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• Laura Cruz

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LA TERMODINAMICA DE LAS TURBINAS DE VAPOR Una turbina de vapor es una turbo-máquina motora, que transforma la energía del vapor entrante en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el vapor y el rotor, que cuenta álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor son aplicadas en distintos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina tiene dos partes: el rotor y el estátor.  

Rotor: está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina Estator: es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia Las turbinas de vapor se utilizan en la generación de energía eléctrica de origen nuclear y en la propulsión de los buques con plantas nucleares 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 de las turbinas de vapor Tipos de Turbinas de Vapor Tenemos dos tipos generales de turbinas de vapor, las de acción y las de acción y reacción. Turbinas de acción: El vapor se distribuye a toda la sección por medio de toberas. A la salida de las toberas, la energía del vapor se transforma en energía cinética que mueve los álabes. Suelen tener varias toberas de entrada de vapor.

Turbinas de acción-reacción: También llamadas solo turbinas de reacción. Están formadas por carretes con álabes fijos y álabes móviles montados de forma alternativa. Los fijos actúan como toberas dirigiendo el vapor al siguiente carrete móvil.

Principio del funcionamiento de una turbina de vapor Ciclo de Rankine El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles): 

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Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma. Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga. Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera. Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero esta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).

¿Cómo Funciona una Turbina de Vapor? En una caldera se obtiene el vapor haciendo hervir agua. El combustible para calentar el agua puede ser gas, petróleo, carbón o incluso uranio en las centrales nucleares. El vapor de agua producido es un vapor a mucha presión (alta presión) y con alta velocidad. Imagina una olla (caldera) y la salida de vapor por el agujero de la olla.

A través de unos tubos, llamado toberas, el vapor generado en la caldera se lleva hasta la turbina. Este vapor conducido por las toberas hasta la turbina, al llegar a la turbina golpea los álabes (paletas) y hace girar la turbina y su eje. El eje de la turbina se llama rotor.

Puedes ver las partes de la turbina de vapor en la imagen anterior. Como verás la caldera no forma parte de la turbina propiamente dicha, es un elemento externo a la turbina.

A una fila de álabes se le llama carrete. Puedes observar que una turbina está formada por varios carretes y cada carrete tiene varios álabes. En definitiva la energía química del combustible utilizado para calentar el agua se transforma en energía cinética (movimiento rotación del eje). Si el rotor está enganchado, por ejemplo, a una dinamo o un generador de electricidad, al moverlo producirá corriente eléctrica. Una vez que el vapor sale de la turbina ha perdido su fuerza y parte de su calor, pero el vapor que quede a la salida lo aprovecharemos condensándolo (convirtiéndolo de vapor gaseoso a líquido) y lo volveremos a llevar a la caldera para posteriormente volver a calentarlo y utilizarlo de nuevo en el circuito. Como ves es un circuito cerrado de vapor-líquido. De esta forma aprovechamos el calor y la presión residual del vapor a la salida de la turbina siendo mucho menores las pérdidas que si lo enviáramos al exterior (a la atmósfera) perdiéndolo. Las pérdidas son menores y el rendimiento de la máquina es mucho mayor al ser un circuito cerrado. La forma de condensar el vapor a la salida de la turbina es mediante lo que se conoce como un condensador, simplemente son unos tubos de agua fría, que al entrar en contacto con el vapor de la turbina, enfrían el vapor y lo condensa. El vapor así condensado, ahora líquido, todavía tiene calor y por lo tanto llega a la caldera con ese calor, lo que hará más fácil (que gastemos menos energía) pasarlo de nuevo a vapor para volver a realizar el ciclo. Esto último es muy importante, para que quede claro, por ejemplo, un agua líquida a 30ºC cuesta menos pasarla a vapor (100ºC) que si esta a 0º. Gastamos menos combustible en la caldera y por lo tanto tendremos mejor rendimiento.

En la figura vemos la máquina en circuito cerrado y su esquema. La bomba de abajo es una bomba necesaria para llevar el vapor condensado del condensador a la caldera. Para mejorar el rendimiento, a veces, las turbinas tienen enganchado a su eje dos o tres turbinas diferentes, de tal forma que el vapor golpea primero la primera, después la siguiente y así una a una hasta salir por la última. Lo que conseguimos con esto es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, golpeando varias turbinas, en lugar de solo una. Se trata de que salga de la turbina con la mínima presión, y que todo la que tenía se aproveche al máximo antes de que salga e la turbina. Si tiene 3 turbinas, se llaman respectivamente, turbina de alta, de media y de baja presión. La primera será la que golpea el vapor en alta presión, la segunda turbina será golpeada con vapor a media presión y la última a baja presión. Esto mejora, de nuevo, el rendimiento de la máquina.

Aplicaciones de las Turbinas de Vapor Las turbinas de vapor tienen muchas aplicaciones gracias a su versatilidad. Inicialmente sirvieron como motores de embarcaciones que requerían mucha potencia. El primer barco con turbina de vapor fue el Turbinia de Parsons, botado en 1895. En la industria, las turbinas de vapor se utilizan sobre todo en compresores y bombas, si bien la aplicación más importante tiene que ver con la generación de energía eléctrica. Se estima que las turbinas de vapor intervienen en el 75% de la energía eléctrica producida en el mundo. Se usan tanto en las centrales térmicas (carbón, gas, biomasa, etc.) como en las centrales nucleares. Actualmente, en algunas aplicaciones industriales se utilizan turbinas de gas, de combustión interna como los motores de los coches, y que utilizan el gas producido al quemar el combustible directamente sobre los álabes para producir la rotación. Estas turbinas trabajan a temperaturas más elevadas con gases a 1.000ºC o incluso a 1.300ºC para las turbinas de uso aeronáutico en los aviones. Pero esto será otra clase diferente.

Rendimiento de una turbina de vapor El rendimiento o eficiencia de una turbina se define como el cociente entre la energía producida por la misma y la energía disponible. La eficiencia de una turbina está influenciada principalmente por las pérdidas de fluidos debido a las fugas y otros factores, además de los efectos de fricción que se presentan en el interior de la misma, producidos por el contacto entre el fluido y las partes móviles. Este fenómeno se ve representado en un incremento en la temperatura del fluido y una disminución de la eficiencia total del proceso. Indicamos con Q1: el calor suministrado al vapor por unidad de masa; con L1: el trabajo mecánico entregado al eje por las ruedas móviles; con Le: el trabajo mecánico entregado en el acoplamiento, fuera de la turbina y Ai con el salto entalpico disponible a la entrada de la turbina. Definimos tres rendimientos referidos al calor entregado al vapor. 1.- Rendimiento térmico ideal por ejemplo del ciclo Rankine. N = Ai/Q1 2.-Rendimiento térmico interno Nti = Li/Q1 3.- Rendimiento térmico al freno. Nta = Le /Q1