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Centrales eléctricas parte 1 - Monografía



 
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Energía. Central térmica. Combustible. Vapor. Calderas. Turbinas. Ciclo térmico. Ciclos binarios. Termodinámica. Condensación. Rendimiento. Humo



INTRODUCCIÓN



El objeto de una central de fuerza es la producción de energía con el máximo rendimiento posible, compatible con condiciones económicas existentes. Esta es la finalidad, tanto si la energía se produce quemando directamente combustibles, como por motores de combustión interna, o bien por saltos de agua.


ANTECEDENTES HISTÓRICOS


En particular refiriéndonos al uso de vapor, encontramos su primera aplicación destinada a la obtención de energía en la turbina de reacción de Heros (150 a.C.). Hombres como Thomas Newcomen y James Watt contribuyeron en mucho a perfeccionar los mecanismos que permiten utilizar la energía térmica contenida en el vapor.
Thomas Newcomen, invento una maquina térmica consistente en un cilindro, abierto por arriba, por cuyo interior se desliza un embolo. Este iba unido por una cadena a uno de los extremos de un balancín fijo por su punto medio, cuyo su otro extremo llevaban contrapeso capaz de levantar el embolo. El vapor introducido bajo éste expulsaba el aire, y el consiguiente enfriamiento y condensación del vapor, producido por un chorro de agua, al crear un vacío parcial, permitía a la presión atmosférica impulsar el émbolo hacia abajo. Watt vio claramente la necesidad de evitar el alternativo calentamiento y enfriamiento del cilindro, y su “innovación” consistió en producir la condensación del vapor en otro recipiente, la “cámara de vacío”, que redujo el consumo del vapor en un 75%.
Una maquina de vapor con este perfeccionamiento pudo impulsar una bomba hidráulica y mover los fuelles de un horno de fundición.
El mejoramiento de esta maquina de vapor fue estimulado por el hecho de que todos los saltos de agua aprovechables habían sido ya explotados, y la industria inglesa se había incrementado al punto de que era indispensable hallar energía mas barata y abundante.
También concedió Watt gran atención a las calderas, parte importantísima en la producción del vapor. Generalmente para su construcción se uso el cobre.
Todas las uniones y junturas eran solapadas y roblonadas, pero aun así las calderas no fueron capaces de resistir presiones de alguna importancia.

EVOLUCIÓN DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS


El carácter de las fábricas de electricidad ha experimentado modificaciones profundas desde el final de siglo pasado. Inicialmente, con una potencia de unos MW que alimentaban los centros de con sumos locales directamente con la baja tensión de los generadores que eran de corriente continua. Sin embargo al crecer rápidamente el consumo específico era conveniente concentrar las potencias en una pocas fábricas de electricidad.

AUMENTO DE LA POTENCIA UNITARIA



Así la potencia unitaria de las centrales creció rápidamente hasta alcanzar 500 MW en Europa ( central rusa Sugres ), 770 MW en los estados unidos ( central Husdson Avenue) y 424 MW ( central sudafricana Klip ).
También en la Argentina se verifica el mismo desarrollo. La central Puerto Nuevo, con seis turbinas  de 52,5 MW tiene ya una potencia de 315 MW que llegará a 415 MW si se lleva a cabo la instalación de una turbina de 100 MW ahora en curso de estudio.
Este enorme aumento de potencia instalada fue posible gracias al incremento de la capacidad de las máquinas. Turbinas con una potencia de 25 - 50 MW  y calderas con una producción de 1000 - 200 t/h. Estas máquinas ocupan una superficie muy pequeña de la requerida por las máquinas alternativas. Hoy día es posible construir transformadores trifásicos con una potencia hasta 125 MVA que pesan 210 toneladas sin aceite.


INTERCONEXIÓN



La concentración de la potencia fue favorecida por el empleo de las altísimas tensiones que permiten una transmisión económica a través de centenares de kilómetros. Las razones de la interconexión de las centrales son las siguientes:

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Transformador trifásico Asea con potencia de 125-60-125-15 MVA para tensiones de 200-100-30-6,6 KV
1. La conexión de los centros de producción de la energía térmica, que son al mismo tiempo los centros de mayor consumo, permite una mayor utilización y una mejor regulación de las fuerzas hidráulicas
2. La interconexión de las centrales hidroeléctricas de régimen diverso mejora también su utilización.
3. Cuanto más es la zona de consumo, tanto menos variable es la potencia absorbida, teniendo lugar una cierta compensación entre los varios consumidores. De allí surgen una economía de explotación y una disminución de la potencia total necesaria.

CONSECUENCIAS DE LA INTERCONEXIÓN


La interconexión trajo como consecuencia la desaparición progresiva de las centrales pequeñas de las redel locales, comprendidas en las redes de interconexión, y que no podrían competir en el costo de producción del Kwh con las centrales hidroeléctricas y las termoeléctricas.
La segunda consecuencia es que las centrales térmicas, con la excepción de las centrales de carga básica más modernas, desempeñaron siempre más el papel de regularizar la producción. Ellas tuvieron que funcionar con carga variable. Así fue posible aprovechar al máximo las centrales hidroeléctricas y las termoeléctricas modernas de mayor rendimiento.

AUMENTO DE RENDIMIENTO



El consumo específico medio de todas las centrales tiene la tendencia de estabilizarse a un valor de 0,6 Kg de carbón por Kwh útil entregado por la central. En cambio el consumo específico medio neto de las centrales modernas es notablemente inferior , logrando 0,45 Kg/Kwh y aún menos.

COSTO DE LAS CENTRALES DE VAPOR



COSTOS DE PRODUCCIÓN



El costo de una central generadora de energía depende varios factores, tales como tiempos de construcción, situación, tamaño de las unidades, numero de las principales unidades generadoras, y tipo de estructura usada.
Los factores mas influyentes son el costo de los materiales y de la mano de obra.


COSTOS DE PRODUCCIÓN Y GRAVÁMENES FIJOS



Para llegar al costo de producción de la unidad de energía eléctrica en el cuadro de distribución de la central hay que considerar los siguientes puntos:

- Costo del combustible.
- Costo de la mano de obra.
- Suministros.
- Mantenimiento y reparaciones.

