PROYECTO: TURBINAS DE VAPOR
Introducción La turbina es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una maquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Una turbina de vapor es una turbo máquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que 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. Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor (se expande) aumentando así su velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los álabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos. Por lo general una turbina de vapor posee más de un conjunto tobera-álabe (o etapa), para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y, si ésta se convierte en energía cinética en un número muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerzas centrífugas muy grandes causando fallas en la unidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. El Éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la maquina a vapor de vaivén desarrollada por el inventor e ingeniero escocés James Watt utilizaban la presión del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de este. La turbina puede ser más pequeña, más ligera y más
barata que una maquina de vapor de vaivén de la misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las maquinas de vapor convencionales. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor a remplazado a las maquinas de vaivén en las centrales generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión a chorro.
La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino q fue el resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de los participantes más notables en este desarrollo fueron el Británico Charles Algernon Parsons fue responsable del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias fases aprovechándose su energía en cada una de ellas. De Laval fue el primero en diseñar chorros y palas adecuadas para el uso eficiente de la expansión del vapor. Clasificación Existen turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 HP (0.75 Kw.) Usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000 Kw.) Utilizadas para generar electricidad. Existen diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas. Se distinguen dos tipos de turbinas: de acción o de reacción. La forma más sencilla de turbina de vapor es la denominada turbina de acción, en la que los chorros de la turbina están sujetos a un punto dentro de la carcaza de la turbina, y las palas están dispuestas en los bordes de ruedas que giran alrededor de un eje
central. El vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las palas. Estas absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar la rueda y con ella el eje al que esta unida. La turbina esta diseñada de forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una serie de boquillas hasta que a perdido la mayor parte de su energía interna. En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas unas móviles y otras fijas. Las palas esta colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande. Las palas de las turbinas de reacción suelen montarse en un tambor en lugar de una rueda, el tambor actúa como eje de la turbina. Para que la energía del vapor se utilice eficientemente en ambos tipos de turbina, es necesario utilizar varios escalones en cada uno de los cuales se convierte en energía cinética, una parte de la energía térmica del vapor. Si se hiciera toda la conversión de los dos tipos de energía en un solo escalón, la velocidad rotatoria de la rueda seria excesiva. Por lo general se utilizan mas escalones en las turbinas de reacción que en las turbinas de acción. Se puede comprobar que, con el mismo diámetro y la misma cantidad de energía, la turbina de reacción necesita el doble de escalones para obtener un rendimiento máximo. Las turbinas más grandes, que normalmente son de acción, emplean hasta cierto grado la reacción al principio del recorrido del vapor para que el flujo de vapor sea eficaz. Muchas de las turbinas de reacción utilizan primero un escalón de control de acción, lo que reduce él numero de escalones necesarios. A causa del aumento de volumen del vapor cuando se expande, es necesario aumentar en cada escalón el tamaño de las aberturas a través de las cuales pasa el vapor. Durante el diseño real de las turbinas, este aumento se consigue alargando las palas de un escalón a otro y aumentando el diámetro del tambor o la rueda a la que están acopladas las palas. También se agregan dos o más secciones de turbina en paralelo. Como resultado de esto, una turbina industrial pequeña puede ser prácticamente cónica, con el diámetro más pequeño en el extremo de entrada, de mayor presión, y el diámetro mayor en el extremo de salida. Las grandes turbinas de una central eléctrica nuclear pueden tener cuatro rotores con una sección de alta presión con flujo doble, seguida de tres secciones de baja presión y flujo doble. Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un
pistón de equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor. La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es alta, dado el avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las turbinas y la posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes, con un sistema de recalentamiento. El rendimiento que se obtiene al transformar en movimiento la energía teóricamente disponible suele superar el 90%. La eficiencia termodinámica de una instalación de generación con vapor es mucho menor, dada la pérdida de energía del vapor que sale de la turbina. 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. Los fluidos extraídos pueden ser controlados mediante una válvula o pueden no controlarse. Las turbinas de inducción introducen vapor a baja presión en una etapa intermedia para producir potencia adicional.
Turbina de vapor para generación de electricidad Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales eléctricas de generación de energía eléctrica, cuyos componentes principales son: Caldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina. Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y transformarla en trabajo útil para mover un generador eléctrico. Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina. Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del condensador.
