga térmica.
Al interesar la temperatura interior y el caudal de aire interior se
define como sistema de referencia el volumen interior de aire interior de los
edificios. Se trata de un sistema abierto cuyas entradas son las rejillas de toma
de aire exterior y cuyas salidas son las rejillas situadas en el techo de la nave.
Sus condiciones de temperatura y caudal interior dependen tanto de la carga
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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interna como del caudal de ventilación. Además, al tener una distribución
espacial de carga y ser el edificio bastante alto, se da una estratificación de
temperatura y presión que influirá en la ventilación natural.
6.3 Presentación del programa ESP-r.
6.3.1
Introducción.
ESP-r es un programa de modelado y simulación dinámica de
edificios, desarrollado por el Energy Systems Research Unit de la Universidad
de Strathclyde, en Escocia. Este programa permite el modelado de flujos de
energía y fluidos en un entorno combinado que abarca el propio edificio y las
instalaciones presentes en él. El programa está compuesto por varios módulos,
y cada uno cubre ciertas áreas del modelado y la simulación. ESP-r está
diseñado para la plataforma Unix, aunque existen implementaciones para los
sistemas operativos Solaris, Linux y Mac OS X, todos ellos basados en Unix.
ESP-r es un programa bajo la licencia Open Source.
ESP-r se basa en una serie de distintas herramientas de desarrollo,
simulación y análisis de modelos. Estos programas son controlados por una
aplicación principal llamada Project Manager que controla e invoca al resto de
aplicaciones. Todas ellas comparten la misma interfaz gráfica que permite la
creación y visualización del modelo.
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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6.3.2
Principios básicos de ESP-r.
ESP-r es un programa que usa una interfaz gráfica que tiene una
gran presencia en el proceso de creación del modelo. En general mezcla el
dibujo con un sistema de CAD con el modelado orientado al objeto.
El modelado orientado al objeto supone usar componentes que no
solo tengan datos representativos del mismo, sino las ecuaciones que rigen su
comportamiento. Por ejemplo, una superficie que forme una pared o ventana
contendrá datos como el espesor, la superficie o el material que la compone,
(quedando definidas otras características como densidad, conductividad y calor
específico), pero además tendrá definidas de antemano las ecuaciones que
rigen la transferencia de calor a través de esa superficie.
El objetivo es crear un modelo de un edificio separado por zonas,
conectadas entre ellas a través de componentes. Una zona se corresponde con
un área o espacio que contenga el edificio y que consideremos relevante para
analizar. Cada zona tiene que ser definida geométricamente a partir de vértices
que definen superficies. Una zona solamente estará bien definida si esta
compuesta de una serie de superficies que forman un espacio cerrado. En
cada zona se pueden definir las propiedades de los materiales que la forman
(paredes, ventanas), y las condiciones de la zona (temperatura, presión, carga
térmica, etc.)
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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Cada zona necesita estar conectada de alguna manera con otras
zonas o con el ambiente. Esto se consigue a través de las conexiones. Las
conexiones entre distintas zonas se producen a través de componentes, que
pueden ser desde aberturas o paredes hasta conductos de ventilación. Cada
uno de los componentes se puede modificar o crear de manera que se ajuste
perfectamente a nuestras necesidades.
6.4 Estructura y funcionalidad de ESP-r.
6.4.1
Estructura de los directorios de ESP-r.
Al crear un nuevo modelo con ESP-r, y debido a que es un programa
que todavía tiene un carácter experimental, es conveniente saber los
directorios y ficheros existentes debido a que puede ser posible realizar
algunas modificaciones en ellos. Los directorios más importantes de ESP-r en
el sistema son los que se muestran a continuación. Tendrán que estar
presentes siempre que la instalación se haya realizado correctamente y es
importante tenerlos en cuenta para llevar a cabo posibles modificaciones de los
mismos.
/usr/esru/esp-r es el directorio principal, y en él se encuentran, entre otras
cosas, los archivos listados a continuación:
../bin directorio que contiene todos los módulos de ESP-r.
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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../climate directorio que contiene los archivos de datos de clima
../databases directorio que contiene las distintas bases de datos distribuidas
con el programa.
../manual directorio con un tutorial para ESP-r
../training directorio que incluye todos los archivos de ejemplo de ESP-r.
6.4.2
Estructura de archivos de ESP-r.
Además de los directorios de los archivos de sistema de ESP-r, el
usuario tendrá un directorio separado para cada uno de los proyectos
modelados con ESP-r. Es una buena idea optar por una ubicación única para
los proyectos nuevos y otra para los proyectos archivados. Durante los
primeros pasos de un proyecto, el módulo Project Manager creará la estructura
de directorios del proyecto, que incluye los siguientes archivos:
Nombre_proyecto directorio principal del proyecto
../Nombre_proyecto/cfg contiene los archivos de sistema
../Nombre_proyecto/ctl contiene los archivos de control
../Nombre_proyecto/doc contiene informes y notas
../Nombre_proyecto/nets contiene los archivos de redes
../Nombre_proyecto/temp
archivos que contienen información
sobre
materiales con propiedades termofísicas en una simulación
../Nombre_proyecto/rad contiene archivos de conexión con Radiance
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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../Nombre_proyecto/dbs contiene las bases de datos del proyecto
../Nombre_proyecto/zones contiene los archivos de zonas
../Nombre_proyecto/images contiene los archivos de imágenes
6.4.3
Interfaz gráfica de ESP-r.
La interfaz gráfica de ESP-r está formada por varias ventanas que se
abren cada vez que uno de los módulos es activado desde el Project Manager.
Los siguientes líneas pueden otorgar una visión más profunda de esta interfaz
y mejorar la interacción entre programa usuario.
Modos de pantalla: Gráfico y Texto.
ESP-r suele arrancar en modo gráfico, pero también es posible usar ESP-r en
modo texto ejecutando el comando prj -mode text.
- La ventana superior izquierda es donde se visualiza el modelo construido, los
gráficos y diagramas.
