TURBINAS DE VAPOR Y CONDENSADORES

1.- GENERALIDADES DE LA TURBINA DE VAPOR

Unaturbina de vapores unaturbomquinamotora, que transforma laenergade un flujo devaporen energa mecnica a travs de un intercambio decantidad de movimientoentre elfluido de trabajo(entindase el vapor) y elrodete, rgano principal de la turbina, que cuenta con palas olabeslos cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energtico. Lasturbinas de vaporestn presentes en diversosciclos de potenciaque utilizan un fluido que pueda cambiar defase, entre stos el ms importante es elCiclo Rankine, el cual genera el vapor en unacaldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presin. En la turbina se transforma la energa interna del vapor enenerga mecnicaque, normalmente, se transmite a ungeneradorpara producirelectricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el esttor. El rotor est formado por ruedas de labes unidas al eje y que constituyen la parte mvil de la turbina. El esttor tambin est formado por labes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.El trmino turbina de vapor es muy utilizado para referirse a unamquinamotora la cual cuenta con un conjunto de turbinas para transformar la energa del vapor, tambin al conjunto del rodete y los labes directores.La turbina de vapor moderna fue inventada en 1884 porsir Charles Parsons, cuyo primer modelo fue conectado a unadinamoque generaba 7.5kW (10hp) de electricidad.1La invencin de la turbina de vapor de Parsons hizo posible una electricidad barata y abundante y revolucion el transporte martimo y la guerra navalClasificacinExisten las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaos, desde unidades de 1HP (0.75kW) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000HP (1,500,000kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por serturbomquinasson susceptibles a los mismos criterios de clasificacin de stas. Por otro lado, es comn clasificarlas de acuerdo a sugrado de reaccin: Turbinas de accin: El cambio osaltoentlpicoo expansin es realizada en los labes directores o las toberas de inyeccin si se trata de la primera etapa de un conjunto de turbinas, estos elementos estn sujetos al esttor. En el paso del vapor por el rotor la presin se mantendr constante y habr una reduccin de la velocidad. Turbinas de reaccin: La expansin, es decir, elsalto entlpicodel vapor puede realizarse tanto en el rotor como en el esttor, cuando este salto ocurre nicamente en el rotor la turbina se conoce como dereaccin pura neta.

Existen varias clasificaciones de las turbinas dependiendo del criterio utilizado, aunque los tipos fundamentales que nos interesan son: Segn el nmero de etapas o escalonamientos: Turbinas monoetapa, son turbinas que se utilizan para pequeas y medianas potencias. Turbinas multietapa, aquellas en las que la demanda de potencia es muy elevada, y adems interesa que el rendimiento sea muy alto. Segn la presin del vapor de salida: Contrapresin, en ellas el vapor de escape es utilizado posteriormente en el proceso. Escape libre, el vapor de escape va hacia la atmsfera. Este tipo de turbinas despilfarra la energa pues no se aprovecha el vapor de escape en otros procesos como calentamiento, etc. Condensacin, en las turbinas de condensacin el vapor de escape es condensado con agua de refrigeracin. Son turbinas de gran rendimiento y se emplean en mquinas de gran potencia. Segn la forma en que se realiza la transformacin de energa trmica en energa mecnica: Turbinas de accin, en las cuales la transformacin se realiza en los labes fijos. Turbinas de reaccin, en ellas dicha transformacin se realiza a la vez en los labes fijos y en los labes mviles. Segn la direccin del flujo en el rodete. Axiales, el paso de vapor se realiza siguiendo un con que tiene el mismo eje que la turbina. Es el caso ms normal. Radiales, el paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina. Turbinas con y sin extraccin.En las turbinas con extraccin se extrae una corriente de vapor de la turbina antes de llegar al escape.

Principio de funcionamiento

La turbina trabaja convirtiendo la energa del vapor de agua en energa mecnica. El rotor es el que mueve el sistema, cuando las palas que rodean su circunferencia son puestas en movimiento por la fuerza del lquido.

2.- Escalonamiento del vapor en una turbina

En la turbinade reaccion se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran caida de presion 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 d ela primera etapa para que entre en un segundo rodete.

Se denomina grado de reaccin a la fraccin de la expansin producida en la corona movil respecto ala total, un grado de reaccin 1 ndica que la turbina es de reaacin pura, mientras que para el valor cero ser una turbina de vapor de accin.

