República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación
Universitaria
Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Extensión C.O.L – Sede Ciudad Ojeda
Asignación de Turbinas
Autor:
Br. Godoy GustavoCI: V- 20.455.225Br. Ramírez MaríaCI: V- 20.458.942
C/46Facilitador: Ing. Kenneth E
RosillónCiudad Ojeda, Mayo 2015
Turbinas de Vapor
Turbomáquina motora, que
transforma la energía de un
flujo de vapor en energía
mecánica a través de un
intercambio de cantidad de
movimiento entre el fluido de
trabajo (entiéndase el vapor)
y el rodete.
Además, tiene una serie de elementos estructurales, mecánicos y
auxiliares, como son cojinetes, válvulas de regulación, sistema de
lubricación, sistema de refrigeración, virador, sistema de control,
sistema de extracción de vahos, de aceite de control y sistema de
sellado del vapor.
Partes de una turbina
• El cuerpo del rotor, que
contiene las coronas
giratorias de alabes.
• La carcasa, conteniendo
las coronas fijas de
toberas.
• Alabes.
Imagen de las Partes de una
Turbina
Turbinas de acción
El cambio o salto entálpico o
expansión es realizada en los
álabes directores o las toberas de
inyección si se trata de la primera
etapa de un conjunto de turbinas,
estos elementos están sujetos al
estátor.
Turbinas de reacción
La expansión, es decir, el salto
entálpico del vapor puede realizarse
tanto en el rotor como en el estátor,
cuando este salto ocurre
únicamente en el rotor la turbina se
conoce como de reacción pura neta.
Clasificación
Características para una buena selección de turbinas a vapor
Criterios específicos para poder seleccionar una turbina de
vapor para utilizar en alguna aplicación:PotenciaRendimientoPrecioPrestigio de marca y tecnologíaMadurez técnica del modeloAdaptación del modelo a las condiciones de trabajo de la planta.
Características para una buena selección de turbinas a vapor
Disponibilidad garantizada
Tiempo de arranque
Coste del ciclo de vida
Curva de degradación de las prestaciones de la turbina con
el tiempo
Estandarización del repuesto
La selección de las turbinas de vapor puede hacerse siguiendo
gran cantidad de criterios por lo que se presentan los
siguientes:
1. Según la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor
(reacción o acción).
2. Según el número de etapas (multietapa o monoetapa).
3. Según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales).
4. Según si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape.
5. Según la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre o condensación)
Como seleccionar de manera eficiente un turbinas a vapor
Según la forma de aprovechamiento de la energía
contenida.Turbinas de impulso o acción
Aprovechan la energía cinética
del fluido (vapor a alta presión)
para producir trabajo, es decir, en
ellas el vapor, una vez
expansionado, obra por su gran
velocidad sobre los órganos
móviles de la turbina.
Según la forma de aprovechamiento de la energía
contenida.Turbinas de impulso o acción
En la categoría de turbinas de
acción, el eje lleva una rueda o
disco con sus paletas
correspondientes, y la envuelta
las toberas por las que fluye el
vapor, ya expansionado,
chocando a gran velocidad contra
las paletas de la rueda y haciendo
girar a éstas con respecto a su eje
neutro correspondiente.
Según la forma de aprovechamiento de la energía
contenida.Turbinas de impulso o acción
Dentro de esta categoría existen variedades:
Así, por ejemplo, la rueda o disco puede llevar una,
dos ó tres coronas de paletas correspondientes a
otras tantas escalas de velocidades.
También ser la rueda única o existir dos ruedas
giratorias en las que trabaje el vapor, haciéndolo
primero en una y sucesivamente en la otra donde
transforme en velocidad la presión que aún le
resta, después de trabajar en la primera. Estas
turbinas se dice tienen escalas de presión y de
velocidad.
Según la forma de aprovechamiento de la energía
contenida.Turbinas de vapor de reacción
En la turbina de reacción la energía
mecánica se obtiene de la aceleración del
vapor en expansión. Las turbinas de este
tipo cuentan con dos grupos de palas, unas
móviles y las otras fijas.