En el caso de centrales que consuman carbón el costo del combustible viene muy afectado por la distancia que se hallé el yacimiento. Si la central esta instalada en boca mina o muy cerca de la mina, el precio de la tonelada será relativamente bajo. Pero cuando se necesiten largos transportes, cabe temer con razón que este precio se duplique.
El caso de combustible liquido o de gas, solo afecta a centrales estratégicamente situadas. Esta restricción limita usualmente el consumo de aceite a las centrales situadas en los distritos petrolíferos o en puertos petroleros. El gas natural solo entra en consideración cuando se puede de el en grandes cantidades y a precio inferior al del carbón.
El costo de la mano de obra depende principalmente de la situación de la central, por ejemplo, si esta cerca de un centro urbano, o muy alejada.

En el capitulo de “varios” se incluye material de oficina, lubricantes, algodón, etc., que saldrán un total pequeño pero no despreciable.
En mantenimiento y reparaciones nos referimos a los gastos necesarios para mantener la maquinaria en perfectas condiciones de funcionamiento. Al clasificar estos gastos se advierte una vez mas que el mayor porcentaje corresponde a la sala de calderas. Una dirección vigilante y un trabajo cuidadoso evitara que estos gastos aumenten indebidamente.
También hay que tomar en consideración el abastecimiento para los aportes de alimentación del ciclo del agua. Cuando el agua de alimentación sea dura habrá que añadir la instalación depuradora para mejorar las condiciones. En todos los casos son esenciales los evaporadores que producen agua destilada pura para introducir en el sistema de alimentación al condensarse en alguno de los calentadores.
Resumiendo, antes de comenzar con el proyecto real de la central debe quedar establecida la economía del balance térmico para partir de cifras básicas. Este balance térmico nos da los datos necesarios para la selección de los tamaños de tuberías, calentadores y evaporadores, y los datos de la caldera obtenidos por separado proporcionan los medios para determinar la potencia de los aparatos auxiliares asociados con la caldera.

Al estimar la economía de generación de una central en proyecto, es necesario establecer previamente un costo razonable  para la construcción de la misma. El ingeniero encargado del proyecto suele disponer de memorias de construcciones ejecutadas para admitir precios acertados de maquinaria  y edificación. El presupuesto depende en gran parte del grado de perfeccionamiento que se persiga en la reducción del régimen térmico(Kcal/Kw/h) y de la presión y temperatura iniciales. Si no se presta cuidadosa atención a la reducción de volumen y planta de la edificación, a medida que se van proyectando las divisiones principales de la central el presupuesto total puede aumentar indebidamente. Donde la excavación sea costosa bien por tratarse de estratos rocosos o porque el terreno flojo de aluvión exige tablestacados y otras medidas de seguridad, se procurara reducir la superficie de planta todo lo posible.
La seguridad de funcionamiento es otro punto importante del proyecto íntimamente relacionado con el presupuesto de la central. Ha quedado demostrado en muchas ocasiones que la central barata acaba costando mas que otra de mayor precio, ya que el querer ahorrar aceptando equipos mas baratos que otros de rendimiento garantizado u omitiendo algunos aparatos necesarios para la debida vigilancia y regulación, conduce generalmente a un servicio poco satisfactorio, que puede manifestarse por un deterioro prematuro del equipo o por excesivos gastos de entretenimiento.

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA



El vapor se produce en una caldera que quema carbón, se expansiona en el cilindro de la maquina y escapa luego a la atmósfera. El agua alimenta en forma continua la caldera para sustituir el vapor producido. Una mejora de los primeros tiempos fue utilizar un condensador para aprovechar el condensado del vapor y el calor residual, bombeando esta agua de nuevo a la caldera.
A través del condensador se hace circular agua procedente de un río, lago, océano, pozo, torre refrigerante u otra fuente importante para dar lugar a la condensación. En la instalación mas sencilla de la bomba que se utiliza para impulsar el agua de alimentación a la caldera venciendo la presión de la misma, es  también una maquina de vapor. Los gases secos del hogar arrastran con sigo una cantidad considerable de calor y reducen la efectividad de la conversión de la energía calorífica del combustible en energía del vapor. En un generador de vapor moderno el agua de alimentación de la caldera se hace pasar primeramente por un economizador llamado así porque ahorra combustible utilizando el calor de los gases de combustión para aumentar la temperatura del agua antes de entrara en la caldera. En general, el economizador es un haz horizontal de tubos de diámetro mas pequeño que la caldera, para lograr así una mejor transmisión de calor, y se sitúa en el camino de los gases de combustión después de que estos abandonan la caldera.

Para seguir enfriando los gases de combustión se añade con frecuencia un calentador de aire. Puede ser de tipo tubular o regenerador. Tanto el economizador como el calentador de aire aumentan la resistencia a ala circulación de los gases a través de la caldera por lo que se requiere disponer de un ventilador para vencer dicha resistencia y ayudar al tiro de la chimenea. Este ventilador se denomina ventilador de tiro introducido y puede ser accionado por un motor o una turbina de vapor. La resistencia que constituye el calentador de aire y el equipo del hogar hacen necesario un segundo ventilador denominado ventilador de tiro forzado, para impulsar el aire de combustible al hogar. La alimentación del agua de la caldera debe regularse de manera que la cantidad que penetre en la caldera sea igual a la cantidad de vapor producido, lo cual exige un regulador del agua de alimentación.
Como el vapor producido por la caldera tendría una temperatura baja si solo se produjera vapor saturado, se instala un recalentador para recalentar el vapor producido utilizando para ello el calor de la combustión. De esta forma pueden obtenerse en calderas modernas temperaturas de vapor de 566 a 593°C.