Componentes básicos de una central termoeléctrica Principio de funcionamiento de las turbinas Las primeras turbinas de vapor del tipo industrial, fue la desarrollada por Laval hace mediados del siglo XIX, la que aprovechaba la energía cinética del vapor para impulsar un rotor que tenia una serie de paletas sobrepuestas sobre su superficie mientras que el vapor era acelerado y guiado a través de un Boquerel.
Posteriormente con el fin de mejorar su primer diseño, se colocaron varios Boquereles, tratando de cubrir en mejor forma el rotor.
En ambos diseños el vapor empleado se dispersaba en la atmósfera; para recuperarlo se ideo una carcaza para así poderlo guiar hacia un condensador, a su vez fue necesario variar la posición de las paletas en el rotor, ubicándolas en la periferia del mismo para darle sentido axial, al vapor y además el Boquerel vario su forma circular a arco de corona circular, llamándose ahora, alabes de tobera o simplemente estator. Las paletas de rotor se conocen actualmente como alabes móviles. Al analizar el primer diseño de la turbina Laval, se observa que el principio de funcionamiento es el empleo de la energía cinética del vapor que actúa directamente sobre los alabes del rotor.
Partes constituidas de una turbina
Las turbinas de vapor están constituidas por dos partes principales; la parte giratoria- el rotor y la parte estacionaria- el estator. El estator (cilindro), está constituido por pedestales, cargadores, bloques de toberas, diafragmas y sellos y en ocasiones por el sistema de distribución de vapor y por el condensador. Los pedestales de la turbina sirven como apoyo del cilindro y de los rotores. Los cilindros de las turbinas normalmente se fabrican en dos mitades unidas entre sí por la unión horizontal y apretadas mediante tornillos y espárragos. Para garantizar la coincidencia plena de ambas mitades, en la unión horizontal Se practican orificios guías con espárragos especialmente construidos para ello. Las turbinas que se construyen con parámetros de vapor vivo, que superan las 90 atm. y los 500° C y que poseen cilindros de alta y media presión con recalentamiento intermedio, normalmente están construidos con cilindros interiores. Los cilindros interiores también son unidos por la unión horizontal. Las turbinas que se construyen con cilindros interiores tienen la ventaja de disminuir las tensiones térmicas e hidráulicas que sufre el metal del cilindro y como consecuencia el espesor de las bridas de la unión horizontal y, además, facilitar la aceleración del arranque con un calentamiento más uniforme.
Dentro del cilindro están maquinados los encajes de los cargadores, diafragmas y sellos. Algunos cilindros como los de las máquinas de reacción tienen ranuras para insertar los alabes estacionarios y otros cilindros por razones tecnológicas tienen cargadores que agrupan sellos y diafragmas, esto facilita conformar el espacio y ubicar las extracciones de forma más compacta, también disminuye considerablemente la cantidad de tornillos lo que agiliza el mantenimiento. Para impedir la fuga del vapor hacia el ambiente o las pérdidas entre los pasos y para evitar la penetración del aire en el cilindro sometido al vacío se construyen sistemas de empaquetadura o de sellaje. Las cajas de sellos ubicadas en el exterior del cilindro se llaman estufas. GENERADORES DE VAPOR. Un generador de vapor es una máquina o dispositivo de ingeniería, donde la energía química, se transforma en energía térmica. Generalmente es utilizado en las turbinas de vapor para generar vapor, habitualmente vapor de agua, con energía suficiente como para hacer funcionar una turbina en un ciclo de Rankine modificado. Los generadores de vapor se diferencian de las calderas por ser mucho más grandes y complicados. PARTES DE UN GENERADOR DE VAPOR. Un economizador es un dispositivo mecánico de transferencia de calor que calienta un fluido hasta su punto de ebullición, sin pasar de él. DEFINICIONES: CALDERA: recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción de calor. GENERADOR DE VAPOR: es el conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios, destinados a transformar un líquido en vapor, a temperatura y presión diferenta al de la atmósfera. MANOMETRO: el instrumento destinado a medir la presión efectiva producida por el vapor en el interior de la caldera. OBJETIVOS Las calderas o generadores a vapor son equipos cuyo objetivo es:
*Generar agua caliente para calefacción y uso general, o *Generar vapor para planta de fuerza, procesos industriales o calefacción. FUNCIONAMIENTO DE UN GENERADOR DE VAPOR FUNCIONAMIENTO Funcionan mediante la transferencia de calor, producida generalmente al quemarse un combustible, al agua contenida o circulando dentro de un recipiente metálico. En toda caldera se distinguen dos zonas importantes: *Zona de liberación de calor o cámara de combustión: -Interior: -Exterior: ¿DE QUE SE COMPONEN LAS CALDERAS? Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de calefacción. Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua. Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción. CARACTERISTICAS DE LAS CALDERAS Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas. CLASIFICACIONES: Existen varias formas de clasificación de calderas, entre las que se pueden señalar: 1.-Según la presión de trabajo:
