TURBINAS DE VAPOR 1-OBJETIVOS:
-Adquirir conocimientos sobre conceptos sobre turbinas, su funcionamiento y ramas afines. -Conocer la clasificación de los diversos tipos de turbinas y diversas aplicaciones en las cuales se requiere 2- INTRODUCCION:
Las turbinas de vapor y gas se pueden clasificar de varias formas. La primera es de acuerdo a la dirección general del flujo de fluido de trabajo a través de la máquina, es decir en flujo radial y flujo axial. Hoy día la mayor parte de las turbinas están diseñadas para el flujo axial del vapor o gas (no así los compresores), por lo que este capítulo se dedicará principalmente al estudio de turbinas de flujo axial. La turbina de vapor Ljunstrom, usada principalmente en Europa es una turbina de flujo radial. El vapor fluye hacia afuera en dirección radial a través de álabes en rotación. Juegos de álabes alternativos giran en direcciones opuestas, por lo cual son posibles velocidades de vapor relativamente altas, lo que implica buena performance. Se han construido numerosas pequeñas turbinas de flujo radial, sea con flujo del exterior hacia el eje o vice versa. Las turbinas de vapor y gas, a pesar de usar fluídos de trabajo muy diferentes, tienen muchos puntos comunes de diseño, construcción y operación. Las mayores diferencias están en las presiones y temperaturas de trabajo de estas máquinas. Para turbinas a vapor, la temperatura máxima está hoy limitada a unos 540 a 600ºC. En las turbinas de gas en cambio, la temperatura de ingreso de los gases a la turbina es de unos 1000ºC para las de uso industrial y hasta unos 1300ºC para turbinas a gas de uso aeronáutico y alta performance. Las presiones máximas son de unos 35 MPa para turbinas a vapor (350 bar), y entre 4 y 2 MPa para turbinas a gas. El tener altas presiones de admisión requiere una construcción robusta para las turbinas de vapor, en cambio las turbinas de gas son de construcción mas liviana. El desarrollo de la turbina a vapor es el producto de los esfuerzos de muchos investigadores, entre los que destacan cuatro nombres. Durante la década de 1880 G.C.P. de Laval produjo las primeras turbinas a vapor de importancia comercial. Esta era una máquina simple de una etapa, y el diseño básico fue mejorado mejorado por C.G.Curtis y A.C.E.Rateau A.C.E.Rateau (a través través de escalonamientos escalonamientos de velocidad velocidad y de presión respectivamente). respectivamente). Las máquinas anteriores anteriores son todas del tipo acción; C.A.Parsons, C.A.Parsons, trabajando en forma independiente con un enfoque diferente produjo una turbina a reacción exitosa. 3.- MARCO TEORICO
Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la
cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estátor. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estátor también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.
El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes directores. Clasificación
La clasificación más común es la que se hace según la presión del vapor a la salida de la turbina, así se puede hablar de: -Turbinas de contrapresión: cuando el vapor a la salida se encuentra a presión superior a la atmosférica, de forma que puede ser empleado en un proceso industrial. Este tipo de turbinas son las empleadas en sistemas de cabeza, aunque también pueden emplearse en ciclos de cola. Las turbinas de vapor de contrapresión proporcionan el mayor rendimiento térmico global de la instalación y se seleccionarán cuando el vapor sea el principal objetivo del proyecto -Turbinas de condensación: Cuando la presión ala salida es ligeramente superior ala atmosfera atmosférica y por lo tanto el vapor se dirige directamente al condensador. Estas turbinas son las empleadas en ciclos de cola, aprovechando el vapor residual de algún proceso para expansionarlo y producir electricidad. Las turbinas de condensación se seleccionarán cuando se pretenda conseguir la máxima energía mecánica. La necesidad de muchas industrias de disponer de vapor a diferentes niveles de presión, ha obligado al diseño de turbinas en las que se puedan realizar sangrados de vapor a la presión necesaria. Las soluciones más típicas son: -Con extracción. Para realizar la extracción se sitúa una pared que interrumpe el flujo axial del vapor, situándola a la altura prevista para realizar la extracción. Esta solución es la mejor desde el
punto de vista económico, sin embargo, el rendimiento energético global se reduce alrededor de un 2%, respecto de la opción siguiente. - con toma de vapor . se embrida un tubo a la turbina a la altura deseada y con el diámetro calculado. Este sistema se empleará cuando la extracción no sea superior a un 40% del caudal de vapor circulante. En este caso el flujo de vapor a lo largo de la turbina no es interrumpido. Según el rango de potencias se pueden emplear turbinas con una o varias etapas de turbinado: -Turbina de una sola etapa .- son las más habituales en pequeñas potencias (hasta 1,5-2 MW). El salto de entalpía entre la entrada y la salida se realiza en un solo rodete. Técnicamente son las más desarrolladas y mecánicamente las más robustas, por lo que el mantenimiento es sencillo, los costes de inversión son bastante bajos y ofrecen una gran seguridad de servicio. - Turbinas multietapa: El vapor se va expansionando progresivamente en varias etapas. Estas turbinas presentan como ventaja la posibilidad de realizar extracciones o tomas de vapor a presiones intermedias entre la de entrada y salida, así como un mejor rendimiento que las monoetapa. Se colocan a partir de potencias superiores a 2 MW. Otra clasificación se basará en el tipo de expansión del vapor en la, o las, etapas de turbinado, así se podrá distinguir entre: - Etapas de Turbina de acción: cuando la expansión del fluido se realiza únicamente en el estátor. No existiendo variación térmica en los álabes fijos. - Etapas de Turbina de reacción: cuando una parte de la expansión tiene lugar en el estátor y la otra en el rótor. El grado de reacción indicará la parte de la expansión dada en la corona móvil respecto a la total, así se tendrá que para un grado de reacción cero la turbina será de acción, mientras que si su valor es la unidad será de reacción pura. Tipos de Turbinas de Vapor
-Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de más simple construcción son las más robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa. -Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes próxima al valor optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sería necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sería viable mecánicamente por las dimensiones que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la velocidad final del eje a la deseada). Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, además pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presión, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de acción y las finales de reacción. -Turbina de flujo axial: Es el método más utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina.