En algunas calderas de gran capacidad  puede instalarse además un segundo recalentador. El hogar o la parte de la caldera moderna en la que tiene lugar la combustión puede tener paredes refrigeradas por aire o mas comúnmente paredes refrigeradas por agua. La circulación en la caldera se logra disponiendo adecuadamente los tubos de descenso o alimentación y los tubos ascendentes que son tubos del hogar. La caldera se aísla con bloques refractarios dispuestos en varias capas y se acaba mediante muretes de ladrillo, plástico o acero. De esta forma la caldera moderna a visto aumentado su rendimiento desde que empezó hasta alcanzar el 85 al 90% con producciones que alcanzan los 542.000 Kg.(vapor)/h.
En la caldera se pueden quemar gran diversidad de combustibles. Con combustibles gaseosos son necesarios mecheros de gas. Con combustibles sólidos se emplean alimentadores de diverso tipo o pulverizadores. Con hogar de alimentación automática se requiere que el combustible tenga un tamaño de terminado y este se quema parcialmente en suspensión(alimentador de lanzamiento) o bien extendido sobre una parrilla(parrilla móvil) en la cámara de combustión. Cuando se utiliza carbón pulverizado, el carbón se muele primeramente hasta formar un polvo en el molino pulverizador y después se impulsa con aire a presión en el hogar quemándose en suspensión.
Los combustibles sólidos requieren un equipo considerable para su manipulación, tales como descargadores de barcazas o bien vagones tolva para carbón transportado por ferrocarril, trituradores y quebrantadores para dar el tamaño deseado al carbón y un extenso sistema de transporte de cinta para llevar el carbón a las carboneras sobre los molinos pulverizadores o para almacenaje. También se necesita maquinaria bajo la forma de tractores, vagonetas universales, vagones, cucharas de arrastre, etc., para transportar el carbón almacenado y para llevarlo a la caldera.

Los combustibles gaseosos y líquidos no necesitan un equipo para manejo de las cenizas como es el caso de los combustibles sólidos. Estos últimos exigen la eliminación de la ceniza. La ceniza puede eliminarse bien en estado seco o en estado liquido.
Se necesitan varias bombas como auxiliares de una instalación de calderas siendo la principal la bomba de alimentación de la caldera que ha de suministrar el agua a la caldera de acuerdo con lo requerido por la producción de vapor exigida por la carga. El agua necesaria para humedecer la ceniza es suministrada por una bomba de agua para ceniza que la toma del río o de algún lago. El agua de refrigeración de cojinetes se suministra por bombas de servicio. Se utilizan bombas para agua de pozo, para agua potable, agua de usos sanitarios y algunas veces para agua de refrigeración de cojinetes. Las bombas de agua depurada se utilizan para eliminar el agua que ha sido depurada o filtrada y suministrar esta agua para ser utilizada en la central. Las bombas de agua residuales eliminan el agua de fuga y la bombean nuevamente al lago o río.

La turbina de vapor puede aumentar su rendimiento de diversas formas:

La presión de vapor y su temperatura pueden aumentarse hasta un limite fijado únicamente por la metalurgia moderna. El vacío en el condensador puede reducirse hasta 730 a 750 mm./Hg mediante un equipo de vacío adecuado. Asimismo puede extraerse vapor de la turbina en diversos puntos para obtener el vapor necesario para precalentar el condensado del condensador. El condensado del condensador de la turbina es bombeado a través de estos calentadores de agua de alimentación dispuestos en serie hasta que alcanza el economizador y la caldera. El rendimiento de la turbina de vapor puede mejorarse en un 10 a 15% mediante diversos escalones de extracción.

DISPOSICIÓN GENERAL DE LA CENTRAL



TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA



En la central termoeléctrica se obtiene la producción de energía eléctrica partiendo de la energía térmica del combustible. Esta transformación de energía se efectúa en cuatro etapas:

1. Transformación de energía latente del combustible en calor.
2. Transformación del calor en energía potencial del vapor.
3. Transformación de la energía potencial del vapor en energía mecánica.
4. Transformación de la energía mecánica en energía eléctrica.

Las dos primeras transformaciones se realizan en la sala de calderas, donde la combustión del carbón o fuel-oil produce gases calientes que hacen evaporar el agua, mientras que las dos últimas transformaciones ocurren en la sala de máquinas y precisamente el calor se expansiona en la turbina que acciona el alternador.
En la central típica se distinguen siempre cinco circuitos, cuya combustión permite la transformación de energía térmica del combustible en la energía eléctrica. Estos circuitos son:

1. Circuito del combustible.
2. Circuito del aire de combustión.
3. Circuito del vapor.
4. Circuito del agua de refrigeración.
5. Circuito de la energía eléctrica.


1. CIRCUITO DEL COMBUSTIBLE



Este circuito difiere sobre todo en su primera parte según el tipo de combustible utilizado, carbón, fuel-oil, gas, etc. Consideramos ahora una central como combustible de carbón pulverizado.

TRANSPORTE DEL COMBUSTIBLE:



El carbón es descargado en la inmediata cercanía de la sala de calderas. Luego el carbón es secado y llevado sobre cintas transportadoras hasta la casa de trituración, donde una máquina trituradora reduce las dimensiones de los trozos demasiado grandes.
Para eliminar los trozos de hierro que generalmente se mezclan con el carbón durante la extracción y el transporte, el carbón pasa por un separador magnético.
Un sistema de cintas transportadoras lleva el combustible hasta una tolva, ubicada delante de la caldera . Su capacidad es dimensionada de modo de poder alimentar la caldera durante unas horas a plena carga.

PULVERIZACIÓN:



Antes de introducirlo en la caldera, se somete el carbón al procesamiento de pulverización, con lo cual se mejora su combustión y se aumenta el rendimiento de la caldera.

COMBUSTIÓN:



Del molino pulverizador el carbón reducido a polvo muy fino fluye a los quemadores ubicados en los cuatro rincones o en frente de la caldera.

TRANSPORTE DE LA CENIZA:



La ceniza cae en la parte inferior de la cámara de combustión, que tiene la forma de embudo, y de ahí deriva a zanjas, donde una corriente de agua la arrastra a un pozo.

2. CIRCUITO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN



El aire de combustión es enviado al hogar de las caldera por medio del ventilador de tiro forzado a través del precalentador de aire que tiene por objeto calentar el aire aprovechando parte del calor que contienen los gases entes de pasar a la chimenea.
Una parte de este aire primario, sirve para secar el carbón en el molino y para la inyección del carbón pulverizado en la cámara de combustión, mientras que la parte restante del aire, llamado aire secundario, se suministra alrededor de los quemadores para lograr un contacto íntimo con las partículas del carbón. Así, se obtiene una combustión rápida y una menor cantidad de productos no quemados.

