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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TLÁHUAC II

ASIGNATUR A: MAQUINAS DE FLUIDOS COMPRENSIBLES TRABAJO: TURBINAS DE VAPOR (UNIDAD 5) PROFESOR: ING. FEDERICO ARRENDONDO BERROCAL ALUMNO: ROJAS FLORES RICARDO

INDICE

TEMA: 5 TURBINAS DE VAPOR.............................................................................3 INTRODUCCION............................................................................................................ 3 TEMA 5.1: CICLO RANKINE............................................................................................3 DEFINICION............................................................................................................... 3 EFICIENCIA............................................................................................................... 4 TEMA 5.2: CLASIFICACION Y FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS DE VAPOR.............6 TURBINA DE VAPOR..................................................................................................6 CLASIFICACION DE LAS TURBINAS DE VAPOR..........................................................7 1.- Por la dirección del flujo de vapor en el interior de la turbina................................7 RADIALES............................................................................................................ 7 AXIALES.............................................................................................................. 7 2.- Por su mecanismo de funcionamiento.................................................................7 TURBINA AXIAL:.................................................................................................. 7 TURBINA AXIAL DE ACCION CON ENTALPIA CONSTANTE EN ROTOR:..................8 TURBINA AXIAL DE REACCION:...........................................................................8 TURBINA RADIALES............................................................................................8 3.- Según el salto térmico se le separa en:................................................................8 TURBINAS DE CONDENSACION:..........................................................................8 TURBINA DE CONTRAPRESION:..........................................................................8 TURBINA DE ESCAPE LIBRE:...............................................................................9 TURBINA DE ACCION DE IMPULSO:.....................................................................9 TURBINA DE REACCION:...................................................................................10 TURBINAS MIXTAS:........................................................................................... 10 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.............................................................................11

BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................13

TEMA: 5 TURBINAS DE VAPOR INTRODUCCION

La turbina de vapor es una máquina de fluido en la que la energía de éste pasa al eje de la máquina saliendo el fluido de ésta con menor cantidad de energía. La energía mecánica del eje procede en la parte de la energía mecánica que tenía la corriente y por otra de la energía térmica disponible transformada en parte en mecánica por expansión. Esta expansión es posible por la variación del volumen específico del fluido que evoluciona en la máquina.

TEMA 5.1: CICLO RANKINE DEFINICION 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 ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la 3

mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos del combustible. La idea básica detrás de todas las modificaciones para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador. EFICIENCIA La eficiencia térmica de este ciclo Rankine ideal puede obtenerse recurriendo a la primera ley de la termodinámica. En consecuencia: La diferencia de entalpía en el proceso iso-entrópico 3-4 puede calcularse a través de la expresión:

El trabajo requerido por la bomba es generalmente muy pequeño comparado con el trabajo desarrollado por la turbina. De aquí que la expresión del rendimiento generalmente se simplifique así:

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. Este calentamiento puede lograrse mediante el empleo de un sobrecalentador, el cual permite aumentar isobáricamente la entalpía del vapor, transformándolo en vapor sobrecalentado.

El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.

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La representación en diagrama p-V de ciclos en los que el fluido se vaporiza, presentan una diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que aparece una campana, llamada de cambio de fase. A la izquierda corresponde al estado líquido, en el que prácticamente no hay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presión. Por ello las isotermas son prácticamente verticales. A la derecha corresponde al estado vapor, aquí el fluido se comporta como un gas, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales. Dentro de la campana, el fluido se está evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es así porqué dada una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporación. El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

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 En la transformación 1-2 aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor, por medio de un compresor, con aportación de un trabajo mecánico externo. 

En la transformación 2-3 se aporta calor al fluido a presión constante en una caldera, con lo que se evapora todo el líquido elevándose la temperatura del vapor al máximo.



La transformación 3-4 es una expansión adiabática, con lo que el vapor a alta presión realiza un trabajo en la turbina.



La transformación 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presión constante en el condensador hasta volver a convertirlo en líquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el área encerrada en el diagrama p-V.



Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el área del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo.



Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 haciéndolo pasar por la caldera y después por otra turbina de baja presión.

TEMA 5.2: CLASIFICACION Y FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS DE VAPOR 6

TURBINA DE VAPOR

Es una máquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que puede cambiar de fase, entre estos el más importante es el ciclo Rankine. Las turbinas se componen de 4 partes principales: 1. El cuerpo del rotor 2. La carcasa 3. Las toberas 4. Los álabes 5. Su función principal es aumentar la potencia sin aumentar el caudal, ni el tamaño de la máquina ni del generador de vapor. 6. Sin embargo, con velocidades de rotación fijas implica mayores diámetros y el tamaño excesivo de la turbina. El trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor de entrada y salida a la turbina. El hecho de la utilización del vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de kg de fluido de trabajo. Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor, (se expande) aumentando así su velocidad.