2.-Según se generación: 3.-Según la circulación de agua dentro de la caldera: 4.-Según la circulación del agua y los gases calientes en la zona de tubos de las calderas. Según esto se tienen 2 tipos generales de calderas: Pirotubulares o de tubos de humo. Acuotubulares o de tubos de agua. Partes principales que componen una caldera: 1.- HOGAR 2.- Emparrillado 3.- Altar 4.- Conductos de humo 5.- Cajas de humo. 6.- Chimenea 7.- Mampostería. 8.- Cámara de agua 9.- Cámara de vapor 10.- Cámara de alimentación de agua 11.- Tapas de registro de inspección o lavado 12.- Puertas de hombre 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. Clasificación Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 hp (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo
accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 hp (1,500,000 kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por ser turbomáquinas son susceptibles a los mismos criterios de clasificación de éstas. Por otro lado, es común clasificarlas de acuerdo a su grado de reacción:
Turbinas de Acción Turbinas de Reacción
El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico en el que se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo. Como otros ciclos termodinámicos, la máxima eficiencia termodinámica es dada por el cálculo de máxima eficiencia del Ciclo de Carnot. Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. El proceso del Ciclo El ciclo Rankine es un ciclo de potencia que opera con vapor. Este es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde produce energía cinética, donde perderá presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador, donde el vapor remanente cambia al estado líquido. EFICIENCIA TERMICA DEL CICLO RANKINE La eficiencia térmica del ciclo puede incrementarse aumentando la entalpía del vapor suministrado a la turbina. Dicha entalpía puede incrementarse aumentando la temperatura del vapor en la caldera. Ciclo Rankine con Recalentamiento La eficiencia del ciclo Rankine puede incrementarse también aumentando la presión de operación en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera.
Ciclo Rankine con Regeneración. La eficiencia del ciclo Rankine es menor que un ciclo de Carnot, porque se añade calor distinto al de la temperatura más alta. Este defecto se puede compensar usando un ciclo regenerativo. El Condensador. Es un elemento intercambiador térmico, en cual se pretende que cierto fluido que lo recorre, cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el
intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar). La condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo termodinámico p.ej. una turbina de vapor o para condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico. Cabe la posibilidad de seguir enfriando ese fluido, obteniéndose líquido subenfriado en el caso del aire acondicionado.
Función del condensador La función principal del condensador en una central térmica es ser el foco frío o sumidero de calor dentro del ciclo termodinámico del grupo térmico. Por tanto, su misión principal es condensar el vapor que proviene del escape de la turbina de vapor en condiciones próximas a la saturación y evacuar el calor de condensación (calor latente) al exterior mediante un fluido de intercambio (aire o agua). Las partes más significativas de un condensador son:
Cuello. Carcasa o cuerpo. Cajas de agua.. Tubos. Placas de tubos. Placas soporte. Pozo caliente.. Zona de enfriamiento de aire Sistema de extracción de aire.
Tipos de condensadores para centrales térmicas Según su disposición relativa con respecto de la turbina de vapor, los condensadores pueden clasificarse en:
Axiales. Laterales. Inferiores.
Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.
Utilización Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como:
Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado. Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton.
Tipos de compresores Clasificación según el método de intercambio de energía:
Sistema Pendular Taurozzi Reciprocantes o Alternativos. de Espiral (Orbital, Scroll) Rotativo-Helicoidal (Tornillo, Screw): Rotodinámicos o Turbomáquinas: Utilizan un rodete con palas o álabes para impulsar y comprimir al fluido de trabajo. A su vez éstos se clasifican en: o Axiales o Radiales
Diagrama Ciclo Rankine con Recalentamiento. El ciclo Rankine con recalentamiento puede ayudar a elevar minimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar el tiempode vida de la turbina. Idealmente podríamos usar una cantidad infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en la practica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es muy pequeña.