3. CIRCUITO DEL VAPOR



En la central de condensación ( ver siguiente figura), el vapor descargado por la turbina y, es condensado en el condensador a superficie e, por medio del agua de circulación. El condensado es aspirado por la bomba de extracción b y conducido al desgasificador q después de haber sido calentado en el precalentador t. Del tanque q el condensado fluye ala bomba de alimentación p que manda el agua a la caldera g. El agua de alimentación evapora en la caldera y el vapor producido vuelve a la turbina y, completando así el circuito cerrado del agua de alimentación.

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4. CIRCUITO DEL AGUA DE CIRCULACIÓN



La refrigeración de los condensadores exige una cantidad considerable de agua fría. En la instalación ilustrada anteriormente, la refrigeración de condensador c,se efectúa en circuito cerrado. El agua de circulación, que se calienta en el condensador c condensando el vapor descargado por la turbina y, es enfriada a su ves en la torre de refrigeración z y luego impulsada por la bomba de circulación d.


5. CIRCUITO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA



El alternador accionado por la turbina, produce la energía eléctrica y la envía por medio de los cables de conexión al transformador elevador h instalado en la casa de alta tensión. Después de la elevación de la tensión la energía eléctrica es enviada desde la barras ómnibus a los centros de consumo atraves de los cables alimentadores o bien por medio de líneas aéreas i.

FLUJO DE ENERGÍA



Como en cualquier otra fabricación, así también en la fábrica de electricidad, conviene que el flujo de energía entre los varios escalones de transformación se desarrolle por el camino más corto, y en lo posible directo. El orden natural de las distintas partes de la central a vapor con combustión de carbón pulverizado será como se lo describe a continuación:

1. Parque de carbón.
2. Casa de trituración.
3. Sala de calderas.
4. Casa de auxiliares.
5. Sala de máquinas.
6. Transformadores.
7. Estación de alta tensión.


DISPOSICIÓN DE LAS CALDERAS Y TURBINAS.


La distribución constructiva de las centrales modernas es diversa, pero en general el centro del esquema se encuentra en la disposición de las calderas y de los grupos generadores. Poco tiempo después de la acertada introducción de la turbina de vapor, la potencia de esta maquina aumento rápidamente, mientras que la potencia de las calderas continuaba siendo relativamente pequeña. Por consiguiente, en las centrales se necesitaban desde 5 a 20 calderas para servir a una sola turbina. Las calderas se disponían por lo general, en largas alienaciones perpendiculares a la pared divisoria de la sala de turbinas con espacio para los antehogares de cada dos calderas entre las mismas.
Solo en los grandes sistemas con buenas interconexiones eléctricas puede aceptarse el plan de una caldera por turbina. En las centrales aisladas es aconsejable prever una reserva de potencia para casos de emergencia.
Encontraremos fundamentalmente dos disposiciones, las cuales son:

DISPOSICIÓN EN PARALELO:

en donde la sala de calderas es paralela a la de máquinas

DISPOSICIÓN EN T:

cuando el número de calderas por turbinas es grande, la central tiene disposición en T, o sea el eje de la sala de máquinas es perpendicular al de la sala de calderas.

NÚMERO DE CALDERAS POR TURBINA.



La disposición general de  la central es notablemente influenciada por el número de calderas que alimentan la turbina. Este número depende de las condiciones de explotación, del diagrama de carga y del factor de reserva de la central. En la siguiente figura se ilustra como el número de calderas por turbina determina la forma de la planta de la central. Se ha ensayado clasificar las plantas de instalaciones existentes según el número de calderas por turbina.

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empleo corriente la disposición en paralelo.
Las turbinas pueden ser ubicadas  transversalmente , paralelas entre sí. La segunda solución es la disposición de las turbinas en fila india
La disposición en T nunca se usó con una caldera por turbina. Mientras que el empleo de dos filas, está limitado a centrales con generadores de vapor particularmente anchos. Cuando se eligen dos calderas por turbina, la producción de vapor está dimensionada a menudo de manera que estando una caldera fuera de servicio, tres calderas puedan generar todo el vapor preciso para la carga máxima de las dos máquinas.
A veces con una caldera por turbina, se puede montar una caldera adicional que entre en servicio en caso de emergencia o de reparación de las demás. Otra solución consiste en la instalación de tres calderas para la alimentación de dos turbinas. El problema de la elección del número de calderas por turbina depende de la confianza que se tenga en su seguridad de explotación. Actualmente se puede acatar plenamente la responsabilidad de elegir un número ideal de calderas y turbinas. por lo demás, el número de calderas depende de la calidad del combustible y del tipo de combustión.

SALA DE CALDERAS



Como se ha menciona do las calderas se pueden dispone r en una o dos filas. En el primer caso la caldera se puede colocar en el piso de maniobra alumbrado por la luz del día, por estar ubicado en el lado exterior de la central, o bien se adopta la disposición contraria con el piso de maniobra alumbrado artificialmente y ubicado entrela caldera y la sala de auxiliares. Las calderas en dos filas se instalan se instalan siempre con el piso de maniobra en el centro, alumbrado artificialmente.
El volumen y la superficie de la sala de calderas son muy variables, tienen la tendencia a disminuir al crecer la producción unitaria de vapor. El volumen específico de la sala de calderas con una producción unitaria mayor de 100 t/h varía de 50 a 150 m3  por t/h, mientras que su superficie específica está comprendida entre  1 y 4 m2 por t/h.

Las dimensiones de la sala de calderas estarán dados en función de los siguientes factores:

1. Volumen de las tolvas de carbón.
2. Necesidad de dispones de un espacio suficiente para sustituir los tubos de la caldera, del sobrecalentador, del economizador y de las chapas o los tubos del precalentador de aire.
3. Necesidad de  disponer de un espacio conveniente para los tableros de medición y regulación, y para las resistencias rotóricas de los ventiladores.
4. Disposición de las escaleras y del ascensor del edificio, y ubicación e las plataformas y pasarelas alrededor de las calderas para el acceso de las puertas de inspección y para la maniobra de los sopladores de hollín. entre dos calderas se deja un espacio  más o menos igual al ancho de una de ellas.