CLASIFICACION DE LAS TURBINAS DE VAPOR 1.- P OR

LA DIRECCIÓN DEL FLUJO DE VAPOR EN EL INTERIOR DE LA

TURBINA.

Una primera clasificación de las turbinas de vapor puede desarrollarse haciendo referencia a movimientos de las corriente de vapor dentro del cuerpo de la turbina. Según este criterio existen dos tipos de turbinas: RADIALES  : La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina. 7

AXIALES  : La circulación de Vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina.

2.- P OR

SU MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO .

TURBINA AXIAL: Desde el punto de vista de su funcionamiento las turbinas axiales se pueden dividir en tres clases según el grado de reacción que presentan. Se define grado de reacción de una turbomáquina a la reacción.

Es decir a la disminución de entalpia en el rotor dividida por la disminución de entalpia total (entalpia más energía cinética especifica) en el escalonamiento. Atendiendo a esto se tienen los tres casos característicos siguientes:

TURBINA AXIAL DE ACCION CON ENTALPIA CONSTANTE EN ROTOR: La entalpia es constante en el rotor y se produce una expansión en el estator con aumento de la velocidad del gas. En el rotor, sin embargo, la velocidad relativa es constante. Se produce una pequeña caída de presión que no provoca un aumento de la velocidad que es debida a la fricción. TURBINA AXIAL DE REACCION: La expansión se produce en estator y en el rotor con una disminución de entalpia en el estator debido a la expansión y un aumento de la velocidad. En el rotor también se produce expansión aumentando la velocidad relativa del fluido. TURBINA RADIALES. Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolución: en el estator se produce una expansión aumentando la velocidad, disminuyendo la entalpia. En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativa debida a la expansión donde además se produce una caída de presión.

3.- S EGÚN

EL SALTO TÉRMICO SE LE SEPARA EN :

TURBINAS DE CONDENSACION: 8

Son la de mayor tamaño, utilizadas en centrales térmicas. La presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a la condensación del vapor de salida. Las turbinas de condensación 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. En la turbina de extracción/ condensación, una parte del vapor puede extraerse en uno o varios puntos de la turbina antes de la salida al condensador, obteniendo así, vapor al proceso a varias presiones, mientras que el resto del vapor se expande hasta la salida al condensador. TURBINA DE CONTRAPRESION: Se utilizan como expansoras para reducir la presión del vapor generando al mismo tiempo energía. Descargan el vapor a una presión aun elevada, para ser utilizada en procesos industriales. La turbinas 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 las instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión. En las turbinas de contrapresión la principal característica es que el vapor, cuando sale de la turbina, se envía directamente al proceso sin necesidad de contar con un condensador y equipo periférico, como torres de enfriamiento. TURBINA DE ESCAPE LIBRE: El dimensionamiento del escape de una turbina de vapor es siempre muy importante, pero esencialmente critico en las aplicaciones de ciclo combinados. El vapor que abandona el escape de la turbina de baja presión hacia el condensador contiene una considerable cantidad de energía cinética, cuyo aprovechamiento es vital para la optimización del ciclo. El caudal y la velocidad de vapor en el anillo de escape dependen de la cantidad de vapor producido en la caldera de recuperación y de la presión de escape. Por ejemplo, a temperaturas inferiores a la de diseño, tanto la potencia de la turbina de gas como la producción de vapor en la caldera de recuperación superan ampliamente el punto de diseño del ciclo. El diseño de la turbina de vapor y la filosofía de control de la planta deberá tener en cuenta todas

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estas variaciones para mantener la presión y la velocidad en el anillo de escape dentro de los límites razonables. El efecto contrario se produce cuando la temperatura de ambiente es alta. En este caso, el caudal de gases de la turbina y la producción de vapor en la caldera de recuperación disminuyen considerablemente, y con ellos la velocidad en el anillo de escape de la turbina de vapor. TURBINA DE ACCION DE IMPULSO: Esta turbina aprovecha la energía cinética del fluido (vapor o gases calientes a alta presión) para producir trabajo. Dependiendo de su diseño, las turbinas de impulso constan de una o varias etapas y cada una de ellas están constituidas por un estator y un rotor. E TAPAS DE IMPULSO . El flujo a través de los alabes de la etapa de impulso se producen de tal forma que su presión es prácticamente la misma a la entrada y a la salida de los alabes. Sin embargo, se produce un cambio en la dirección del flujo que es aprovechado para hacer girar el rotor. La primera etapa de las turbinas de impulso consta de un estator conformado por un conjunto de toberas en las cuales la alta presión y baja velocidad del flujo de la entrada se transforma en baja presión y alta presión de salida. Las toberas están dispuestas de tal forma que entreguen el fluido a los alabes móviles con un ángulo definido. Dependiendo del diseño, el estator de las etapas sucesivas pueden estar constituido por alabes fijos que cambian la dirección del flujo para entregarlo con el ángulo adecuado al siguiente grupo de alabes móviles o por alabes fijos que actúen como toberas, o sea que además de cambiar la dirección del flujo aumentan su velocidad. TURBINA DE REACCION: Las turbinas de reacción aprovechan la energía del fluido (vapor o gases calientes a alta presión) pero a diferencia de las turbinas de impulso, su expansión ocurre en los alabes fijos y en los alabes móviles.  Etapas de reacción: La etapa de una turbina de reacción está constituida por un juego de alabes fijos o toberas y un juego de alabes móviles. Sin embargo, ocurre una caída de presión en los alabes móviles que están dispuestos en forma de toberas.