- La ventana superior derecha es la ventana de menús. Durante la construcción
de modelos y su simulación esta ventana mostrará distintos selecciones
dependiendo de la parte en que se encuentre trabajando el usuario.
- El texto y los números se introducen en la caja de diálogo en al ventana
inferior.
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Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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- Toda la información de texto que proporciona el programa se muestra en la
ventana inferior izquierda.
- Se abrirá una ventana cada vez que se haga uso de la ayuda o cuando se
lance alguno de los módulos.
Es recomendado usar siempre la interfaz gráfica de ESP-r. El modo texto no
permite la visualización de gráficos y puede llegar a ser bastante confuso.
6.4.4
Descripción de los módulos de ESP-r.
ESP-r está compuesto por una serie de módulos, cada uno de los
cuales contribuye a ciertas áreas del proceso de modelado y simulación. La
aplicación de control Project Manager es la encargada de activar los distintos
módulos cuando es necesario. Los módulos comparten una interfaz común y
acceden la mayoría a los mismos archivos descriptivos y bases de datos. Es
conveniente conocer las características de cada uno de los módulos, ya que la
simulación con ESP-r requiere el uso de varios módulos al mismo tiempo. La
figura muestra un esquema de la relación entre el programa y los módulos que
forman el entorno de simulación.
Project Manager
El Project Manager (prj) controla la descripción de los problemas de simulación
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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incluyendo su forma y composición, plantas de HVAC y horarios de aplicación.
También se encarga de llamar a las aplicaciones para manejar bases de datos,
definir topología del problema, calcular radiación, realizar simulaciones y
recopilar resultados de simulación.
Simulador
El simulador (bps) toma la descripción del modelo proporcionada por el Project
Manager y produce una serie de librerías que pueden ser analizadas por el
módulo de análisis de resultados. El motor de simulación se encarga de
resolver los problemas relacionados con edificios, planta, flujos de aire, etc. , de
forma conjunta o separada.
Análisis de resultados
El módulo de análisis de resultados (res) funciona a partir de los resultados
obtenidos de la librería generada por el simulador. Este módulo permite al
usuario comprobar el comportamiento de un determinado problema a través de
una serie de gráficas y tablas.
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Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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Control de la base de datos del clima
El módulo de control de la base de datos del clima (clm) se usa para
analizar datos climáticos. Una base de datos contiene información horaria de la
temperatura de bulbo seco, irradiación directa normal u horizontal normal,
irradiación horizontal difusa, velocidad del viento, dirección del viento y
humedad relativa. El módulo ofrece predicción de radiación solar, ajuste de
curvas al máximo y mínimo diario y análisis estadísticos, entre otras funciones.
Control de la base de datos de componentes de planta
Este módulo (pdb) controla los componentes de planta y permite
consultar, editar, analizar y generar datos para un componente de planta. Para
cada componente existe un descripción resumida que se puede consultar con
sus datos.
Descripción de redes de planta
Éste módulo (pdf) accede a la base de datos de componentes de planta
y permite ver, editar y generar archivos durante la definición de las
instalaciones.
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Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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Control de datos de construcciones.
Este módulo controla las bases de datos de las contrucciones simples y
compuestas. Los materiales usados en construcciones compuestas se
encuentran en la base de datos de materiales. Ambas bases de datos trabajan
juntas de manera interactiva. Las propiedades termofísicas necesarias para
definir un material son: conductividad, densidad, calor específico, absortancia,
emisividad y difusividad. Estas bases de datos pueden ser lanzadas desde el
Project manager durante el modelado.
Control de perfiles de eventos
El módulo de control de perfile de eventos (pro) controla un
determinado número de eventos, los cuales definen la variación de la
ocupación e iluminación de distintas zona en función del tiempo. Estos perfiles
pueden ser accedidos desde el Project Manager para definir el comportamiento
de las zonas del edificio.
Definición de horarios
El módulo de definición de horarios (tdf) proporciona una descripción de
los horarios y dependencias temporales requeridas para llevar a cabo una
simulación combianda de transferencia de masa y calor.
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Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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Tutorial
Este módulo enlaza con un tutorial online que se puede encontrar en la
siguiente dirección http://www.esru.strath.ac.uk/ . El contenido del tutorial
muestra una descripción general de ESP-r y sus posibilidades.
Factores de visión
El módulo de factores de visión (mrt) calcula los factores de visión de
cuerpo negro entre dos superficies. Este resultado es usado por el simulador
para calcular el intercambio de radiación de baja frecuencia. El módulo también
evalúa el nivel de variación de confort de la zona. El programa de factor de
forma facilita el cálculo de factores de visión entre dos zonas y la colocación de
sensores de temperatura media de radiación en distintas zonas para un análisis
detallado del interior de edificio.
Insolación y sombras
El módulo de insolación y sombras (ish) tiene en cuenta la geometría
básica del problema y sus obstrucciones para calcular la distribución de las
sombras en superficies exteriores y la distribución de la insolación en las zonas
con respecto al tiempo.
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Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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Simulación de flujo
Se pueden simular flujos de fluido de edificios y plantas a través del
simulador (bps) de manera conjunta con el cálculo de transferencia de calor
teniendo en cuenta además los movimientos de aire provocados por el cambio
de densidad. Existe una versión independiente del simulador que es el
simulador de flujo (mfs), que permite cálculos de flujos independientes de la
transferencia de calor. En este módulo se incluye efectos de cambio de
densidad de aire, pero la temperatura ha de ser definida por el usuario.
Topología
La herramienta de topología (cfg) ayuda al usuario a definir la
condiciones de contorno de todas las superficies del modelo construido. El
módulo lee el fichero de configuración del problema para acceder a la
información de la geometría creada y, mediante un diálogo, guía al usuario a
través de definición de las condiciones de contorno para esa geometría.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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6.5 La estrategia de modelado
Al empezar un nuevo modelo de ESP-r, hay que diferenciar de manera
precisa entre lo que tiene que ser incluido en el modelo, y lo que puede ser
incluido en el modelo.