SALA DE BOMBAS



Las máquinas auxiliares como bombas de alimentación, elevadores, precalentadores y desgasificadores se pueden instalar de varios modos según la siguiente figura.

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La disposición más generalizada es la ubicación de la sala de bombas b entre la da calderas a y la de máquinas c. Así las bombas y los precalentadores se pueden colocar con facilidad en el circuito de agua  y vapor, de manera que se logran notables ventajas de explotación  con gastos de instalación relativamente bajos.

SALA DE MÁQUINAS



Las turbinas se dispones por lo general en una fila con los ejes paralelos entre sí, o bien en fila india. La primer disposición es la de mayor empleo, tiene la ventaja de un menor largo de  sala, lo que interesa cuando se trata de numerosa máquinas, para reducir  el recorrido de una a otra extremidad de la sala. En cuanto a la segunda disposición, tiene la ventaja de un menor ancho de la sala y un menor costo de la grúa. Además siendo menor el largo de la grúa resulta  menor aún su altura y entonces es menor la elevación de la sala.
La disposición longitudinal de las turbinas según la figura que se encuentra a continuación tiene la ventaja de una menor ancho de la sala y de un menor casto de grúa. Además siendo menor el largo de la grúa resulta menor aún su altura y entonces es menor la elevación de la sala.
Las dimensiones de la sala de máquinas deben ser tales que permitan el desmontaje del rotor del alternador y la sustitución de los tubos del condensador. La superficie de la sala de máquinas depende de la potencia unitaria y de la velocidad de rotación de las turbinas. De la siguiente figura se desprende que al crecer la potencia unitaria de 20 a 120 Mw disminuye su superficie específica ocupada de 25 a 8  . La altura de la sala se fija de modo de poder desmontar y transportar la piezas más voluminosas.
En la sala de máquinas siempre hay que instalar un puente grúa, el cual debe tener la capacidad suficiente para levantar el estator del alternador, que es la pieza más pesada
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CENTRAL UNITARIA



En la central unitaria, llamada también central de secciones, la caldera, la turbina el alternador y el transformador constituyen una unidad completamente separada de las otras. La central está constituida, efectivamente, por varias centrales iguales independientes la una de la otra. A veces hay uno o dos colectores simples que conectan entre sí la máquinas de dos grupos vecinos.
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CICLO TÉRMICO



La instalación de una turbina de vapor requiere , necesariamente , la colocación de una caldera o generador G , donde el agua comprimida que le envía una bomba B se transforma en vapor. A este vapor, antes de ser utilizado por la máquina, se lo hace pasar por un recalentador R,en donde aumenta su temperatura manteniendo su presión constante.
Al vapor así recalentado se lo hace pasar por el conjunto tobera o distribuidor-turbina T , donde se desarrolla el proceso energético descrito anteriormente. El vapor se escapa de la turbina podrá pasar por un condensador C , donde , después de recuperar su estado líquido , volverá a ser aspirado  por la bomba para cumplir una nueva evolución o escapará libremente al exterior.
En el primer caso tendremos una instalación en circuito cerrado y en el segundo caso una instalación en circuito abierto.
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TRABAJO DEL VAPOR:



Resulta imposible obtener por medio de un indicador o de algún otro aparato, un diagrama termodinámico de la evolución que realiza el vapor en la instalación. No obstante , consideremos nosotros un ciclo de referencia , que no va a ser el ciclo de la turbinas en sí, sino que será un ciclo al cual se podrá referir las diversas transformaciones que experimentan el vapor . Este ciclo  es el ciclo de Rankine con expansión total , ya que en estas máquinas desaparece la limitación a la expansión que se le impone y caracteriza a la máquina alternativas de vapor. AB representan la vaporización del agua en la caldera. Se trata de una transformación isobárica  o sea a presión constante .BC es el recalentamiento del vapor en el recalentador .Este recalentamiento , en forma también isobárica , produce un incremento de la temperatura del vapor, es decir , un aumento de la energía interna del mismo. En el recalentador , el vapor deja de ser saturado para convertirse en recalentado, con el objeto de impedir la condensación del mismo dentro de la turbina , al mismo tiempo que la suministra mayor capacidad energética.
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CD representa la expansión adiabática en el conjunto de toberas-turbina .Durante esta evolución , el vapor se transforma su energía cinética en mecánica haciendo girar el eje de la turbina. La expansión se produce en forma total, hasta que la presión del vapor iguale a la presión exterior.
DE es la condensación del vapor en el condensador. Se trata también de una evolución isobárica, en el cual, a causa de la pérdida de temperatura que experimenta el vapor, se produce una disminución de su volumen.
En el caso de tratarse de una turbinas de circuito abierto , la evolución DE representará el enfriamiento del vapor en la atmósfera.
EA es el aumento de presión de presión o compresión que sufre el agua por medio de la bomba, hasta adquirir la presión de inyección a la caldera .Por ser el agua un fluido incompresible , esta evolución a la caldera se realiza a volumen constante , vale decir, se trata de una trasformación isométrica.
La expansión del vapor se realiza en la tobera o en el distribuidor, los que son nada más que conductos, en los cuales, al expandirse el vapor, se consigue que éste pase de un recinto a otro de menor presión.
Como la expansión en forma adiabática durante el paso por la tobera, el vapor no cede ni recibe calor , y la fuerza adquirida por el flujo determina su salida a gran velocidad.
Si se designa con T al trabajo realizado por el vapor , el cual está representado por la superficie del ciclo de referencia medida en ciertas escala y se supone que la masa de vapor que evoluciona es igual a un kilogramo, se podrá escribir que la masa de ese kilogramo de vapor será:   102427.gif donde g es la aceleración de la gravedad y P el peso del vapor.
Como el trabajo desarrollado será igual a la energía cinética que adquiere ese kilogramo de vapor a la salida de la turbina, podrá escribirse: 102428.gif donde c representa la velocidad de salida del vapor por la tobera.
De la fórmula , se deduce que : 102429.gif

El valor de c adquirido por el vapor a la salida de la tobera, puede ser superior a los 1300 m/seg.
Del diagrama se observa que, cuando mayor sea el grado de recalentamiento que se le da al vapor, mayor resultará ser el área del ciclo de referencia y mayor , por consiguiente , el vapor de la velocidad c , ya que al aumentarse el grado de recalentamiento , el comienzo de la expansión se desplaza hacia la derecha.
En forma análoga a lo que se hizo con la máquina alternativa de vapor, puede también representarse en el diagrama entrópico la evolución que sufre el vapor en las diversas partes de la instalación de una turbina.
En el gráfico se tiene:

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AB: Aumento de presión en la bomba y calentamiento del agua en estado líquido , en el interior de la caldera.