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El flujo de gases o vapor que entra en los alabes fijos de una etapa de reacción lo hace a través de toda su circunferencia, por lo que se dice que es de admisión total. En los alabes fijos, el fluido es acelerado mientras que su presión y entalpia disminuyen debido a la disposición de tobera de los canales formados por cada par de alabes. El flujo que sale de estos, entra al conjunto de alabes móviles cuyos canales tienen también forma de tobera, haciendo que el fluido incremente su velocidad relativa con respecto a los alabes mientras que la presión y entalpia disminuyen la energía producida por el cambio en el momento de los gases, es absorbida por los alabes móviles y transmitida al eje en forma de trabajo útil. TURBINAS MIXTAS: Este tipo de turbina también se le conoce como turbina de acción y reacción porque en el eje lleva montado un tambor y en el van colocadas varias serie de paletas, de altura, forma e inclinación variable, lleva también otra serie de paletas análogas a los tambor, llamadas paletas fijas, guías o directrices, porque fijada a la envuelta, su misión es guiar o dirigir el vapor sobre las giratorias. El vapor entra por el extremo de la envuelta de menor diámetro y atravesando la primera corona de paleta-guía, actúa sobre la primera de paletas giratorias, haciendo girar el tambor, pasa a la segunda corona de directrices y de aquí a la segunda de giratorias continuando el giro del tambor y el recorrido del vapor de uno a otro extremo de la turbina. Además, debido a los diferentes diámetros de la envuelta, alturas y separaciones distintas de las paletas, el vapor se va expandiendo a medida que recorre la turbina. Desde las coronas de paletas-guías a las giratorias, el vapor obra por acción y desde las giratorias a las directrices, por reacción, de aquí la denominación de turbinas de acción y reacción.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO  El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinámico conocido como ciclo Rankine, a final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición inicial. Cuatro procesos se distinguen en un ciclo Rankine ideal. 1-2 Proceso de bombeo adiabático y reversible.

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2-3 Transferencia de calor al fluido de trabajo en una caldera a presión constante 3-4 Expansión adiabática y reversible del fluido en la turbina. 4-5 Transferencia de calor desde le fluido de trabajo a presión constante en el condensador.

Si los cambios en la energía cinética y potencial (presión y temperatura) del fluido de trabajo no son considerados, el calor transferido y el trabajo pueden representarse por área en el diagrama.

El área comprendida por los puntos a-1-2-3-b-a representa el calor transferido al fluido de trabajo, mientras que el área comprendida por lo puntos a1-4-b-a representa el calor transferido desde el sistema. El trabajo neto realizado esta representado por el área comprendida por los puntos 1-2-3-4-1 y es la diferencia entre el calor transferido al fluido de trabajo y el calor transferido desde el fluido de trabajo.

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

A mayor presión y temperatura del vapor, mayor es la eficiencia termodinámica.



Se añade un recalentamiento de vapor entre etapas de la turbinas para lograr una eficiencia aun mayor.

BIBLIOGRAFIA 1) http://www.monografias.com/trabajos7/rank/rank.shtml 2) http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4931/html/64_ ciclo_de_rankine.html 3) http://termicastest.wikispaces.com/2.2+CLASIFICACI %C3%93N+Y+PRINCIPIOS+DE+FUNCIONAMIENTO+DE+LAS+TURBINAS+DE+ VAPOR 4) http://html.rincondelvago.com/turbinas-de-vapor.html 13

5) http://es.slideshare.net/ricardorojas44/savedfiles?s_title=turbinas-de-vapor3159160&user_login=gocando 6) http://es.slideshare.net/ricardorojas44/savedfiles?s_title=turbinas-de-vaporpresnentacion-final&user_login=MonicaSolorzano 7) http://187.141.81.212/biblioteca/MAQUINAS/Copia%20de %208_turbinas_de_vapor.pdf

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