Para cada zona del modelo del edificio se deben establecer los ficheros
de geometría, construcciones y operaciones. Además de estos ficheros
básicos, también se pueden añadir al proyecto los siguientes tipos de ficheros:
fichero de sombras/insolación, control de persianas, factores de visión, flujo de
aire, planta y sistemas, control de cargas térmicas, coeficientes de convección,
etc.. Cada uno de estos archivos puede ser creado y editado a través del
project manager. Tampoco hay que olvidar las bases de datos y los archivos de
simulación creados por el programa.
ESP-r ofrece muchas maneras de representar un modelo de un edificio y
analizarlo, pero el programa también espera que el modelo esté diseñado con
cierta coherencia termofísica. Esto puede causar muchos problemas a los que
se inician en el programa si no se siguen unas reglas y consejos básicos.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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6.5.1 Consejos básicos de modelado
Puede ser una buena idea seguir unos consejos básicos a la hora de
empezar a modelar un edificio con ESP-r.
- No es recomendable usar ESP-r u otros programas de simulación
de edificios hasta que no se haya planificado el diseño del modelo y las
herramientas posibles a utilizar. Esto resultará en un uso más efectivo del
programa.
- Es necesario llevar a cabo el modelado por pasos, y probar cada
uno de los pasos en el simulador. En la mayoría de los casos permitirá ahorrar
más tiempo del que se pierde en las comprobaciones, ya que puede ser difícil
solucionar uno o varios errores cometidos en una simulación compleja.
- Se deben incluir solamente los parametros que afecten a la
simulación.
6.5.2 La estrategia al usar ESP-r.
Puede resultar difícil a un principiante descubrir cómo funciona el
programa y que orden seguir. El siguiente plan de trabajo proporciona una guía
para los principiantes y una referencia que los usuarios expertos pueden variar
a su gusto dependiendo de sus necesidades.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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1. Analizar el diseño del problema antes de nada y analizar qué
características de este se tienen que incluir en el modelo.
2. Tener claro el número de zonas en las que se ha de dividir el
edificio. Decidir también qué tipo de instalaciones se tienen que incluir que
puedan afectar al rendimiento del edificio.
3. Una vez completados los dos primeros pasos, se puede pasar a
construir el modelo, siguiendo este pequeño esquema:
- Definición de la geometría de las zonas y de las bases de datos.
Modelado de las construcciones y operaciones. Esto resulta en al creación de
tres ficheros obligatorios por zona. Posteriormente, se puede acceder a las
bases de datos para modificarlas o cambiar las porpiedades de la zonas o
componentes de planta.
- Definición de la topología de la zona.
4. Después de definir los ficheros obligatorios se pueden añadir
detalles adicionales al modelo:
- Es una buena idea realizar una simulación después de la
definición de cada uno de las facilidades necesarias que se presentan en los
siguientes puntos, de manera que se puedan realizar las modificaciones
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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necesarias en el diseño si los resultados difieren de lo que teóricamente se
esperaba.
- Se pueden añadir obstrucciones en los alrededores que
representen objetos que causen sombras.
- Se puede añadir un control a las persianas para cambiar las
propiedades de la ventanas.
- Se puede añadir datos sobre la insolación tanto externa como
interna.
- Se puede añadir información sobre control de cargas casuales. Si
se especifica puede sustituir a los perfiles definidos en la facilidad de
operaciones de zonas.
- Los factores de visión para las superficies dentro de una zona
para mejorar el cálculo de radiación de onda larga también se pueden tener en
cuenta.
- Se pueden añadir los valores de los coeficientes de convección
para las distintas superficies. Si se especifica, reemplazarán los valores
calculados tomando como base convección natural durante la simulación.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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- Se puede especificar el dominio del fluido: 1, 2 ó 3 dimensiones.
También se pueden especificar los distintos parámetros para llevar a cabo una
simulación de CFD.
5. Se puede empezar la simulación.
6. Se lleva a cabo el análisis de resultados.
7. Si se desea introducir algún tipo de flujo de aire, distinto al flujo de
aire definido en la facilidad de operaciones, en el modelo del edificio, es
necesario definir la distribución de las filtraciones del edificio además de incluir
los coeficientes de presión necesarios en la base de
datos de coeficientes de
presión.
8. Se puede empezar la simulación.
9. Se lleva a cabo el análisis de resultados.
10.
Se puede definir y conectar una red al modelo del edificio.
11.
Desde el Project Manager, se puede especificar un control
para las zonas, sistemas y plantas, y ventilación.
12.
Se puede llevar a cabo una simulación conjunta.
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 6: Introducción al modelo usado
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13.
Se lleva a cabo el análisis de resultados.
14.
Se puede cambiar el diseño del modelo para ajustarlo más
a lo que se pretende conseguir.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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7.1 Introducción
En este capítulo se presentará el modelo de ventilación de la central de
ciclo combinado usado y se analizará la simulación obtenida.
Con el fin de evaluar los efectos considerados en el capítulo 5, se
realizarán varias simulaciones empezando con un modelo sencillo en el que se
represente la central como un solo volumen de aire o zona, y a partir de ahí
sacar las primeras conclusiones, despreciando los efectos que no desempeñen
un papel relevante. En este modelo solo interesará el aire que entra y sale del
edificio, y no lo que ocurre en su interior.
Posteriormente, se variará el modelo básico haciéndolo más complejo.
Se usará un modelo con distintas zonas, de manera que exista una circulación
de aire entre ellas y se puedan evaluar los distintos efectos dentro del edificio.
El objetivo final es llegar a crear un modelo lo suficientemente realista.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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7.2 Modelo de una sola zona.
7.2.1 Hipótesis del modelo.
En este modelo consideramos que solo se tiene una única zona en el
modelo. De esta manera, las condiciones de temperatura, carga térmica y
presión serán únicas para dicha zona y por lo tanto no existirán variaciones en
ningún punto del edificio, pudiendo asimilar el modelo a una caja negra cuyas
salidas son la temperatura, presión y flujo de aire. Este modelo aporta una
primera aproximación al objetivo del proyecto y una visión global del
comportamiento térmico de la isla de turbinas y permite empezar a
familiarizarse con el comportamiento del programa ESP-r.