BC: Vaporización del agua dentro de la caldera. Mientras dura esta evolución la temperatura permanece constante . En esta etapa , el agua se transforma en vapor saturado.
CC´ : recalentamiento del vapor , conservando su presión constante. El aumento de temperatura , transforma al vapor saturado en vapor recalentado
C´D : Expansión del vapor y transformación potencial-cinética-mecánica de su energía , la que es recogida en última instancia por el eje motor. Esta evolución se realiza en el  conjunto tobera-turbina.
DA : Condensación del vapor y transformación del mismo estado líquido nuevamente. Esta evolución
Según la dirección del movimiento del vapor, las turbinas a vapor se dividen en turbinas axiales y en turbinas radiales. A su vez las turbinas radiales se subdividen en turbinas mono-rotatorias, y en turbinas birotatorias.

El circuito de agua de alimentación en su transformación de agua a vapor y de vapor a agua evoluciona según el ciclo teórico de Rankine. Este ciclo está representado en fa figura A, en donde la temperatura absoluta ” T ” es función de la entropía ” S “, y en la figura B, donde tenemos un sistema en donde se representa la entalpía ” i ” en función de la entropía ” S “.
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El tramo AB en las figuras, indica la expansión de vapor sobrecalentado en turbina desde la presión p1 y temperatura t1 hasta la presión p2 existente en el condensador. La expansión es teóricamente adiabática y por lo tanto la representa una recta AB paralela al eje  de las ordenadas. La condensación del vapor en el condensador, a presión y temperatura constante, está indicada por el tramo BC, el cual es paralelo al eje de las abscisas y corresponde a la temperatura absoluta  , donde t2 es la temperatura de saturación en ºC correspondiente a la presión p2. En cambio, la condensación está indicada por el tramo BC de la isobara p2, que es una recta inclinada. El punto C se encuentra en ambas figuras sobre la curva límite inferior x = O, siendo x el título del vapor húmedo.
Sigue la compresión adiabática del agua mediante la bomba de alimentación desde p2 hasta p1, tramo CD. En la caldera se efectua luego el calentamiento DE del agua a la presión constante p1 hasta la temperatura ts de vaporización correspondiente a la presión p1. Tratándose de líquidos prácticamente incompresibles, como lo es el agua, el aumento de temperatura CD durante la compresión adiabática en la bomba de alimentación es  muy pequeño. Por lo tanto, la isobara DE se aparta muy poco de tramo CE de la curva límite inferior x = O.
En los tubos hervidores de la caldera el agua evapora a presión constante p1 y a la temperatura constante ts, Tramo EF, hasta alcanzar el punta F sobre la curva límite superior        x = 1.
Por fin, el vapor saturado es conducido al sobre calentador, donde es sobrecalentado a presión constante hasta la temperatura t1, Tramo FA, completando así en ciclo de Rankine.

CICLO TÉRMICO MEJORADO



El ciclo térmico efectivo difiere del ciclo teórico ABCDEF recién ilustrado, por los siguientes motivos:

1. El sobrecalentamiento del vapor no es isobárico, como era indicado en el tramo FA, sino que se realiza a presión decreciente por el efecto de la caída da presión del sobrecalentamos.
2. La cañería que conecta la caldera con la turbina, se encuentra otra caída de presión producida por el movimiento del vapor. Además hay una disminución de temperatura por efecto de la transmisión de calor de la cañería.
3. El pasaje por la válvula de admisión de la turbina de vapor es laminado, quedando constante su entalpía.
4. Las pérdidas electrodinámicas de la turbina provocan una expansión con entropía creciente, segmento A1, mientras que el segmento AB representa la caída adiabática correspondiente a la expansión teórica.
5. La temperatura del condensado a la salida del condensador, punto C, puede ser ligeramente inferior a la temperatura de saturación correspondiente a la presión p2 en el condensador.
6. También la compresión de la bomba de alimentación es a entropía creciente.
7. Por fin hay las pérdidas de vapor en los prensaestopas y las pérdidas por transmisión de calor.

RENDIMIENTO DEL CICLO TÉRMICO



El rendimiento de ciclo de Rankine, está ndicado por la relación  . La primer superficie es igual al calor utilizado en el ciclo o sea es igual al calor transformado en energía mecánica durante la expansión del vapor en la turbina, de segmento AB. La segunda superficie AGHDEF representa el calor recibido por el ciclo durante  el calentamiento y la evaporación del agua desde  el punto D hasta la salida del sobrecalentador, punto A. Se obtiene   , siendo iA, iB, iC la entalpía de los puntos A, B, C. El factor  i es el trabajo de compresión de la bomba de alimentación y vale   por ser A el equivalente térmico del trabajo o sea 1/80 kcal/kgr,  B el rendimiento de da bomba de alimentación, v el volumen específico del agua y p su presión. Por ser l agua poco compresible, se puede poner como buena aproximación.  , siendo  p la presión en la bomba.
Puesto que el trabajo de compresión es despreciable para las plantas de baja presión, en la práctica industrial se calcula el rendimiento del ciclo según la fórmula aproximada  .

