TURBOMÁQUINAS

Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y éste le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes.

Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estátor, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación.

Las turbinas pueden clasificarse en hidráulicas y térmicas. A su vez las hidráulicas se dividen en turbinas de acción como la Pelton y turbinas de reacción como la Francis, Hélice, Deriaz, Kaplan. Y las térmicas se dividen en turbinas a vapor y a gas.

También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos: turbinas a acción donde el salto entálpico ocurre sólo en el estátor, dándose la transferencia de energía sólo por acción del cambio de velocidad del fluido y las turbinas a reacción donde el salto entálpico se realiza tanto en el rodete como en el estátor, o posiblemente, sólo en rotor.

Igual de común es clasificar las turbinas por la presión existente en ellas en relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo: turbinas de alta presión, de media presión y de baja presión.

Además existen las turbinas eólicas con un mecanismo que transforma la energía del viento en otra forma de energía útil como mecánica o eléctrica. La energía cinética del viento es transformada en energía mecánica por medio de la rotación de un eje. Y la turbina submarina que es un dispositivo mecánico que convierte la energía de las corrientes submarinas en energía eléctrica. Consiste en aprovechar la energía cinética de las corrientes submarinas, fijando al fondo submarino turbinas montadas sobre torres prefabricadas para que puedan rotar en busca de las corrientes submarinas.

TURBINAS A VAPOR

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. El fluído de trabajo es comúnmente el vapor de agua. En comparación 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 condensación del 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 el principio 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.

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.

Turbinas de acción multietapa: la aplicación más frecuente de las turbinas de vapor es para la generación de electricidad, con velocidades de rotación fijas, mayores que implican mayores diámetros, y el tamaño de la turbina resulta excesivo por razones mecánicas (fuerzas centrífugas, creep, balanceo dinámico).

Se apela entonces a la solución de dividir el salto entálpico en dos o más etapas, lo que se denomina escalonamiento.

Al planear el escalonamiento se puede elegir entre dividir la caída de velocidad absoluta entre dos o más ruedas móviles, o bien dividir la caída de presión estática entre dos o más ruedas fijas. El primero es el escalonamiento tipo Curtis y el segundo el escalonamiento tipo Rateau.

La turbina Curtis es una turbina de acción con escalonamientos de velocidad, donde la velocidad absoluta del vapor cae en la primera rueda en una cantidad y termina de caer en la segunda. Entre ambas ruedas de álabes móviles hay una corona de álabes directrices fijos unida a la carcasa. Estos álabes directrices tienen por objeto orientar el flujo de vapor que sale de la primera rueda móvil, dirigiéndolo convenientemente sobre la segunda en la dirección correcta (triángulos de velocidad). 

En ella toda la expansión del vapor se realiza en una única etapa de toberas, pero la energía cinética obtenida al comunicar al vapor la alta velocidad de esa expansión, no se aprovecha en una sola rueda de álabes móviles, sino en dos.

La turbina Rateau es una turbina de acción con dos escalonamientos de presión. El vapor llega a las primeras toberas de admisión donde tiene lugar la expansión del mismo, pero no es una expansión total hasta la presión del escape, sino sólo hasta una presión intermedia. La velocidad del vapor, es decir su energía cinética, se aprovecha en la primera rueda de álabes móviles del eje. A la salida de ésta, el vapor tiene la presión intermedia ya indicada, y una cierta velocidad dependiente de su volumen y de la sección de paso (triángulos de velocidad).

El vapor en estas condiciones pasa a la sección de toberas intermedias, colocadas en un órgano fijo llamado diafragma, sujeto a la carcasa de la máquina y dejando cierta holgura en el eje. 

En la etapa intermedia de toberas el vapor se expande desde la presión intermedia indicada hasta la presión final o del escape, originándose el consiguiente aumento de velocidad, actuando el vapor fluyente sobre la segunda rueda de álabes móviles.

Investigar:

1. En Venezuela se aprovecha la energía hidráulica y la térmica, nombra cinco centrales de cada una e investiga cual turbina utiliza, su capacidad instalada y el año que se inauguró. Coloca los datos en un cuadro.

2. Con la información suministrada, realiza un mapa mental de la clasificación de las turbinas e investiga el concepto de aquellas que no aparece.

Apoyo suministrado:

COMPRESORES

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

TIPOS DE COMPRESORES

Los compresores que se fabrican hoy día se dividen en dos grandes grupos, atendiendo a su principio de funcionamiento: los de flujo continuo o aerodinámicos y los de desplazamiento positivo o volumétricos. Ver figura.

Los compresores de flujo continuo o aerodinámicos: están basados en la cantidad de movimiento, donde gracias a la fuerza recibida del motor de arrastre se aumenta la velocidad del fluido, para posteriormente transformarla en presión.

Los compresores aerodinámicos disponen de un órgano fundamental denominado rodete, que gira sobre su eje, donde se produce la transformación de la energía mecánica, que recibe del motor de arrastre, en energía de fluido.

Los compresores de desplazamiento positivo o volumétricos: aumentan la presión del gas gracias a la reducción de su volumen, transmitiendo esta presión íntegramente a todo el fluido situado aguas abajo.