-Turbina de vapor de accin:Una turbina de vapor de accin con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: -Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misin es transformar la energa trmica del vapor puesta a su disposicin, total (accin), o parcialmente (reaccin), en energa cintica. -Una corona mvil, fija sobre un eje, cuyos labes situados en la periferia tienen por objeto transformar enenerga mecnica de rotacin, la energa cintica puesta a su disposicin.Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a traves de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energa cintica del vapor en expansin, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que est unida. Las turbinas de accin habituales tienen varias etapas, en las que la presin va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.

3.- Generalidades de los condensadores de vapor

Condensadores de vaporEl condensador del vapor, mostrado en la figura, es un componente importante del ciclo del vapor en instalaciones de generacin de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporizacin. Es un componente necesario del ciclo del vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentacin. Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentacin, y resulta ms fcil bombear un lquido que el vapor. La segunda razn, aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere con los gradientes ms grandes posibles de temperatura y presin entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presin del extractor es reducida arriba de la presin atmosfrica hasta debajo de la presin atmosfrica, incrementando la cada de presin del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reduccin de la presin en el extractor de la turbina, genera ms calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina, por conversin de poder mecnico. Ya que ocurre condensacin, el calor latente de condensacin se usa en lugar del calor latente de vaporizacin. El calor latente del vapor de la condensacin se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Despus de que el vapor condensa, el lquido saturado contina transfiriendo calor al agua que se enfra al ir bajando hasta el fondo del condensador. Algunos grados de subenfrado previenen la cavitacin de la bomba.

Figure 18:Condensador de paso simple o de un solo paso.