MÉTODOS PARA AUMENTAR EL RENDIMIENTO



Existen seis posibilidades para aumentar el rendimiento del ciclo de Rankine. Estas son:

-  Disminuir la presión p2 en el condensador
-  Aumentar la presión p1 en la caldera
-  Aumentar la temperatura t1 del vapor sobrecalentado a la salida del sobrecalentador
-  Regeneración
-  Sobrecalentamiento intermedio
-  Ciclo binario

-  PRESIÓN EN EL CONDENSADOR



Al disminuir la presión p2 en el condensador, disminuye notablemente la entalpía iB del vapor saturado a la entrada del condensador. Contemporáneamente disminuye ligeramente la entalpía del condensado iC a la entrada de la caldera por efecto de la menor temperatura t2 del condensado. Siendo menor la presión p2 en el condensador, es ligeramente mayor el trabajo de compresión  y de la bomba de alimentación. La combinación de los tres efecto hace aumentar el rendimiento del ciclo de Rankie, como se desprende de la ecuación ya mencionada  .
Durante muchos años el grado de vacío alcanzado en los condensadores de mezcla varia entre 85 y 90 %  correspondiente a una contra presión  de 0.15-0.10 ata. Los perfeccionamientos  ulteriores, tales como el empleo de condensadores a superficie y los modernos inyectores de vapor, han permitido obtener en instalaciones modernas un grado de vacío hasta 98 % o sea una presión de 0.02 ata en el condensador.

-  PRESIÓN DEL VAPOR VIVO



La siguiente figura indica el aumento de rendimiento térmico obtenible según Bauman incrementando la presión  del vapor vivo. El rendimiento del ciclo de Rankine aumenta primeramente en modo muy rápido, después en forma más lenta y pasa por un máximo correspondiente a 100 ata, curva b, para decrecer luego. La curva b se refiere al ciclo originario de Rankine, como se indica en la figura.
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Independientemente de la pendiente de la curva de rendimiento térmico indicada por la anterior figura, la presión máxima del vapor vivo que conviene elegir, está limitada por la humedad del vapor saturado en los últimos escalones de la turbina. Una gran humedad del vapor ocasiona un desgaste rápido de los álabes de baja presión de la turbina por efecto de las gotitas de agua contenidas en el vapor que chocan con una gran velocidad contra las paletas.
El desgaste va aumentando del centro a la periferia de la rueda y es máximo en el punto, donde se concentra la mayor cantidad de gotitas de agua.
Naturalmente la erosión de los álabes de escape hace disminuir el rendimiento termodinámico de la turbina y pone en peligro su funcionamiento, ya que los álabes debilitados pueden romperse. En consecuencia, las características del vapor vivo deben ser tales, que la humedad del vapor no supere el 12-14 %.
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En la figura la curva ” a ” indica los valores de la presión y temperatura del vapor vivo necesario para obtener una humedad u=12,5 %, en la descarga que se efectúa en una presión de 0,034 ata. Si el punto correspondiente a determinadas características del vapor vivo se encuentra a la izquierda de la curva ” a “, la humedad final es mayor de 12,5 %. Una presión superior al correspondiente  valor límite para una determinada temperatura de sobrecalentamiento puede ser permitida sólo si en los últimos escalones de la turbina se instalan dispositivos de drenaje que eliminan una parte del agua contenida en el vapor húmedo. En la siguiente figura, la curva “a” indica el aumento del rendimiento alcanzable incrementando la presión del vapor vivo cuando no se considera la energía necesaria para el accionamiento de los auxiliares de la fábrica de electricidad. Si por lo contrario se toma en cuenta esta energía, resulta una aumento del rendimiento menor, curva ” b “, ya que al crecer la presión del vapor vivo, aumenta también la energía requerida para el accionamiento de la bomba de alimentación.

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. Aumentando la presión de 40 a 140 ate, el consumo interno de una central con refrigeración con circuito abierto crece en un 2,4 % de 4,2 % a 6,65 con una temperatura de vapor vivo de 430ºC y en un 2,0 % de 3,9 a 5,9 % como una temperatura de 510ºC.
La ventaja presentada por el empleo de las altas presiones es también una función de la presión en el condensador. El aumento de rendimiento crece al disminuir la presión en el condensador.
Frente al aumento de rendimiento del ciclo de Rankine obtenible con el rendimiento de la presión, está la pequeña disminución de rendimiento interno de la turbina. Doblando la presión del vapor vivo disminuye el rendimiento interno en un 1 %, ya que el largo de los álabes disminuye en la parte de alta presión. Quedando constante el valor absoluto del huelgo entre paletas y carnaza por depender de la velocidad periférica y no de la longitud de los álabes, aumenta el vapor relativo del huelgo y entonces, la cantidad del vapor que huya por el huelgo sin trabajar.


-  TEMPERATURA DEL VAPOR VIVO



Otra solución para alcanzar un aumento del rendimiento térmico consiste en el incremento de la temperatura de sobrecalentamiento que hace disminuir la humedad del vapor de escape en la turbina a condensación. La elección de un elevado valor para la temperatura del vapor vivo tiene también la ventaja de hacer incrementar el rendimiento térmico en un grado mayor que con un correspondiente aumento de presión.

-  REGENERACIÓN



El rendimiento térmico de una central a vapor puede ser aumentado notablemente, empleando un ciclo a regeneración. En este ciclo la mayor parte del vapor fluye por toda la turbina B, figura, y llega al condensador d, mientras que la fracción restante es extraída de una toma intermedia de una máquina y empleada para precalentar el agua de alimentación en el intercambiador de calor f antes de enviarla a la caldera a. En este caso el  precalentador  funciona contemporáneamente aun como desgasificador del agua de alimentación, reduciendo el tenor de oxígeno hasta 102435.gif
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En la práctica la regeneración ha sido efectuada con 1 hasta 8 extracciones de vapor. La figura siguiente ilustra el circuito térmico de una central con dos extracciones. Se trata del esquema simplificado de la central Puerto Nuevo. Donde la bomba de extracción e envía el condensado a través de los precalentadores o, el tanque n sirve para almacenar el condensado y compensar las diferencias de caudal de las bombas de extracción e y de alimentación h.

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Del tanque n el condensado fluye por gravedad a la bomba de alimentación h que envía el agua a la caldera a haciéndola pasar por el precalentador de alta presión m. La primera toma de vapor alimenta el precalentador m y el evaporador q. Este último produce el agua suplementaria para compensar la pérdidas de agua y vapor que se producen inevitablemente en cada circuito térmico en cantidad más o menos grande ( desagüe de la caldera, soplido de las válvulas de seguridad, fuga de los prensa estopas de la turbina. el vapor producido por el evaporador q está condensado en el condensador p del evaporador precalentando el agua de alimentación. El vapor de la segunda toma abastece al pecalentador de baja presión o.