Esta única zona vendrá representada por un único nodo. Este nodo
tendrá conexiones con el exterior a través de las rejillas de entrada situadas en
la parte inferior del edificio, y también conexiones con el exterior a través de las
rejillas de salida situadas en el techo del mismo. Además se incluirá una red
de ventilación forzada debido a la aspiración de aire de las turbinas de gas.
7.2.2 Datos considerados.
Se considera un volumen interior del edificio principal aproximado de
190000 m3. A este volumen se le tiene que restar un volumen que equivale al
que ocupan los equipos, por lo que el volumen final considerado es de 150000
m3. Por otra parte, basándose en los cálculos realizados en el capítulo 5, se
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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considera que el edificio tiene una carga térmica total de 4,1 MW. Esta carga
se supone independiente de la temperatura interior de la nave, al estar todos
los equipos emisores aislados.
La temperatura y la presión en el interior del edificio principal de la
central se evalúan a la altura media del volumen, que coincide con la cota a la
que se sitúa el nodo del interior del edificio, y a su vez con la altura media del
edificio, que resulta ser de 27,5 m.
Las entradas de aire se sitúan en la elevación inferior del edificio de
turbinas, a nivel de suelo. Existen 180 m2 útiles de rejilla de entrada y 90 m2 de
rejilals de salida de aire en el techo.
Las salidas de aire son las rejillas colocadas en el techo y la turbina de
gas, que absorbe un caudal medio de 450000 m3/h. Se considera un área de
salida de caudal similar a la de las entradas de aire.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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7.2.3 Esquema del modelo.
El esquema básico del modelo de la central para una primera
aproximación se corresponde con el mostrado en la figura.
Figura 7.1 Esquema modelo básico
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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7.2.4
Evaluación del caudal de ventilación natural y de la
temperatura interna.
En este modelo, el primer punto que se va a analizar es el caudal de
ventilación y la temperatura durante un año, en los que se considerará que la
central de ciclo combinado trabaja a plana carga.
Las características de temperatura, dirección y velocidad del viento se
muestran en el anexo C de este proyecto. El resto de datos climáticos usados
se pueden consultar en el la base de datos que se incluye en formato
electrónico con los resultados de la simulación.
De esta manera se han obtenido una serie de gráficas para todo un año
que representan la temperatura interna del edificio y el caudal de aire que entra
a través de las rejillas de ventilación.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.2
Enero Flujo Aire
Figura 7.3
Enero Temperatura
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.4
Febrero Flujo Aire
Figura 7.5
Febrero Temperatura
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Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.6
Marzo Flujo Aire
Figura 7.7
Marzo Temperatura
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Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.8
Abril Flujo Aire
Figura 7.9
Abril Temperatura
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.10
Mayo Flujo Aire
Figura 7.11
Mayo Temperatura
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Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.12
Junio Flujo Aire
Figura 7.13
Junio Temperatura
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.14
Junio Flujo Aire
Figura 7.15
Julio Temperatura
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.16
Agosto Flujo Aire
Figura 7.17
Agosto Temperatura
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.18
Septiembre Flujo Aire
Figura 7.19
Septiembre Temperatura
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.20
Octubre Flujo Aire
Figura 7.21
Octubre Temperatura
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.22
Noviembre Flujo Aire
Figura 7.23
Noviembre Temperatura
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Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.24
Diciembre Flujo Aire
Figura 7.25
Diciembre Temperatura
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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7.2.5 Conclusiones sobre el modelo básico
El primer modelo y las simulaciones que se llevaron a cabo sobre él han
servido como primera aproximación al cálculo de la ventilación en el edificio
principal de la central.
Como se puede observar en las simulaciones, el efecto del viento tiene
poca relevancia, excepto cuando este alcanza valores elevados. También
predomina sobre el flujo de aire de entrada la aspiración de la turbina de gas.
En cualquier otro caso, es la carga térmica del interior del edificio la que hace
circular el aire.
Se puede comprobar como una diferencia de unos cinco grados con el
aire del exterior provoca un flujo de aire hacia dentro del edificio.
Con respecto a la temperatura, en ningún momento se sobrepasan los
valores límite fijados para este proyecto, siendo la variación de temperatura del
edificio de forma senoidal con una cierta inercia térmica con respecto a la
temperatura exterior, tal y como se esperaba.
Por esa razón, el modelo básico de una sola zona no resulta suficiente
para nuestro objetivo y se utilizará un modelo con distintas zonas de ventilación
de manera que se pueda evaluar el efecto de las estratificación de la
temperatura y de la presión en el interior del edificio, que es objeto del apartado
7.3 de este mismo capítulo.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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7.3 Modelo de varias zonas de ventilación.
7.3.1 Hipótesis del modelo
El objetivo de este modelo es estudiar los flujos de aire en el interior del
edificio, considerando el efecto de la estratificación de la carga térmica que se
produce. Si en el modelo anterior solo existía una única zona, con una carga
térmica y temperatura únicas, ahora se ha dividido el edificio en 9 zonas, cada
una de ellas con una carga térmica distinta.
Figura 7.27 Esquema Modelo Avanzado
7.3.2 Datos considerados
En este caso cada uno de las zonas consideradas está conectada con
sus zonas adyacentes a través de unas conexiones que en el caso de las
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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rejillas introducen una cierta pérdida de carga, y en el caso de las conexiones
internas, no existe tal pérdida de carga. Se supone además que la pérdida de
carga entre las distintas áreas del interior del edificio es despreciable,
dependiendo únicamente de la configuración interna de los equipos dentro del
edificio.