Ciclo Rankine Ideal con Recalentamiento. Diagrama Ciclo Rankine con Regeneracion
En este diagrama se considera que el vapor esta saturado al inicio de la expansión. La curva 4-5 es paralela a la 3-6 puesto que se postulo que el calentamiento es reversible. Se observara que el incremento de Entropía durante el calentamiento es igual a la disminución durante la expansión y enfriamiento del vapor, y que el área 4,5,6,3 es igual al área 1,2,3,6,7.
Diagrama Ciclo Brayton
TURBINAS CON ETAPAS DE VELOCIDAD (CURTIS) Estas turbinas toman la energía cinética del vapor y la usan para impulsar dos o tres rotores acoplados a un mismo árbol; en este montaje es necesario instalar alabes fijos en medio de los rotores; denominando al conjunto de elementos fijos seguido de álabes móviles, una etapa. Este diseño fue desarrollado por el Ingeniero Curtís y por tal razón a ésta turbina se le denomina comúnmente como turbina Curtís. La admisión del vapor es parcial, es decir que únicamente los alabes móviles que se encuentran enfrente de las toberas reciben vapor, los otros álabes trabajan en vacío.
Turbina Curtis con dos etapas de velocidad o de doble rotor
Distribución de la velocidad y la presión en una turbina con dos etapas de velocidad o Curtis. Turbinas con etapas de Presión Estas turbinas distribuyen el salto de presión del vapor a lo largo de varias etapas de la turbina, logrando de ésta forma que la velocidad del vapor no sea tan alta en medio de las etapas. Usando este principio se diseñaron simultáneamente dos tipo diferentes de turbinas, la turbina Rateau y la de Reacción.
Turbinas Rateau: En este tipo de turbina, cada etapa está compuesta por un grupo de alabes fijos que actúan como toberas, es decir permiten una caída de presión y por lo tanto un incremento de la energía cinética del vapor y a continuación un grupo de alabes móviles que reciben la energía del vapor que sale de los alabes fijos transformándola en trabajo al árbol; todos los rotores están acoplados al mismo árbol. Estas turbinas pueden tener varias etapas (entre 5 y 15) y normalmente el vapor cubre la totalidad (360°) de los alabes móviles (admisión total) y utilizan generalmente en su primera etapa una de velocidad, que puede ser de tipo Laval o Curtis. En estas turbinas el régimen de rotación es menor que en las turbinas Laval o Curtis, lo cual permite lograr una mayor vida de la misma, su inconveniente es que el árbol debe ser robusto, debido a su gran longitud. Su nombre se debe a su inventor. Tal como ha sido descrita ésta turbina sería como tener varias turbinas Laval, una a continuación de la otra. Turbinas de reacción (Parsons): Esta turbina debe el nombre a su inventor, tiene gran numero de etapas (entre 15 y 50); cada una de ellas con admisión total de vapor y tanto en el grupo de álabes fijos como en los móviles se presenta caída de presión del vapor, que debido al gran numero de partes donde se sucede, los incrementos de velocidades (energía cinética) del vapor no son altos; por tal razón, al igual que en las turbinas Rateau, los regímenes de rotación son bajos. Por su gran longitud, debido al alto número de etapas, en lugar de usar árbol, generalmente, los álabes móviles están montados sobre un tambor, en especial los de las últimas etapas. Esta turbina es usada para mover generadores de gran potencia. En la actualidad, las turbinas Rateau o Parson por si solas no se construyen, sino que las turbinas de gran potencia se fabrican con los diferentes tipos de etapas descritos, colocándose una etapa de velocidad en su parte inicial, que puede ser de tipo Laval o Curtis, posteriormente, en su zona intermedia se instalan etapas tipo Rateau y finalmente en su parte final, zona de bajas presiones, se instalan etapas tipo Parson. Al pasar de las etapas de velocidad que son de admisión parcial a las etapas de presión, ya sean Rateau o Parson, que son de admisión total, el vapor pasa por una zona o compartimiento de la carcaza de la turbina llamado escalón de regulación al que permite que éste cambio en la admisión del vapor en los alabes, se realice. El Ciclo de vapor de Carnót
La eficiencia de un ciclo de potencia se maximiza si todo el calor suministrado por una fuente de energía ocurre a la máxima temperatura posible, y si toda la energía expulsada a un sumidero ocurre la mínima temperatura posible. Para un ciclo reversible que opere en estas condiciones, la eficiencia térmica es la eficiencia de Carnót, dada por (Ta - Tb.)/Ta. Un ciclo teórico que satisface estas condiciones es el ciclo del motor térmico de Carnót. Un ciclo de Carnót se compone de dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos adiabáticos reversibles ( o procesos isoentrópicos). Si durante las partes del ciclo el fluido de trabajo aparece tanto en la fase líquida como en la fase de vapor, entonces el diagrama Ts es como sigue:
