MAQUINAS DE FLUIDOS COMPRESIBLES

UNIDAD 5.- TURBINAS DE VAPOR

INSTITUTO TECNOLOGICO DE

TUXTLA GUTIERREZ

CATEDRATICO: ING. VAZQUEZ RAMIREZ VICTOR MANUEL PRESENTAN

ARREDONDO RUIZ ERIK DARRIL

BAUTISTA LIEVANO LUIS ANGEL

FLORES DIAZ FROYLAN

GALDAMEZ CLEMENTE ELIMELEC

MALDONADO HERNANDEZ ELVIS

Ciclo Rankine

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.

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 ciclo de Rankine es en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente desplazable llamado corredera que dirigía el vapor a un lado u otro del pistón.

CICLO DE RANKINE

Analicemos más despacio las etapas del ciclo:

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.

Tipos de ciclos Rankine Ciclo rankine simple: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 Macguorn Rankine. 

Ciclo Rankine sobrecalentamiento La temperatura promedio a la que el

calor es transferido hacia el vapor puede ser  incrementada sin aumentar la presión de la caldera, gracias al sobrecalentamiento  del vapor a altas temperaturas. El efecto del sobrecalentamiento en el desempeño de los ciclos de potencia de vapor se ilustra en un diagrama T-s.

El área sombreada en este diagrama representa el aumento en el trabajo neto, mientras que el área total bajo la curva del proceso 3-3′representa el aumento en la entrada de calor. De este modo, tanto el trabajo neto como la entrada de calor aumentan como resultado del sobrecalentamiento del vapor a una temperatura más alta. Sin embargo, el efecto total es un incremento en la eficiencia térmica, porque aumenta la temperatura promedio a la cual se añade calor.

El sobrecalentamiento del vapor a temperaturas más altas tiene otro efecto muy conveniente: disminuye el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina, como se observa en el diagrama T-s (la calidad del estado 4′es más alta que la del estado 4).

Ciclo Rankine con Recalentamiento El ciclo Rankine con

recalentamiento puede ayudar a elevar minimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar el tiempo de 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.

DefiniciónTURBINA DE VAPOREs una turbomáquina motora, capaz de transformar la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (vapor) y el rodete, estas a su vez están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre ellos el más importante es el de ciclo Rankine el cual genera vapor en una caldera. A subes deben de cumplir con requisito del cliente en cuanto a su instalación y operación

Regulacion de las turbinas de vapor Existen diferentes sistemas de regulacion que

son utilizadas en las turbinas de vapor, que influyen directamente co el desempeño de estas y estan relacionadas con la capacidad de mantener invariable la velocidad de rotacion , independientemente de la carga de trabajo a la cual estan sometidas. Estos se clasifican en:

Regulacion en el control de la tobera Regulacion por estrangulamiento Regulacion po Bypass

Sectores • Empresas energéticas • Productores independientes de electricidad

(IPP) • Industria química • Petroquímica/refinerías • Madereras, papeleras • Minería, metalúrgica y siderurgia, acerías • Industria procesadora, cementera • Industria azucarera, de etanol y de aceite de

palma • Industria de alimentos y bebidas

• Plantas de ciclo combinado • Plantas de cogeneración (electricidad y calor) • Plantas de recuperación de calor • Centrales energéticas de biomasa • Plantas incineradoras de basura • Centrales termo-solares • Plantas geotérmicas • Accionamientos mecánicos • Barcos/plataformas marítimasVentajas más importantes • Alto rendimiento, eficiencia • Gran fiabilidad y disponibilidad • Soluciones comprobadas a medida del cliente • Diseño compacto • Puesta en servicio y mantenimiento sencillos

Campos de aplicación

Eficiencia de ciclo.

En todo el estudio siempre consideraremos que las bombas y turbinas que constituyen la instalación tienen una eficiencia o rendimiento del 60% y del 85%, respectivamente.

como mejorar la eficiencia?

sobrecalentar el vapor en la caldera implica subir la temperatura media TH y mejora la eficiencia, además tiende a aumentar la calidad x4.

Por tanto la eficiencia se determina.

𝑛𝑡𝑒𝑟=𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜

𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

=1−𝑞𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

La eficiencia de conversión de las centrales eléctricas estadunidenses se expresa a menudo en términos de la tasa térmica, que es la cantidad en BTU de calor suministrada para generar 1 KWh de electricidad.

Clasificación La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según:

La forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción)

Según el número de etapas (multietapa o monoetapa)

Según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales)

Turbina de vapor de reacción: La energía mecánica se obtiene de

la aceleración del vapor en expansión. Cuentan con dos grupos de palas, unas móviles y las otras fijas.

En la turbina de reacción se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de la primera etapa para que entre en un segundo rodete.

-Turbina de vapor de acción:

Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: Un distribuidor fijo, Una corona

móvil.

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 esta unida.

Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de mas simple construcción son las mas robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa.

Turbina multietapa: Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presión, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia.

Turbina de flujo axial: Es el método mas 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.

Principios de funcionamientoEl 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.

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.

Diagrama de T-S del ciclo termodinámicode las turbinas de vapor.

Principio de funcionamiento de una turbina de vapor: 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 areas 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 a-1-4-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.

Esquema del ciclo básico de las turbinas de vapor.

¡Gracias por su atención!