El esquema de al red de ventilación del modelo es el que se indica en la
siguiente figura:
Figura 7.28 Esquema Conexiones Modelo
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Los datos usados para la creación del modelo se muestran en la
siguiente tabla:
Volumen Control
Volumen
Altura media
Carga Térmica
Ed_TV1
7350 m3
2.5 m
1200 kW
Ed_TV2
10290 m3
8.5 m
200 kW
Ed_TV3
24255 m3
16.75 m
50 kW
Ed_TG1
12960 m3
2.5 m
1200 kW
Ed_TG2
18144 m3
8.5 m
200 kW
Ed_TG3
42768 m3
16.75 m
50 kW
Cald1
11147 m3
2.5 m
1000 kW
Cald2
15605 m3
8.5 m
200 kW
Cald3
63537 m3
26.25 m
50 kW
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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7.3.3 Resultados de la simulación
Para el modelo con distintas zonas se han obtenido medidas de la
temperatura en el interior del edificio y del flujo de aire que le atraviesa.
Además en la simulación se ha obtenido datos de presión en cada uno de los
nodos correspondientes a las zonas del edificio.
En general, se observa una concordancia en el flujo de aire y cierto
parecido entre la temperatura interna del edificio. Si bien, el modelo supone un
salto cualitativo en información con respecto al modelo básico, pudiendo
evaluar las variaciones de temperatura, presión y caudal de ventilación entre
las distintas alturas de este.
En este caso, la simulación que se muestra corresponde al mes de
agosto.
En las primeras gráficas se pude ver la distribución del flujo de aire
entrante en cada una de las zonas de rejilla consideradas. El flujo, en general,
es prácticamente el mismo que el obtenido para el mismo mes en la simulación
con un solo volumen.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.29
Agosto Rejillas sur
Ed. Turbina Vapor
Figura 7.30
Agosto Rejillas Norte
Ed. Turbina Vapor
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Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Figura 7.31
Agosto Rejillas
Ed. Turbinas Gas
Figura 7.32
Agosto Rejillas Norte
Ed. Caldera
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Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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Para poder apreciar el efecto de la estratificación de la temperatura, tomamos
un par de días en el mes de Agosto, y comparamos la temperatura entre la
zona superior y al inferior del edificio de la turbina de gas ,comprobándose
como esta es más alta a alturas mayores, existiendo una diferencia más o
menos constante de unos 4ºC.
Figura 7.32
Temperaturas
Ed. Turbinas Vapor
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Capitulo 7: El modelo de redes de ventilación
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7.3.4 Conclusiones sobre el modelo de varias zonas
El objetivo de este modelo era conseguir resultados que nos informen
sobre las diferencias de temperatura, presión y caudal de ventilación que
existen en las distintas zonas del edificio, de tal forma que se aproximase algo
más el modelo a la realidad.
El modelo cumple con este objetivo, manteniendo los resultados
obtenidos total concordancia con los del modelo básico, y ampliando estos de
tal manera que se consigue una visión general sobre el funcionamiento interno
en cuestión de ventilación natural del edificio.
En particular, se presta especial atención en este modelo a la variación
de presión y temperatura interna del edificio, además de las magnitudes ya
consideradas en el problema básico: el efecto del viento y la variación diaria de
temperatura.
De esta manera, se considera que el modelo avanzado cumple
perfectamente con el objetivo que se perseguía, y resulta una optimización
válida del modelo básico de una sola área.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 8: Conclusiones
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8.1 Conclusión General
El objetivo de este proyecto era estudiar el sistema de ventilación de una
central de ciclo combinado, cuando ninguno de los ventiladores está
funcionando, y solo existe ventilación natural.
Para realizar este estudio, se utilizó una herramienta informática que
permitía simular flujos de aire en el interior de un edificio. Se analizó el edifico
principal de la central de ciclo combinado y se creó un modelo básico qu
simulaba el flujo de aire y la temperatura del interior como si fuera un único
volumen.
Posteriormente se llevó a cabo una optimización de dicho modelo,
dividiéndolo en nueve zonas, de manera que se pudiera apreciar el efecto de la
estratificación de la temperatura, la diferencia de presiones y los caudales de
aire internos.
Todas estas simulaciones se llevaron a cabo bajo hipótesis que
simplificaban los modelos y con coeficientes de seguridad elevados en lso
datos usados.
El cálculo realizado arroja resultados satisfactorios y que tienen cierta
coherencia, permitiendo en cierta medida el uso de esta técnica de ventilación
para ventilar el propio edificio. Sin embargo, debido a las importancia del
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 8: Conclusiones
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proyecto, se sugiere como vía para seguir investigando el análisis detallado con
un programa de CFD del flujo interno de la nave, teniendo en cuenta la
compleja disposición de los equipos y las temperaturas localizadas.
Como conclusión final del proyecto, se propuso usar el programa para
futuros estudios sobre ventilación natural de la central y en caso de que se
desee utilizar para analizar el efecto de al ventilación natural en futuros
diseños.
8.2 Conclusiones sobre el software utilizado.
Uno de los objetivos del proyecto era encontrar y probar un software
gratuito de simulación de redes de ventilación. El software elegido fue ESP-r,
programa de licencia libre, que desarrolla el Energy System’s Research Unit de
la Universidad de Strathclyde en Escocia.
Este programa se usa principalmente en el capítulo 7, para simular las
condiciones del flujo de aire dependiendo de la carga interna del edificio y de la
temperatura ambiente exterior. Durante el desarrollo del proyecto final de
carrera, el autor ha tenido que lidiar con el programa y su difícil uso, y ha tenido
el conocimiento para darse cuenta de las ventajas e inconvenientes derivados
de su utilización.
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 8: Conclusiones
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Ventajas
Posiblemente, la mayor ventaja de usar ESP-r es que uno encuentra en
ella un rango amplio de posibilidades que se pueden aprovechar para hacer
que los modelos sean lo más reales posibles. Esto incluye:
•
CFD o Mecánica de Fluidos Computacional, que hace posible lujos
de aire de forma realista, en la zona interior del edificio.
•
La posibilidad de incluir un alto detalle en el modelado de de
sistemas de planta y de redes de flujo de ventilación. Esto hace posible
estudiar de manera más cercana las distintas redes y componentes y
optimizarlos de manera que se adapten a las necesidades del edificio.
•
Permite simular las condiciones del edificio en intervalos de tiempo
adecuados a nuestras necesidades, de manera que se pueda realizar una
simulación más rápida con intervalos de tiempo más amplios.
