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Turbinas Una turbina está formada por un conjunto alterno de toberas y álabes giratorios a través de los cuales fluye vapor o gas en un proceso de expansión de estado estable, cuyo efecto global es la conversión eficiente de la energía interna de una corriente de alta presión en trabajo de eje. Para obtener una relación de energía apropiada se toman las siguientes consideraciones; - Se omite el término de energía potencial, debido a que el cambio en la elevación es pequeño. - Si la turbina está bien diseñada de manera apropiada, la transferencia de calor es despreciable. - Las tuberías de entrada y salida tienen un tamaño tal que las velocidades del fluido son casi iguales En el diagrama HS se comparan el proceso de expansión real en una turbina y el proceso reversible para las mismas condiciones de entrada y presión de descarga. La trayectoria reversible es una línea vertical de entropía constante que va del punto 1 donde la presión de entrada es P1 al punto 2’, donde la presión P2 es la de descarga. La línea que representa el proceso irreversible real comienza también en el punto 1, pero está dirigida hacia abajo y a la derecha, en la dirección en la cual aumenta la entropía. Puesto que el proceso es adiabático, las irreversibilidades provocan un aumento en la entropía del fluido.

H

El proceso termina en el punto 2, sobre la isobara para P 2. Entre más irreversible sea el proceso, este punto se encontrará más a la derecha de la isobara para P2, y la eficiencia

η

del proceso será

menor.

Entonces;

´ s =m ´ ∆ H (1) W W s =∆ H (2)

Normalmente, se conocen las condiciones en la entrada, T 1 y P1, y la presión de descarga P2. Por tanto, en la ecuación (2) sólo se conoce H 1 quedando H2 y Ws como incógnitas. La ecuación de energía por sí sola no permite la realización de cálculos. Sin embargo, si el fluido en la turbina experimenta un proceso de expansión que sea reversible y también adiabático, entonces el proceso es isentrópico, es decir, entropía de entrada igual a la de salida (S 1 = S2). Esta segunda ecuación permite determinar el estado final del fluido y, por tanto, H 2. Para este caso especial, puede evaluarse a Ws mediante la ecuación (2), escrita como;

W s ( isentrópico )=(∆ H )s (3)

El trabajo de eje dado por la ecuación (3) es numéricamente el máximo que puede obtenerse de una turbina adiabática con condiciones de entrada y presión de descarga dadas. Las turbinas reales producen menos trabajo debido a que el proceso de expansión real es irreversible. Por tanto, se define la eficiencia de una turbina como;

η=

WS Δ Hs = (4) W S (isentrópico) ( Δ H )s

Se estudia en particular dos tipos; (a) Turbinas de vapor y, (b) Turbinas de combustión. (a) Turbina 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. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se expande, la reducción de su energía interna en 400 calorías puede producir un aumento de la velocidad de las partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras. Las partes fundamentales de las turbinas de vapor son similares. En el esquema siguiente podemos observar el funcionamiento, donde el vapor a alta presión empuja las palas de la turbina y las hace girar, las palas fijas situadas en la pared interior de la turbina canalizan el vapor hacia las palas giratorias en el Angulo mas efectivo. Cuando el vapor impulsa las palas, se dilata y hay baja de presión y temperatura.

Las turbinas de vapor se pueden utilizar en ciclos (escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las unidades industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y generadores eléctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW.

(b) Turbina de Combustión Suelen llamarse también turbina de gas es un motor que utiliza el flujo de gas como medio de trabajo para convertir energía térmica en energía mecánica. El gas se produce en el motor como resultado de la combustión de determinadas materias. Unas toberas estacionarias lanzan chorros de dicho gas contra los álabes (paletas) de una turbina, y el impulso de los chorros hace girar el eje de la turbina. Una turbina de combustión de ciclo simple incluye un compresor que bombea aire comprimido a la cámara de combustión. El combustible, en forma gaseosa o nebulizada, también se inyecta en dicha cámara, donde se produce la combustión. Los productos de la combustión salen de la cámara a través de las toberas y hacen moverse la turbina, que impulsa el compresor y una carga externa como un generador eléctrico. La eficiencia del ciclo de una turbina de combustión está limitada por la necesidad de un funcionamiento constante a temperaturas altas en la cámara de combustión y en las primeras etapas de la turbina. Una turbina de gas pequeña de ciclo simple puede tener una eficiencia termodinámica relativamente baja en comparación con un motor de gasolina corriente. El rendimiento combinado es un 50% mayor que el de la turbina de gas por sí sola. Hoy se instalan turbinas de ciclo combinado con una eficiencia térmica del 52% y más. Las turbinas de combustión se emplean para propulsar barcos y trenes. En los aviones se usa una forma modificada de la turbina de combustión, el turborreactor. En algunos países las turbinas de combustión pesadas ocupan un lugar importante en la generación de electricidad a gran escala. Es posible obtener una potencia por unidad superior a los 200 (MW), y la potencia de una turbina de ciclo combinado puede superar los 300 (MW). Las turbinas de combustión emplean como combustible gas natural o líquidos como queroseno o gasoil. El siguiente esquema es un turborreactor, el cual se trata de un tipo de turbina de gas que tiene un funcionamiento continuo y que tiene las mismas fases que un motor alternativo que son las siguientes: admisión, expansión, compresión y escape.