También se debe tener en cuenta que la regeneración provoca las siguientes pérdidas:

1. Pérdidas por irradiación de los precalentadores y sus cañerías.
2. Mayor consumo de los servicios auxiliares.
3. Pérdida por caída de presión en los precalentadores y en las cañerías de conexión.
4. Pérdida por diferencia entre la temperatura del vapor de extracción y la temperatura de precalentamiento del agua de alimentación.
5. Pérdida por extracción de vapor sin regulación.


-  Sobrecalentamiento intermedio



Se puede reducir el consumo térmico específico de las centrales a vapor empleando el sobrecalentamiento intermedio, llamado también resobrecalentamiento. En el cuerpo de alta presión m de la turbina, figura 5/1, el vapor vivo se expansiona de la presión p1 hasta la presión ps y pasa al sobrecalentador intermedio p, donde está nuevamente sobrecalentado hasta una temperatura ts que puede ser igual o algo inferior  a la temperatura t1 del vapor vivo. La expansión continúa pues en los cuerpos de media presión n y de baja presión o. La otra parte del circuito queda igual a la de una instalación sin sobrecalentamiento intermedio.

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El ciclo de Rankine correspondiente está indicado en la figura. El tramo AB representa la expansión en el cuerpo de alta presión, BC el sobrecalentamiento intermedio y CD la expansión en los cuerpos de media y baja presión. Las otras fases del ciclo desde la salida del cuerpo de baja presión, punto D, a través del condensador y de la caldera hasta la entrada en la turbina, punto A, resultan idénticos a las correspondientes fases del ciclo sin sobrecalentamiento intermedio.

Para efectuar el resobrecalentamiento  se pueden emplear cuatro métodos:

1. Resobrecalentamiento en caldera aprovechando el calor de los gases del hogar.
2. Resobrecalentamiento con vapor vivo.
3. Combinación de los dos métodos anteriores.
4. Resobrecalentamiento en una caldera especial.

VENTAJAS E INCONVENIENTES



Con el sobrecalentamiento intermedio se consiguen las siguientes ventajas:

1. Aumento del rendimiento del ciclo de Rankine.
2. Disminución de la humedad del vapor.
3. Reducción del caudal del vapor.

Frente a las anteriores ventajas hay que considerar las siguientes desventajas:

1. Mayor longitud de la turbina.
2. Mayor costo de la turbina.
3. Costo adicional para el sobrecalentador intermedio y las cañerías de conexión con la turbina.
4. Caída de presión en el sobrecalentador intermedio y en sus cañerías de conexión.

-  CICLOS BINARIOS



En el ciclo a vapor de agua, el calor de condensación del vapor no es solamente pérdida, si hay que gastar energía para hacer circular agua refrigerante por en condensador a fin de sacar este calor al vapor y hacerlo condensar. El calor entregado al agua está calentado solo hasta 25-35º C.
El calor de condensación podría ser utilizado, si se empleara en lugar del agua otro fluido, cuya tensión de vapor fuera pequeña a elevadas temperaturas. En tal caso el calor sustraído al fluido superior durante su condensación podría ser utilizado para hacer evaporar el fluido inferior. Como fluido superior puede ser usado el mercurio, que tiene una temperatura d 250º C a una presión de condensación de 0,1 ata, mientras que el vapor de agua tiene una temperatura de saturación de 45ºC a la misma presión.

Circuito térmico



Según la siguiente figura el mercurio es calentado y evaporado en la caldera a. El vapor de mercurio saturado sufre la expansión en la turbina a vapor de mercurio b. Luego pasa al condensador c, donde se condensa y mediante la bomba d es comprimido, y finalmente enviado a la caldera a.
El mercurio cuando se encuentra en el condensador c, el calor que cede durante su condensación es transmitido al agua, haciéndola evaporar. El vapor de agua saturado es sobrecalentado por el sobrecalentador e instalado en la caldera de vapor de mercurio y calentado entonces por los mismos humos. A continuación, el vapor de agua sobrecalentado pasa por la turbina de vapor de agua f, expandiéndose. El vapor descargado por la turbina a vapor de agua f pasa por un condensador normal g, refrigerado por agua de circulación, llevado finalmente por medio de la bomba h al condensador de vapor de mercurio c.

RENDIMIENTO



El sobrecalentamiento del vapor de mercurio no llevaría más que un aumento muy pequeño de rendimiento en contraposición con el ciclo a vapor de agua, donde el sobrecalentamiento es absolutamente necesario para obtener un elevado rendimiento.
Se requiere poca potencia para mantener el vacío en el condensador de mercurio, por ser la entrada de aire reducida y la presión absoluta relativamente alta ( al rededor de 0,13 ata ).
Es evidente que siendo recuperado el calor de condensación del vapor de mercurio , l rendimiento térmico del ciclo binario en muy elevado. En efecto, el consumo térmico de las centrales a vapor de mercurio construidas en Norteamérica y Rusia, ha sido el más bajo hasta ahora registrado en una central a vapor.

Sin embargo, el empleo del ciclo a vapor de mercurio presenta varias dificultades, de carácter económicas sobre todo:

1. A causa de su elevado peso específico, es muy elevada la cantidad de mercurio por Kw instalado.
2. El costo de instalación es elevado por ser el mercurio bastante raro y costoso
3. El vapor de mercurio es tóxico. Por lo tanto, se debe poner mucho cuidado para evitar sus fugas.
4. La construcción de las máquinas involucra varias dificultades, ya que la utilización de mercurio a alta temperatura hace necesario recurrir a aceros especiales.


OTROS CICLOS BINARIOS


Para la realización del ciclo binario, además del mercurio fueron propuestas también las siguientes sales alcalinas o alcalinotérreas como fluido superior:

1. Difelino
2. Oxido de difelino
3. Bromuro de aluminio
4. Cloruro de amonio y zinc

Sin embargo, estos fluidos no encontraron, hasta ahora, aplicación práctica.





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