•
La posibilidad de importar la geometría del modelo desde archivos
.dwg de Autocad.
•
La posibilidad de exportar los datos de las simulaciones a cualquier
programa de análisis o gráfico.
Además de estas ventajas se puede concluir que el programa realiza
cálculos precisos y detallados durante la simulación. Además está bien
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Capitulo 8: Conclusiones
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documentado, y el programa como la documentación se pueden descargar de
la dirección http://www.esry.strath.ac.uk .
Además, se puede modificar el código fuente del programa para incluir
en él nuevas características.
Desventajas
En el apartado anterior se menciona que una de las ventajas es la
posibilidad de realizar un modelo detallado que incluya sistemas de planta y
elementos de mecánica de fluidos computacional. Sin embargo, esto
representa una desventaja en sí mismo debido a que se puede imprimir un
nivel de detalle tan extremo que dificulta la simulación
Por otra parte, la paga que se ha encontrado al realizar el proyecto es la
dificultad que supone intentar realizar una simulación de CFD con el programa,
debido a que el módulo se encuentra en desarrollo, recomendando usar otras
aplicaciones comerciales más intuitivas para este tipo de simulaciones.
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo A: Cálculo de la carga térmica de las tuberías
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En una central de producción de energía eléctrica, las tuberías
representan la mayor parte de la carga interna del edificio (casi el cincuenta por
ciento). Por eso, este cálculo necesita especial atención a la hora de diseñar el
sistema
de
ventilación.
El objeto
de este
anexo es
presentar
las
aproximaciones y ecuaciones utilizadas para desarrollar este cálculo.
Cada tubería de la central viene determinada por su diámetro nominal,
su temperatura de operación, el material que la constituye. Además de estas
tres características, vienen dos otras, el schedule, que permite vincular el
diámetro nominal de la tubería con su diámetro interior y su diámetro exterior
sin aislar, y el código de aislamiento, que vincula los parámetros precedentes
con el tipo de aislante y su espesor.
Así, queda determinada geométricamente una sección transversal de la
tubería como se muestra a continuación:
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo A: Cálculo de la carga térmica de las tuberías
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La carga térmica total, cedida por los diferentes sistemas de tuberías al
ambiente, es el resultado de dos mecanismos simultáneos, la convección
natural y la radiación (se supondrá la velocidad del aire suficientemente baja
para despreciarla y sólo tener en cuenta la convección natural). Por eso, siendo
Q la carga cedida al ambiente por las tuberías calientes, obtenemos:
Q = Q CONV + Q RAD
Se estimarán las dos componentes QCONV y QRAD, según la norma
europea
EN ISO 12241, que recomienda que escribamos la ecuación
precedente de la forma:
Q = h S (TSUP - TAMB )
siendo, h un coeficiente superficial dado por:
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo A: Cálculo de la carga térmica de las tuberías
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h = h RAD + h CONV
y TSUP la temperatura superficial del aislante.
Parte radiativa del coeficiente superficial hRAD:
Basta con escribir la igualdad entre la forma buscada y la expresión del
calor emitido por radiación, para determinar el valor de hRAD:
4
4
h RAD S (TSUP " TAMB ) = # S (TSUP
" TAMB
)
! = 5.67 10-8 W/m2 K4
!
" = 0.1 al ser las tuberías aisladas recubiertas de una película de
aluminio.
Parte convectiva del coeficiente de superficial hCONV:
Se podrá encontrar en la literatura especializada una gran
cantidad de correlaciones empíricas permitiendo de determinar el coeficiente
de película en función de los números de Prandlt y Grassof principalmente. Sin
embargo, existen formas aproximadas que permiten ahorrar cálculos sin perder
demasiada precisión en el resultado. Por eso, la norma ISO 12241 recomienda
la utilización de las formas aproximadas siguientes, para tuberías horizontales
rodeadas de aire en el interior de los edificios, según sea el flujo laminar o
turbulento:
__________________________________________________________ ____________
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Anexo A: Cálculo de la carga térmica de las tuberías
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- Flujo laminar de aire: DTOTAL3 (TSUP-TAMB) <10 m3.K
h CONV = 1.25 4
TSUP " TAMB
DTOTAL
(W/m K)
2
!
- Flujo turbulento de aire: DTOTAL3 (TSUP-TINT) >10 m3.K
h CONV = 1.21 3 TSUP " TAMB (W/m2 K)
!
siendo DTOTAL el diámetro total de la tubería, a saber el diámetro exterior
de la tubería mas el espesor del aislamiento.
Estos métodos nos permitirán determinar los coeficientes de película a
condición de conocer previamente la temperatura superficial del aislante. Y
como la temperatura superficial del aislante depende de estos coeficientes
mediante el flujo de calor que va de al tubería al ambiente, tenemos que
resolver el problema por iteración. Se utilizará el método de Newton para esta
resolución, cuya descripción queda fuera de este proyecto.
El planteamiento de las ecuaciones que nos permitirán realizar
esta iteración resulta de la igualdad de los flujos de calor entre cada parte de la
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo A: Cálculo de la carga térmica de las tuberías
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tubería. Debido al espesor de la tubería en sí misma y a su conductividad,
supondremos que la temperatura superficial del tubo es igual a la temperatura
del fluido que transporta.
Así, queda el sistema siguiente:
*
# TSUP " TAMB &1/4
1/3
,h CONV = 1.21 ( TSUP " TAMB ) o 1.25 %
(
,
$ DTOTAL '
,
4
4
,h RAD = ) TSUP " TAMB
TSUP " TAMB
,,
+
2 D ( TAMB " TINT )
,q l =
2
1
D
,
+ ln TOTAL
,
D(h CONV + h RAD ) D DEXTERIOR
,
ql
, TSUP " TAMB "
=0
,DTOTAL (h CONV + h RAD )
!
en el que las dos primeras ecuaciones ya han sido comentadas, y las
dos ultimas representan la igualdad entre el flujo de calor por unidad de
longitud de tubería y la diferencia de temperatura partida por la resistencia
térmica.