Ciclo Rankine Ideal En termodinámica se conoce como ciclo Rankine ideal, el empleado en las centrales termoeléctrica. El vapor que sale de la caldera (estado 1), es recalentado, a una presión relativamente alta, este es conducido a trabes de una tubería hasta la turbina donde recibe el vapor y produce una expansión isentrópica, permitiendo de esta forma mover su rotor y así producir el trabajo (Wt) necesario para mover el generador, el vapor sale de la turbina (estado 2), generalmente vapor húmedo a presión baja; pasa el condensador donde se transforma en liquido saturado (estado 3), en un proceso de extracción de calor (Qr) que se realiza a presión constante; allí el agua es tomada por la bomba y con un trabajo de bombeo (Wp) se aumenta la presión, en un proceso de compresión isentrópica hasta el estado liquido sub. enfriado (estado 4), donde se alcanza la presión del trabajo de la caldera; en esta se adiciona calor (Qa) transformando él liquido en vapor recalentado a través de un proceso a presión constante, obteniéndose nuevamente el vapor necesario para alimentar la turbina (estado 1). En algunos ciclos se acostumbra extraer vapor de la turbina en partes intermedias, para recalentarlo y volverle a permitir que se expanda hasta la presión final, este
proceso se llama ciclo Rankine con recalentamiento, el cual permite obtener un mayor trabajo de la turbina.
El Ciclo de Recalentamiento Ideal En el ciclo de Rankine ideal, la eficiencia se puede incrementar mediante el empleo de un sobre calentador. El proceso de sobrecalentamiento en general hace que se eleve la temperatura promedio a la cual se suministra calor al ciclo, elevando así la eficiencia teórica. Se puede lograr un aumento equivalente en la temperatura promedio durante el proceso de entrada de calor elevando la presión máxima del ciclo, es decir, la presión en la caldera. Esto puede dar por resultado un mayor costo inicial del generador de vapor, debido a la mayor presión que debe soportar, pero a través de los años la mayor eficiencia de toda la unidad compensa con creces ese desembolso. Sin embargo, con una temperatura máxima dada en el generador de vapor, un aumento de presión del evaporador da por resultado una disminución en la cantidad de vapor que sale de la turbina. Para evitar el problema de la erosión sin perder la ventaja de las mayores temperaturas logradas mediante el incremento de la presión en la caldera, se ha desarrollado el ciclo de recalentamiento. En el ciclo de recalentamiento no se permite que el vapor se expanda completamente hasta la presión del condensador en una sola etapa. Después de una expansión parcial el vapor se extrae de la turbina y se recalienta a presión constante. Luego se regresa a la turbina para expandirlo más hasta la presión del
condensador. Puede considerarse que la turbina consiste en dos etapas, una de alta presión y otra de baja presión.
Procedimientos Instrucciones y Formularios. Las turbinas generadoras de electricidad de las Centrales Eléctricas trabajan durante largos períodos de tiempo, con poco períodos de interrupción. Para asegurar una explotación segura del equipo se realizan diferentes tipos de mantenimientos. Los mantenimientos prolongan la vida útil de la turbina y la eficiencia del Sistema Electro energético. Las turbinas durante su tiempo de trabajo, como cualquier mecanismo, sufre desgastes de sus elementos y estos a su vez pueden provocar averías, por desajuste o por fatiga de los metales. Los mantenimientos se dividen según el volumen de trabajo a ejecutar en Mantenimiento General. Estos se realizan cada 4 ó 5 años según las recomendaciones del fabricante o el organismo superior en Cuba que es la Unión Eléctrica, en ello se tiene en cuenta los avances tecnológicos sobre nuevos metales, que prolongan los tiempos de explotación, dispositivos automáticos para el monitoreo seguro y eficiente, nuevos tipos de control de temperatura y presiones con registradores que guardan en “memorias” lo acontecido durante el tiempo de explotación o modernizaciones dentro de la turbina que mejora su eficiencia e incluso su repotenciación. El periodo de mantenimiento depende principalmente de los parámetros iniciales del vapor y como consecuencia de la potencia. Rendimiento Térmico El rendimiento térmico es una variable de proceso adimensional que mide el coeficiente de efectividad de una máquina térmica. Se designa con la letra griega : El /Q1 = Lt. / Q1 el
térmico = Beneficio / gasto = Lneto /Q1 = Lneto - Lb t =h4-h5/h4-h1
Por lo cual el ciclo Rankine, aunque de menor ciclo de Carnót, resultara más conveniente y será el adoptado para las instalaciones de vapor.
