Turbinas de vapor y de gas

INTRODUCCIÓN A LAS TURBINAS DE VAPOR

Veremos ahora el ciclo que se emplea en las máquinas que trabajan con vapor, ya sea la máquina de vapor a pistón y la turbina de vapor. A este ciclo se lo denomina ciclo de Ranquine.
Previamente recordaremos el ciclo de Carnot, en razón de ser este científico quien enumeró el segundo principio de la termodinámica de la siguiente forma: “Para obtenertrabajo mecánico del calor, es necesario contar por lo menos con dos fuentes térmicas a temperaturas distintas” y debe cumplirse la relación AL = Q1-Q2, por la conservación de la energía.
Denominamos máquina ideal de Carnot a una máquina que evoluciona reversiblemente tomando calor Q1, de la fuente caliente; realiza trabajo y luego cede calor Q2 a la fuente fría. Esta máquina es ideal porque debecumplir condiciones imposibles en la realidad, como ser, que el fluido que evoluciona tome calor a igual temperatura que la fuente caliente; situación imposible porque sabemos que siempre existen pérdidas y, de igual manera, en la entrega de calor a la fuente fría, siempre hay un salto de temperatura, generando irreversibilidad.
El ciclo de Carnot que esta conformado por dos evoluciones isotérmicas ydos evoluciones adiabáticas que, para un gas, representado en el diagrama “p,v” sería de la forma de la Figura 1.
Si fuese vapor la representación en el plano “p,v” sería como el la Figura 2.
Cambiando al diagrama “T,S” el ciclo de Carnot se puede representar en la Figura 3.
Si nosotros prolongamos la condensación hasta E, es decir sobre la curva líquida en ebullición, vemos en la Figura 4 queel diagrama se modifica y tendremos lo que llamamos un ciclo de Ranquine.
Observamos que existe irreversibilidad. Mediante la bomba no podemos llevar el fluido operante a la temperatura de la fuente caliente y ya no es un ciclo de Carnot. Como hemos visto, este ciclo consta de dos evoluciones adiabáticas y dos isotérmicas, es decir, una compresión isotérmica y una adiabática, y también dosexpansiones de la misma forma. Cuando queremos llevar el fluido expandido a la temperatura de la fuente caliente T2 nos queda solamente la posibilidad de la compresión adiabática (que no es posible por ser irreversible en realidad), porque no es factible realizarlo con la compresión isotérmica ya que se efectúa a temperatura constante.
El ciclo de Ranquine puede ser con sobrecalentamiento y lo podemosrealizar mediante la máquina de la Figura 5.
No olvidemos que estos son todos ciclos teóricos.
Además la irreversibilidad trae aparejada siempre pérdidas relativas al trabajo mecánico. Siempre que se diseñe una planta que utilice el vapor como fluido operante hay que tratar, dentro de lo posible, de cumplir las evoluciones que el ciclo indica. Sabemos que hay muchas mejoras que se le puedenhacer a los ciclos para evitar en parte la irreversibilidad.
Finalmente en el diagrama “T,S” vemos el ciclo Ranquine con sobrecalentamiento. Ver Figura 6.
En una palabra el ciclo de Ranquine es ideal y es empleado por proyectistas como modelo de referencia para comparación de resultados con máquinas de vapor y turbinas reales.
TURBINAS DE VAPOR

Sabemos que para tener posibilidad de obtenertrabajo de un gas encerrado en un recipiente, hay que expandirlo, es decir, transformar la energía potencial del mismo en energía cinética.
Si el recipiente es una caldera y al gas lo expandimos en un cilindro que contiene un pistón acoplado a un mecanismo de biela-manivela, obtenemos una máquina de vapor a pistón.
Si esta expansión, con aumento de volumen, la efectuamos sobre una rueda con paleteadoadecuado, tendremos una máquina llamada turbina de vapor.
Veremos más adelante que hay otro tipo de turbina llamada turbina de gas, cuyo funcionamiento es parecido a la de vapor.
Tanto de la máquina de vapor a pistón, como de la turbina, obtenemos potencia y trabajo. Ver Figura 7.
A estas máquinas se le pueden acoplar a sus ejes, un generador eléctrico, una bomba hidráulica, una hélice para...