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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Anexo C: Datos climatológicos usados en el modelo
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo D: Potencia de motores electricos
__________________________________________________________________________________________________________
Los motores eléctricos pueden ser considerados como fuentes de
energía sensibles por el hecho de transformar una parte importante de la
energía absorbida en calor que será transmitido al medio ambiente.
Para cualquier tipo de motor, independientemente de la máquina que
arrastra, se desprende una cantidad determinada de calor a través de la
carcasa debido a la conversión de las pérdidas eléctricas en ganancias
sensibles. Esta disipación de calor viene representada por:
Q = Potencia absorbida # (1 " ! )
Generalmente, resulta más cómodo expresar la carga en función de la
potencia nominal de motor. Por eso, se suele cambiar la expresión anterior por
esta más cómoda:
Q=
Potencia nominal
# (1 " ! )
!
En caso de que el motor sea refrigerado por agua, el calor disipado no
es evacuado por el aire, sino por el agua de refrigeración. Por tanto, de manera
conservadora, vamos a suponer un rendimiento del intercambiador de calor del
95%. Por esa razón, la carga térmica se verá reducida en un 5%.
El resto de la potencia, que es la potencia útil, es utilizada para el
accionamiento de la maquina conectada al motor. El trabajo realizado por dicha
máquina puede contribuir a las ganancias de calor dependiendo de la
configuración del equipo.
A continuación se detallan distintas configuraciones que se pueden
encontrar en una central de ciclo combinado.
__________________________________________________________ ____________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo D: Potencia de motores electricos
__________________________________________________________________________________________________________
En el caso de grupos de electrobombas, la potencia útil se transmite al
fluido en forma de velocidad y/o presión. Esta energía adquirida por el fluido se
degrada en lso conductos debido al rozamiento provocando un calentamiento
en dicho fluido, sin provocar una calentamiento directo al medio ambiente. Por
eso se considera que la carga debida a los motores del grupo de
electrobombas viene definida por:
Q=
Potencia nominal
# (1 " ! )
!
En caso de grupos electroventiladores, la transmisión de energía al
fluido y su posterior degradación es similar. No obstante, la parte de la potencia
absorbida que se convierte en carga térmica en la sala depende de la posición
del motor en el interior de la sala y de la configuración del ventilador.
Si se trata de un ventilador de extracción, la potencia útil se degrada
fuera del edificio. Por lo tanto, como generalmente el motor se encuentra
situado fuera del edifico
o en la corriente de extracción de aire, la carga
térmica es nula.
Q=0
Si se trata de un ventilador de impulsión, entonces la carga útil se
degrada en el interior del edificio. Además, el motor se sitúa generalmente en la
corriente de aspiración del aire exterior. De esta manera, la carga viene
definida por:
Q=
Potencia nominal
!
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo D: Potencia de motores electricos
__________________________________________________________________________________________________________
En caso de que se desconozca el rendimiento del motor, se recomienda
que se usen los datos mostrados en la siguiente tabla.
Potencia (HP)
Potencia (kW)
Rendimiento recomendado (%)
0.05
0.04
35
0.08
0.06
35
0.125
0.09
35
0.16
0.12
35
0.25
0.19
54
0.33
0.25
56
0.5
0.37
60
0.75
0.56
72
1
0.75
75
1.5
1.1
77
2
1.5
79
3
2.2
81
5
3.7
82
7.5
5.6
84
10
7.5
85
15
11.2
86
20
14.9
87
25
18.6
88
30
22.4
89
40
30
89
50
37
89
60
45
89
75
56
90
__________________________________________________________ ____________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo D: Potencia de motores electricos
__________________________________________________________________________________________________________
100
75
90
125
93
90
150
110
91
200
150
91
250
190
91
__________________________________________________________ ____________
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo E: Instalación de ESP-r
__________________________________________________________________________________________________________
INSTALACIÓN DE ESP-r Y RADIANCE
Entorno de trabajo, software e instalación
ESP-r se diferencia de otro tipo de programas normales en que no
funciona en un entorno basado en Windows. Para usar ESP-r es necesario
disponer del siguiente hardware y software:
Una estación de trabajo Unix o Linux con el entorno X-Window instalado
y completamente funcional. De igual manera se puede usar un emulador de
Linux para Windows, como puede ser Cygwin, para instalar ESP-r. Es válido
cualquier tipo de plataforma comercial Unix, incluyendo también Mac OS X
(que está basado en Unix).
Al menos 256 Mb de memoria, un procesador decente superior a 1GHz
y capacidad en disco duro de entre 10 y 20 Gb para guardar el programa y los
resultados de las simulaciones.
Además, es recomendable tener ciertos conocimientos sobre Unix o
Linux. En general, ambos sistemas operativos comparten los mismos
comandos, con algunas diferencias mínimas.
__________________________________________________________ ____________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo E: Instalación de ESP-r
__________________________________________________________________________________________________________
Dónde encontrar distribuciones Linux
Sin duda la manera más sencilla y económica de conseguir un entorno
de trabajo para ESP-r es usando Linux. Existen multitud de distribuciones
gratuitas, como Debian, Fedora, SuSe, Mandrake, etc.,
cualquiera
gracias
a
internet.
Un
buen
sitio
a disposición de
para
empezar
es
http://www.linux.com .
En general, la opción más sencilla de instalar Linux es que éste sea el
único sistema operativo presente en el ordenador. Pero, frecuentemente, el
usuario no está dispuesto a prescindir de Windows. Es posible instalar Linux
conjuntamente con Windows, para lo cual es necesario crear una partición
adicional que albergue el nuevo sistema operativo. Esta partición se puede
crear con el programa Fdisk incluido en Windows.
Una vez creada la partición y partiendo de la base que ya se tiene
instalado Windows, se procede a instalar Linux. Hay varias maneras de
hacerlo, y cada distribución tiene la suya, por lo que es necesario revisar la
documentación antes de instalar nada. Linux permite instalar un programa
(generalmente Grub o LiLo) que permite elegir el sistema operativo a arrancar,
por lo que se podrá elegir al encender el ordenador qué sistema usar.