Estos compresores disponen de un elemento denominado desplazador, que atrapa el gas mediante la creación de una succión, reduce su volumen, y lo desplaza hacia la salida donde existe una presión superior.

Los compresores volumétricos se dividen según el movimiento del desplazador  en alternativos y rotativos.

Los compresores alternativos: son los más utilizados en la industria por sus notables ventajas y características, que los convierten en los más económicos tanto en el momento de su adquisición como en el de su uso.

Constan de un cilindro donde se desplaza alternativamente un émbolo arrastrado desde el exterior por un vástago, o simplemente por una biela; cuando éste comienza a salir del cilindro se crea una succión que permite la entrada del aire desde el exterior a través de una válvula, llenándola.

Cuando el pistón regresa se reduce el volumen y se incrementa la presión del aire hasta alcanzar un valor en el que se abre una válvula que conecta el cilindro con el servicio.

Los compresores volumétricos rotativos: disponen de un cuerpo o carcasa generalmente cilíndrico, dentro del cual están dispuestas unas piezas móviles giratorias de una forma variada, que crean unos recintos que en primer término atrapan el aire mediante succión, para luego disminuir su volumen, elevar su presión y al mismo tiempo desplazarlo hacia su salida, en contacto con una zona de mayor presión.

Dentro de este tipo de compresores los más importantes son los de aletas y los de tornillo.

Compresión por etapas: la elevación total de la presión del aire en un compresor puede llevarse a cabo de una sola vez, en un único cilindro, o bien hacerlo en dos o más escalones.

En este caso el compresor dispondrá de tantos cilindros como etapas y el aire pasará por presiones intermedias, si bien un compresor puede utilizar dos o más cilindros para la compresión de cada etapa.

La ventaja que este tipo de compresores reporta es el aprovechamiento de los escalones intermedios para refrigerar el aire, consiguiendo de esta manera disminuir la potencia absorbida.

Debido a que la presión media de los cilindros se reduce, disminuyen las fugas y se aumenta el rendimiento volumétrico.

Gracias a la limitación de la temperatura del aire que se consigue en el interior de este tipo de compresores, se obtiene una mayor seguridad de marcha, un mantenimiento más fácil y una prolongación de la vida de la máquina.

Por contra, el compresor resulta más costoso pues requiere un mayor número de cilindros y por tanto de válvulas, así como de sistemas de refrigeración intermedios.

Potencia la diversificación del consumo y, por tanto, disminuye el nivel de dependencia de suministros externos.

El rendimiento de una instalación de aire comprimido se define como el cociente entre la energía proporcionada al aire por compresión y la energía eléctrica consumida por el compresor.

El rendimiento de los compresores es muy bajo, pues la mayor parte de la energía de compresión se convierte en calor.

Este rendimiento depende de múltiples factores, siendo los más importantes: el compresor, la aspiración y los depósitos de aire.

El compresor al seleccionarlo se ha de considerar una serie de factores que dependen en gran medida de la instalación a la que ha de servir y estos son el caudal del aire y la presión requerida.

La aspiración, para un buen rendimiento del compresor, el aire debe aspirarse preferentemente del exterior y debe estar limpio y frío, ya que:

1. Cada 4°C de aumento de temperatura en el aire aspirado, aumenta el consumo de energía un 1 % para el mismo caudal.

2. Cada 3°C de disminución en la temperatura del aire aspirado, dan lugar a un 1 % más de aire comprimido, para el mismo consumo de energía.

Los depósitos de aire, es importante realizar un diseño del depósito tal que permita obtener menores consumos de energía, mediante la instalación de compresores de menor capacidad y menor potencia.

Investigar:

1. Realizar un cuadro comparativo con los diferentes tipos de compresor (presentados en la figura), tomando cuatro aspectos: sistema de funcionamiento, aplicaciones, ventajas y desventajas.

2. ¿Para seleccionar un compresor cuáles serían los cálculos a realizar?

3. De un ejemplo cualquiera donde el compresor forme parte del sistema de control.

Línea de Rayleigh

Flujo con intercambio de calor sin fricción

Las curvas de flujo de Rayleigh corresponden al flujo de fluidos a través de un cambiador, como consecuencia de esto la entalpía de estancamiento y la temperatura de estancamiento son variables, por lo que las ecuaciones presentadas para flujo adiabático no pueden ser aplicadas.

Se deberá considerar un proceso de calentamiento o enfriamiento simple, con la finalidad de poder despreciar los efectos de la fricción. Esta interpretación puede tomarse de la misma forma para las cámaras de combustión, donde la relación de la mezcla aire-combustible es tan pequeña, que los efectos causados por el cambio en la composición química y cambios de masa son relativamente pequeños, comparados con los efectos producidos por los cambios de la entalpía de estancamiento.

Después de analizar el proceso bajo el cual se presenta la Línea de Rayleigh, y dada la investigación realizada, responda las siguientes interrogantes:

¿Qué tipo de relación presenta la Línea de Rayleigh?

¿Cuáles son los principios en los que se enmarca este comportamiento?

¿Las líneas de Rayleigh se grafican sobre un diagrama de ___  vs  ____?

¿Cuál es la relación entre la Línea de Fanno y la Línea de Rayleigh?