t que el
Rendimiento Global de una planta de vapor y consumo específicos reales Se consideran para su calculo: la caldera, la turbina, el generador eléctrico y las líneas de transmisión
(P de Vapor) = ©. (g) .
(T) . (T) . (L de T)
Consumo Teórico de Vapor Es el caudal de vapor en Kg./h que debe circular por la turbina para producir en la misma una potencia de 1 Kw. C.T.V = 860/Lt. = (Kcal.)/(Kw.h) / (Kcal) / (Kg) => Kg. de vapor/ Kw.h Caudal Teórico total de vapor, Gv = C.T.V.N => Gv 860/Lt. (Kg de vapor / Kw.h) . N (Kw.) => (Kg de Vapor/ h) Reparación y Mantenimiento de Turbinas de Vapor El funcionamiento eficaz de las turbinas de vapor es importante para las industrias del mundo, pero como toda maquinaria, es necesario examinar y mantener constantemente este equipo para producir los mejores resultados. Ofrecemos mantenimiento in situ para mantener el equipo en buen estado de funcionamiento y reducir al mínimo las posibilidades de avería. Mantenimiento de turbinas de vapor para centrales eléctricas Las centrales de turbinas de vapor producen la mayor parte de la electricidad necesaria para las industrias del mundo. Por ejemplo, representan cerca del 70 por ciento del consumo de electricidad en América. Por lo tanto, las averías de estos equipos no son sólo costosas, sino que pueden causar muchos problemas. Ayudamos a los técnicos de las centrales eléctricas y a los fabricantes originales a reparar y modificar las turbinas de vapor durante los cierres planificados y en situaciones de emergencia. Podemos llevar a cabo las reparaciones de las turbinas de vapor in situ, siendo éstos algunos de los servicios que ofrecemos: Maquinado orbital de chumaceras de rotores de turbina Perforación en línea y fresado de envueltas de turbinas, bombas y cajas de engranajes Taladrado, aterrajado y encabillado de piezas de turbina.
CONCLUSIÓN Mediante este informe acerca de todo lo relacionado a las turbinas de vapor, hemos aprendido muchas cosas acerca de ellas, desde como están compuestas, su funcionamiento, distintos tipos de turbinas, y más. También este informe esta dedicado a aquellas personas que estén interesados en el tema y quieran informarse. La turbina de vapor se consiste en una turbo-maquina que produce energía mecánica a partir de un flujo de vapor. El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía interna. Estas turbo-maquinas pueden dividirse en dos grandes grupos: las turbinas de acción ( la expansión del vapor se realiza en el estator); y las turbinas de reacción (la expansión se realiza en el rotor). También podemos decir que las turbinas están compuestas por dos partes: el rotor y el estator. El rotor esta formado por ruedas de alabes unidas al eje y que constituye la parte móvil de la turbina; y el estator también esta formado por alabes, pero no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. Se puede decir que el uso de ellas tiene un margen muy amplio de tamaños y potencias, ya que se la puede utilizar desde maquinas con baja potencia (bombas, compresores), y también en aquellas que poseen 1500000 Kw. para generar electricidad. Estas turbinas son utilizadas en la generación de energía de origen nuclear, como en la propulsión de los buques con plantas nucleares, así también como en aplicaciones de cogeneración que requieran calor, y en ciclos combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería.
CONSULTA BIBLIOGRÁFICA: http://www.es.wikipedia.org/wiki/turbina_de_vapor Apuntes de estudio. Modulo N° 2 Electromecánica Centro web Enciclopedia Encarta 2005