-Turbina de flujo radial : El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.
-Turbina con extracción de vapor: Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales. -Turbina de contrapresión : La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior. -Turbinas de condensación: El vapor sale aúna presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.
Se denomina grado de reacción a la fracción de la expansión producida en la corona móvil respecto a la total, un grado de reacción 1 índica que la turbina es de reacción pura, mientras que para el valor cero será una turbina de vapor de acción. -Turbina de vapor de acción: Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de:
-Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en energía cinética. -Una corona móvil, fija sobre un eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su disposición. Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a través de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que está unida. Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas. La primera aplicación industrial para una turbina de vapor fue patentada en Suecia por De Laval en 1878 y consistía en una maquina centrifuga desnatadora que revolucionó la producción de leche, impulsada por vapor. El último impulso para la utilización de las turbinas de vapor con fines industriales y comerciales lo dio Charles Algernon Parsons en 1884, con el diseño y construcción de una turbina de vapor de alta velocidad que podía a alcanzar hasta 18.000 rpm. A principios del siglo veinte la mayoría de barcos modernos eran ya equipados con este tipo de motor. Principio de Funcionamiento
La ecuación general de las turbomáquinas fue hallada por Euler y su demostración se encuentra en el artículo de turbomáquinas. La forma para el trabajo por unidad de masa que atraviesa el rotor de las turbomáquinas motoras axiales es:
Donde u es conocida como velocidad periférica y es la velocidad lineal del rotor, c 1 y c2 son las velocidades absolutas del fluido de trabajo antes y después de pasar por el rotor respectivamente, α1 y α2 son los ángulos entre la velocidad absoluta y la velocidad periférica antes y después de pasar por el rotor. Si introducimos el concepto de velocidad relativa , que es la velocidad del fluido respecto al rodete, y definimos el ángulo β como aquél que existe entre la velocidad periférica y podemos reescribir la ecuación anterior, por propiedades del triangulo como:
Ahora escribamos la primera ley de la termodinámica para un balance de energía del fluido de trabajo en su paso por el rotor, suponiendo a éste un proceso adiabático:
Recuerdese que consideramos que L es definido positivo.
Encontramos así que el cambio entálpico es igual al cambio de los cuadrados de la velocidad relativa:
Aplicación de las Turbinas de Vapor en Ciclos de Potencia
La aplicación más importante de la turbina de vapor es la de una máquina térmica que opera como componente de un motor térmico denominado planta de potencia de vapor, donde el fluido de trabajo (agua) describe un ciclo periódicamente, a este ciclo lo llamaremos ciclo de potencia. Los pasos seguidos en el ciclo son los siguientes: 1- El agua (aproximadamente a la temperatura ambiente) es bombeada en estado líquido hasta la caldera. 2.- Una vez en la caldera el calor obtenido por la combustión de un combustible fósil, es aportado al agua, pasando ésta de estado líquido a estado vapor a alta presión. 3.- El vapor se expande en la turbina transformando su energía en trabajo mecánico en un eje. 4.- El vapor saliente es licuado y enfriado hasta la temperatura ambiente en el condensador. Se cumplen así las etapas esenciales de todo ciclo con máquinas térmicas (absorción de calor desde un foco caliente, Q C, producción de trabajo mecánico, W, y cesión de calor a un foco frío, Q F). Puesto que estamos hablando de un ciclo en un sistema cerrado, la aplicación de la ecuación del balance energético, derivada del primer principio de la termodinámica, nos indica que: “el trabajo neto desarrollado es igual al calor neto absorbido”
W = QC- QF
El rendimiento térmico o eficiencia térmica del ciclo se definirá como:
Para que el rendimiento fuera la unidad debería darse que el motor térmico no cediera calor a un foco frío durante la realización de un ciclo. Sin embargo, el hecho de que Q principio de la termodinámica, según el cual: F = 0 transgredería el segundo Por lo tanto, queda claro que ningún motor térmico puede alcanzar un rendimiento de un 100%, al realizar un ciclo térmico. La respuesta a la pregunta que cabe hacerse a cerca de cuál es el mayor rendimiento alcanzable, está en el grado de reversibilidad de las diferentes etapas u operaciones que describe el motor durante la realización de un ciclo. Así, el mayor rendimiento posible lo marca la máquina ideal de Carnot que trabaja de forma completamente reversible. Abastecimiento de Vapor y Condiciones de Escape
Estas categorías incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, de recalentamiento, extracción e inducción. Las turbinas de No condensación o de contrapresión son más ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías, plantas
de papel y pulpa y en instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión. Las turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad mayor al 90%, a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador. Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente en plantas de potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión. Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo. 5 -CONCLUCIONES:
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Determino los conceptos de turbinas a si como también su uso en las diversas tipos de maquinas. La energía que produce al movimiento de giro la rueda de la turbina . Su uso en aplicaciones en como el uso de generadores de energía.