Las palas fijas están colocadas de forma
que cada par actúa como una boquilla a
través de la cual pasa el vapor mientras se
expande, llegando a las palas de las
turbinas de reacción, que se montan en un
tambor que actúa como eje de la turbina.
Según la forma de aprovechamiento de la energía
contenida.Turbinas de vapor de reacción
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.
Según el número de etapasTurbina de vapor con una sola etapa
Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, son de simple construcción, más robustas, seguras, de menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa.
Según el número de etapasTurbina de vapor de multietapa
El objetivo de los escalonamientos en
la turbina de vapor es disminuir la
velocidad del rodete conservando una
velocidad de los alabes próxima al
valor optimo con relación a la
velocidad de chorro de vapor. Si
tenemos una presión de vapor muy
elevada sin las etapas necesarias,
sería necesario que la turbina girase
a una velocidad muy alta, que no
sería viable mecánicamente por las
dimensiones que debería tener el
reductor.
Según el número de etapasTurbina de vapor de multietapa
Estas turbinas consiguen mejores rendimientos,
pueden absorber flujos de vapor de mucha
mayor presión, por lo que se utilizan para
turbinas de alta potencia.
Según la dirección del flujo de vapor
Turbina de vapor de flujo radial
Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de
vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas
intermedias. En algunas ocasiones el vapor también puede ser
extraído de alguna etapa para derivarlo a otros procesos
industriales.
Según la dirección del flujo de vapor
Turbina de vapor de flujo axial
Es el método más utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina.
Según si existe o no extracción de vapor antes de llegar al
escapeTurbina de vapor con extracción
Realizado en etapas de alta
presión, enviando parte del
vapor de vuelta a la caldera
para sobrecalentarlo y
reenviarlo a etapas
intermedias o derivaciones
para otros procesos.
Según la presión de salida del vapor
Turbina de vapor con contrapresión
La presión del vapor a la salida
de la turbina es superior a la
atmosférica, suele estar
conectado aun condensador
inicial que condensa al vapor,
obteniéndose agua caliente o
sobrecalentada, que permite su
aprovechamiento térmico
posterior.
Según la presión de salida del vapor
Turbina de vapor con condensación
El vapor sale a una presión
inferior a la atmosférica, en este
diseño existe un mayor
aprovechamiento energético que
a contrapresión, se obtiene agua
de refrigeración de su
condensación. Este diseño se
utiliza en turbinas de gran
potencia que buscan un alto
rendimiento
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vaporCiclos de potencia de vapor
El vapor es el fluido de trabajo más empleado en los ciclos de
potencia de vapor gracias a sus numerosas ventajas, como
bajo costo, disponibilidad y alta entalpía de vaporización.
Otros fluidos de trabajo incluyen al sodio, el potasio y el
mercurio en aplicaciones de alta temperatura. El objetivo
principal de una planta de potencia de vapor es producir
energía eléctrica.
El ciclo de Carnot no es un modelo adecuado para los
ciclos de potencia de vapor porque no se puede alcanzar en la
práctica. El ciclo modelo para los ciclos de potencia de vapor
es el ciclo Rankine.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vaporEl Ciclo Rankine
El ciclo Rankine es el ciclo ideal para las plantas de potencia de
vapor. El ciclo ideal Rankine, no incluye ninguna irreversibilidad
interna y está compuesto por los siguientes cuatro procesos
reversibles:1-2 Compresión isoentrópica en una bomba.
2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera.
3-4 Expansión isoentrópica en una turbina.
