Turbinas de vapor

UNIDAD 6 Turbinas de vapor. Operación. Eficiencias. Pérdidas 1. Clasificación Las turbinas de vapor son turbomáquinas en las que sólo se efectúa el proceso de expansión. Si bien existen turbinas a vapor del tipo radial, la inmensa mayoría son del tipo axial, que se estudian en esta unidad. El fluído de trabajo es comúnmente el vapor de agua, por obvias razones económicas y técnicas. Encomparación con otras máquinas (alternativas a vapor, de combustión interna) ofrecen una mayor relación potencia/tamaño. Se las puede clasificar según el salto térmico y según el principio operativo. Según el salto térmico se las separa en: • Turbinas de condensación: son las de mayor tamaño, utilizadas en centrales térmicas. La presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a la condensacióndel vapor de salida. • Turbinas de descarga atmosférica: son generalmente de baja potencia, antieconómicas si utilizan agua tratada. No utilizan condensador de salida. • Turbinas de contrapresión: se utilizan como expansoras para reducir la presión del vapor generando al mismo tiempo energía. Descargan el vapor a una presión aún elevada, para ser utilizado en procesos industriales. Según elprincipio operativo se distinguen las turbinas de Acción y de Reacción, tanto de una como de varias etapas. La diferencia fundamental es que en las turbinas de acción no hay cambio de presión en la rueda móvil, obteniéndose el intercambio de energía por el cambio de velocidad absoluta del fluído. La Figura 6.1 ilustra las diferencias entre las etapas de acción y reacción:

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Figura 6.1: Etapasde acción y reacción (Vivier) Para el análisis de las turbinas de vapor se considera la transformación sin intercambio de calor con el ambiente, y se desprecian los cambios de energía potencial gravitatoria. Luego, el trabajo por unidad de masa, o la potencia por unidad de caudal másico será:

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Li N 1 = = i1 − i 2 + (C12 − C22 ) = i1 .e − i2 , e , m G 2
donde 1 y 2 identifican la entrada ysalida, y el subíndice e la condición de estagnación.

2. Turbina de acción de una etapa: Turbina de Laval La turbina de acción de una etapa es descendiente directa de las turbomáquinas hidráulicas, en particular de la turbina Pelton. En su forma más sencilla consiste en una o más toberas (convergentes si son subsónicas, convergente-divergentes si son supersónicas) y una rueda de paletas(Figura 6.2):

Figura 6.2: Turbina de Laval (Church) Si el número de toberas es elevado, se las forma con una rueda de álabes fijos como muestra la Figura 6.3:

Figura 6.3: Ruedas de álabes fija y móvil (Mattaix) 2.1 Funcionamiento Las transformaciones que sufre el vapor en las ruedas fija y móvil se ilustran en la Figura 6.4:

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Figura 6.4: Turbina de una etapa (Lee) En este caso idealizado,el cambio de entalpía tiene lugar en la tobera, acompañado de una caída de presión estática y aumento de velocidad absoluta V. En la rueda móvil la presión y la densidad (volumen específico v) permanecen constantes, y la velocidad absoluta disminuye. El cambio en dirección y magnitud de la velocidad absoluta causa la aparición de una fuerza en la paleta móvil, que origina el torque y la potenciaentregada por la turbina. 2.2 Diagrama i-s. Rendimiento La transformación en la turbina se representa en el diagrama i-s como muestra la Figura 6.5:

Figura 6.5: Turbina de acción de una etapa

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Las pérdidas en la tobera se indican con ∆i y en la rueda móvil con ∆if. La Figura 6.6 muestra el diagrama de velocidades en la rueda móvil:

Figura 6.6: Diagrama de velocidades Se nota que alno haber cambio de presión no cambia la velocidad relativa W, y, al ser la paleta simétrica, las velocidades relativas son simétricas respecto a U. Aplicamos la ecuación de Euler con:

C1 t = C1 cosα1 U1 = U C2 t = −(W2 t − U ) U2 = U
Como W 2t =W 1t y W1t =C1 cosα1 -U, resulta Luego,

C2 t = 2U − C1 cos α1

E = U 1C1 t − U 2 C2 t = 2U (C1 cos α1 − U ) U C1 =
Emax

El trabajo máximo...