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo E: Instalación de ESP-r
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Durante la instalación de Linux es posible seleccionar diferentes
aplicaciones que pueden ser incluidas en la instalación. Si es posible, lo mejor
es instalar el mayor número de aplicaciones para no excluir una que impida
que ESP-r funcione adecuadamente. Aunque en la mayoría de los casos, con
una instalación estándar es suficiente.
Instalación de ESP-r en un entorno Unix/Linux
Como se ha mencionado anteriormente, ESP-r funcionará únicamente
en entornos Unix o Linux. También se ha comentado que es posible hacerlo
funcionar en un pc con Windows instalado mediante el emulador Cygwin. Este
apartado se centrará únicamente en la instalación para un sistema Unix/Linux,
pudiendo encontrar información sobre otro tipo de instalaciones en la página
web de Esru.
Antes de empezar, es recomendable realizar toda la instalación a través
de una terminal o consola, ya que es necesario introducir comandos durante la
instalación.
1. Empezar una sesión de terminal como administrador con el nombre de
usuario root.
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo E: Instalación de ESP-r
__________________________________________________________________________________________________________
2. Crear el directorio /usr/esru. Si se desea el directorio se puede crear un link
a otro directorio llamado esru localizado en cualquier parte del sistema. El link
puede ser creado por un administrador o por una persona que tengo los
mismos permisos que el administrador. Para crear el link al directorio solo hace
falta introducir el comando: ln -s /home/../esru /usr/esru en el terminal.
3. Entrar como super usuario y cambia al directorio /usr/esru. Crear el directorio
src/esp-r
que
albergará
los
archivos
de
instalación
bajados
de
ftp://ftp.strath.ac.uk/Esru_public/ESP-r/ . Estos archivos contienen código
fuente, ejemplos y documentación. Los archivos tar.gz se pueden descomprimir
con unpacktargz, localizado en al misma página web. El comando para
descomprimir es ./unpacktargz. Si aparece un mensaje de problemas para
acceder a los archivos, teclea en el terminal los comandos chmod 755 *.* y
chmod*. , que otorgan al administrador permisos para leer, escribir y ejecutar
archivos, mientras que el resto de usuarios solo puede leer y ejecutar.
4. Cambia al directorio /usr/esru/src/esp-r/bin y ejecuta el comando ./esp-r-dir
para crear la estructura de directorios de ESP-r. Si se desea instalar ESP-r en
cualquier otro sitio en el sistema, entonces esp-r-dir tiene que ser editado
cambiando al segunda línea al de la siguiente manera, cambiando
DESTdir="/usr" por DESTdir="/../../esru , eligiendo la ruta donde de desea
instalar el programa.
Para hacer esto es necesario haber realizado previamente lo explicado en el
punto 2.
__________________________________________________________ ____________
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo E: Instalación de ESP-r
__________________________________________________________________________________________________________
5. El archivo Install en el directorio /usr/esru/src/esp-r contiene una guía en
la que se muestran detalles del proceso de instalación.
6. El comando ./Install se puede ejecutar para realizar una instalación
completa. También se puede ejecutar ./Install -h para una instalación con más
opciones. Si se quiere instalar en otro directorio, es necesario ejecutar el
comando ./Install -d /../../esru , especificando la ruta del directorio esru.
7. Es necesario modificar el fichero .cshrc del sistema. Esta acción sólo puede
ser realizada por un administrador del sistema. Se tiene que añadir la siguiente
línea:
setenv LD_LIBRARY_PATH "/usr/esru/esp-r/lib"
8. Ahora se tiene que modificar el fichero de sistema .bash_profile, añadiendole
las siguientes líneas.
# .bash_profile
# Get the aliases and functions
if [ -f ~/.bashrc ]; then
.~/.bashrc
fi
# User specific environment and start-up programs
PATH=$PATH:$HOME/bin:/usr/esru/bin:/usr/esru/esp__________________________________________________________ ____________
Ignacio García Sedano
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo E: Instalación de ESP-r
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r/bin:/usr/esru/bin/Radiance
export PATH
unset USERNAME
9. Ejemplos de los archivos .cshrc y .bash_profiles se pueden consultar en
/usr/esru/src/esp-r/env .
10. El archivo /usr/esru/esp-r/default contiene la configuración por defecto de
los archivos de clima, control, etc... Este ajuste se puede cambiar para usar
otro con información más acorde con la localización que se pretende estudiar.
11. El directorio /usr/esru/src/esp-r/validation/QA contiene programas que
pueden controlar si la instalación se ha realizado correctamente. El archivo
Readme en este directorio proporciona información sobre estos programas. En
ocasiones puede suceder que el test se para en un determinado punto con el
error de mensaje "You can NOT write in this folder". La solución para esto es
reiniciar el test moviendo el directorio benchmark_folder a una ubicación
donde el usuario tenga permisos de escritura.
12. Para que los cambios en los ficheros del sistema tengan efecto
(.bash_profile , etc.) es necesario salir del sistema y volver a entrar de nuevo.
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Ignacio García Sedano
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DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo E: Instalación de ESP-r
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Si el programa se ha instalado correctamente, ESP-r se puede iniciar
tecleando el comando esp-r en el terminal. Si se desea abrir un archivo
conjuntamente al iniciar el programa, se puede hacer usando el comando esp-r
-file *.cfg .
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Ignacio García Sedano
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DISTRIBUCIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO DE TURBINAS
DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
Anexo F: Bibliografía
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- 2005, ASHRAE Handbook – Fundamentals, American Society of Heating,
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
- Esru Manual, 2002, The ESP-r System for Building Energy Simulation. User
Guide Version 10, Esru Manual U02/1, University of Strathclyde, Glasgow
Scotland.
- Clarke, J.A., 2001, Energy Simulation in Building Design 2nd Edition,
Butterworth – Heinemann, Oxford.
- Haugaard, Per, 2003, Investigation and implementation of building simulation
Programmes – specially ESP-r, Tesis Doctoral,
Technical University of
Denmark.
- Esru Homepage, http://www.esru.strath.ac.uk
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Ignacio García Sedano
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