4-5 Rechazo de calor a presión constante en un
condensador.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Análisis de energía del ciclo ideal Rankine
Los componentes del ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y
condensador) son dispositivos de flujo estacionario. Los cambios
en la energía cinética y potencial del vapor suelen ser pequeños
respecto de los términos de trabajo y de transferencia de calor y,
por consiguiente, casi siempre se ignoran. Por lo tanto, se aplican
las ecuaciones 2.62 y 2.63 que corresponden a la ecuación de
conservación de la masa y a la de conservación de la energía para
flujo estacionario.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Para la caldera:
Para la turbina:
Para el condensador:
Para la bomba:
Por ser el proceso en la bomba, adiabático reversible, se puede
utilizar la ecuación 2.120, resultando sencilla la integración ya que
el volumen específico del fluido en una bomba, se puede considerar
constante. Se escoge como volumen específico el volumen del
líquido saturado a la entrada de la bomba:
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Ciclo De Potencia De Vapor Real
En el ciclo real se consideran las irreversibilidades en diversos componentes. La fricción del fluido y las pérdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes más comunes de irreversibilidades.De particular importancia son las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina. Una bomba requiere una entrada de trabajo mayor, y una turbina produce una salida de trabajo más pequeña como consecuencia de las irreversibilidades. En condiciones ideales, el flujo por estos dispositivos es isoentrópico. La desviación de las bombas y turbinas reales de las isoentrópicas se compensa exactamente empleando eficiencias adiabáticas, definidas como
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Para la bomba
Para la turbina
Donde los estados 1r y 3r son los estados de
salida reales de la bomba y la turbina
respectivamente, 1i y 3i son los estados
correspondientes para el caso isoentrópico.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Efecto de las irreversibilidades en el ciclo ideal Rankine
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Eficiencia Térmica del Ciclo
La eficiencia térmica del ciclo es la eficiencia
para una máquina térmica.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Incremento de la eficiencia del ciclo Rankine
La eficiencia térmica del ciclo Rankine se incrementa elevando la
temperatura promedio a la cual se añade calor al fluido de trabajo y/o
disminuyendo la temperatura promedio a la cual se rechaza el calor hacia
el medio de enfriamiento, como un lago o un río. La temperatura promedio
durante el rechazo de calor se reduce bajando la presión de salida de la
turbina. En consecuencia, la presión del condensador esta bastante por
debajo de la presión atmosférica es decir corresponde a presión de vacío.
La temperatura promedio durante la adición de calor se incrementa
elevando la presión de la caldera o sobrecalentando el fluido altas
temperaturas. Sin embargo, hay un límite para el grado de
sobrecalentamiento, puesto que no se permite que la temperatura del
fluido exceda un valor metalúrgicamente seguro.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Ciclo Ideal Rankine con recalentamiento
El sobrecalentamiento tiene la ventaja adicional de disminuir el contenido
de humedad del vapor a la salida de la turbina. Sin embargo, al disminuir
la presión de escape o elevar la presión de la caldera se aumenta el
contenido de humedad. Para aprovechar las mejores eficiencias a
presiones más altas en la caldera y presiones menores en el
condensador, el vapor suele recalentarse después de que se expande
parcialmente en la turbina de alta presión. Esto se logra recalentando el
vapor nuevamente en la caldera, después de haberse expandido en la
turbina de alta presión. El vapor recalentado sale de la caldera y se
expande en la turbina de baja presión hasta la presión del condensador.
El recalentamiento disminuye el contenido de humedad a la salida de la
turbina.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Ciclo Ideal Rankine con Regeneración
Otra manera de aumentar la eficiencia térmica del ciclo Rankine es por
medio de la regeneración. Durante un proceso de este tipo, el agua
líquida (agua de alimentación ) que sale de la bomba se calienta
mediante algo de vapor extraído de la turbina a cierta presión intermedia
en dispositivos denominados calentadores de agua de alimentación. Las
dos corrientes se mezclan en calentadores de agua de alimentación
abiertos, y la mezcla sale como un líquido saturado a la presión del
calentador. En calentadores de agua de alimentación cerrados, el calor se
transfiere del vapor al agua de alimentación sin mezcla. Por tanto, un
calentador de agua de alimentación abierto es, en esencia, una cámara
de mezcla, y un calentador de agua de alimentación cerrado es un
intercambiador de calor.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Fig. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación abierto.
Optimizar el funcionamiento de turbinas de vapor
Fig. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación cerrado.