Termodinamica Sistemas Abiertos

Alfonso Rafael Camacho Guerra
Martes 10 de Abril del 2012-04-05
Asunto: Sistemas Abiertos (Equipos Termodinámicos)

T u r b i n a o E x p a n s o r e s.

La expansión de un gas en una tobera para producir una corriente de alta velocidad es un proceso que convierte energía interna en energía cinética. Esta energía cinética puede a su vez convertirse en trabajo de eje cuando el flujo pega en losálabes de una flecha giratoria. Es así como una turbina (o expansor) 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. Cuando el vapor de agua proporciona la fuerza motriz,como sucede en una planta de energía, el dispositivo se conoce como turbina; cuando se utiliza gasa alta presión como fluido de trabajo, como puede ser el amoniaco o el etileno en una planta química o petroquímica, el dispositivo se conoce a menudo como expansor. En cualquier caso, el proceso se muestra en la figura 7.6.Las ecuaciones (7.16) y (7.17) constituyen relaciones de energía apropiadas. Sinembargo, puede omitirse el término de energía potencial, debido a que el cambio en la elevación es pequeño. Por otra parte, en cualquier turbina diseñada de manera apropiada, la transferencia de calor es despreciable y las tuberías de entrada y salida tienen un tamaño tal que las velocidades del fluido son casi iguales. Por tanto, las ecuaciones (7.16) y (7.17) se reducen a

Y
Normalmente, seconocen las condiciones en la entrada T1y P1 y la presión de descarga P2. Por tanto, en la ecuación (7.33) sólo se conoce a H1, 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, y S2 = Sr.Esta segunda ecuación permite determinar el estado final del fluido y, por tanto, aH2. Para este caso especial, puede evaluarse a Ws, mediante la ecuación (7.33), escrita como

El trabajo de eje dado por la ecuación (7.34) 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 trabajodebido a que el proceso de expansión real es irreversible. Por tanto, se define la eficiencia de una
turbina como:

Donde Ws, es el trabajo de eje real. De acuerdo con las ecuaciones (7.33) y (7.34)

Los valores de η para turbinas o expansores diseñados de manera apropiada usualmente se encuentran entre 0.7 y 0.8.
La figura 7.7 muestra un diagrama HS en el cual se comparan el proceso de expansión realen 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 laderecha, 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. El
proceso termina en el punto 2, sobre la isobara para P2. Entre más irreversible sea el proceso, este punto se encontrará más a la derecha de la isobara para P2, y laeficiencia η del proceso será menor.
Es una máquina térmica quetransforma la caída de entalpía del fluido en potencia en el eje, pudiendo ser el fluido vapor sobrecalentado o gas ideal. La turbina funciona en régimen permanente y es adiabática. En su interior el fluido que circula sufre una expansión, pasando de una presión P1 a una presión menor P2 , disminuyendo su entalpía por unidad de masa. Si aplicamos la ecuación (2.60), tenemos:
LEJE

1
2



por ser...