Hay diversos diseos de condensadores, pero el ms comn, por lo menos en las instalaciones de generacin de potencia, es el condensador de paso transversal simple que se muestra en la figura (). Este diseo de condensador proporciona agua fra que pasa por a travs de los tubos rectos de una cavidad llena de agua en un extremo hacia otra cavidad llena de agua en el otro extremo. Ya que el agua fluye una sola vez a travs del condensador se le denomina de un solo paso. La separacin entre las reas de las cavidades con agua y el rea donde condensa del vapor se hace mediante una tapa donde se colocan los tubos.Los condensadores tienen normalmente una serie de bafles que vuelven a dirigir el vapor para reducir al mnimo el choque directo en los tubos con el agua de enfriamiento. El rea inferior del condensador se localiza pozo de condensado (hotwell), como se o en figura . Aqu es donde el condensado se recoge mediante una bomba de succin. Si se acumula gases sin condensar en el condensador, el vaco disminuir y la temperatura de la saturacin con la cual el vapor condensar se incrementar.Los gases no condensables tambin cubren los tubos del condensador, as reduciendo el rea superficial para la transferencia trmica del condensador. Esta rea superficial puede tambin ser reducida si el nivel condensado aumenta sobre los tubos inferiores del condensador. Una reduccin en la superficie en el intercambio trmico tiene el mismo efecto que una reduccin en flujo del agua de enfriamiento. Si el condensador est funcionando muy cerca de su capacidad de diseo, una reduccin en el rea superficial efectiva resulta en la dificultad de mantener el vaco del condensador.La temperatura y el caudal del agua de enfriamiento que pasa por el condensador controla la temperatura del condensado. Esto alternadamente controla la presin de la saturacin (vaco) del condensador.Funcin del condensadorLa funcin principal del condensador en una central trmica es ser elfoco froo sumidero de calor dentro del ciclo termodinmico del grupo trmico. Por tanto, su misin principal es condensar el vapor que proviene del escape de laturbina de vaporen condiciones prximas a lasaturaciny evacuar el calor de condensacin (calor latente) al exterior mediante un fluido de intercambio (aire o agua).En el caso de unamquina frigorfica, el condensador tiene por objetivo la disipacin del calor absorbido en el evaporador y de la energa delcompresor.Adems, el condensador recibe los siguientes flujos: Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son incorporadas alcircuito de condensado. El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua-vapor, a travs de los cierres de laturbina de vaporo con el agua de reposicin al ciclo. ste debe ser extrado y enviado al exterior medianteeyectoresobombas de vaco. El vapor procedente del escape de la turbo-bomba deagua de alimentacinsi la hay en la instalacin. El vapor de los by-passes deturbina de vapor, que en determinados modos de operacin transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en lacalderauna vez atemperado. El agua de aportacin al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la purga continua. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado.Las condiciones en el interior del condensador son desaturacin, es decir, est a la presin de saturacin correspondiente a la temperatura de condensacin del vapor. Esta presin es siempre inferior a la atmosfrica, es decir, se puede hablar de vaco.Disposicin constructiva de un condensador en centrales trmicasLos condensadores que emplean aire como fluido refrigerante, llamadosAerocondensadores, tienen un bajo rendimiento y, por tanto, necesitan de grandes superficies para ser instalados. Este es el motivo de que el uso de este tipo de condensadores no est generalizado, pasando a usarse slo en los casos en los que no haya disponibilidad de agua.Nos centraremos, por tanto, en los condensadores de agua como fluido refrigerante. Los condensadores de lascentral trmicason cambiadores de calor tubulares, de superficie, del tipo carcasa y tubo en los que el agua (fluido refrigerante) circula por los tubos y el vapor (fluido enfriado) circula por el lado de la carcasa. Los tubos estn dispuestos de forma horizontal, con una pequea pendiente para poder ser drenados con facilidad y agrupados en paquetes.Las partes ms significativas de un condensador son: Cuello. Es el elemento de unin con el escape de laturbina de vapor. Tiene una parte ms estrecha que se une al escape de laturbina de vaporbien directamente mediante soldadura o bien a travs de una junta de expansin metlica o de goma que absorbe los esfuerzos originados por las dilataciones y el empuje de lapresin atmosfricaexterior. La parte ms ancha va soldada a la carcasa del condensador. Carcasa o cuerpo. Es la parte ms voluminosa que constituye el cuerpo propiamente dicho del condensador y que alberga los paquetes de tubos y las placas. Suele ser de acero al carbono. Cajas de agua. Colector a la entrada y a la salida delagua de refrigeracin(agua de circulacin) con el objeto de que sta se reparta de forma uniforme por todos los tubos de intercambio. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento de proteccin contra lacorrosinque vara desde la pintura tipoepoxy(para el agua de ro) hasta el engomado(para el agua de mar). Suelen ir atornillados al cuerpo del condensador. Tubos. Son los elementos de intercambio trmico entre el agua y el vapor. Su disposicin es perpendicular al eje de la turbina. Suelen ser de acero inoxidable (agua de ro) y titanio (agua de mar). Placas de tubos. Son dos placas perforadas que soportan los dos extremos de los tubos. Constituyen la pared de separacin fsica entre la zona del agua de las cajas de agua y la zona de vapor del interior de la carcasa. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento (cladding) de titanio en la cara exterior cuando el fluido de refrigeracin es agua de mar. La estanqueidad entre los extremos de los tubos y las placas de tubos se consigue mediante el aborcardado de los extremos de los tubos y mediante una soldadura de sellado. Placas soporte. Placas perforadas situadas en el interior de la carcasa y atravesadas perpendicularmente por los tubos. Su misin es alinear y soportar los tubos, as como impedir que stos vibren debido a su gran longitud. Su nmero depende de la longitud de los tubos. Suelen ser de acero al carbono. Pozo caliente. Depsito situado en la parte inferior del cuerpo que recoge y acumula el agua que resulta de la condensacin del vapor. Tiene una cierta capacidad de reserva y contribuye al control de niveles del ciclo. De este depsito aspiran la bombas de extraccin de condensado. Zona de enfriamiento de aire. Zona situada en el interior de los paquetes de tubos, protegida de la circulacin de vapor mediante unas chapas para conseguir condiciones de subenfriamiento. De esta manera, el aire disuelto en el vapor se separa del mismo y mediante un sistema de extraccin de aire puede ser sacado al exterior. Sistema de extraccin de aire. Dispositivos basados eneyectorque emplean vapor como fluido motriz o bombas de vaco de anillo lquido. Su misin, en ambos casos, es succionar y extraer el aire del interior del condensador para mantener el vaco. Estos dispositivos aspiran de la zona de enfriamiento de aire.Tipos de condensadores para centrales trmicasSegn su disposicin relativa con respecto de laturbina de vapor, los condensadores pueden clasificarse en: Axiales. Estn situados al mismo nivel que la turbina de vapor. Son tpicos de turbina de vapor hasta 150 MW, potencias hasta las cuales el cuerpo de baja presin es de un solo flujo y escape axial. Laterales. Estn situados al mismo nivel que la turbina de vapor. El cuerpo de baja presin de la turbina de vapor es de dos flujos. Inferiores. Estn situados debajo de la turbina de vapor de baja presin, lo que les obliga a estar metidos en un foso y que el pedestal del grupoturbogeneradorest en una cota ms elevada, encarecindose la obra civil. Dadas las potencias de las centrales convencionales actuales, ste es el tipo de condensador ms usualmente empleado. La turbina de vapor de baja tiene doble flujo, pudiendo haber adems varios cuerpos.Segn el nmero de pasos, pueden ser: De un paso. Hay una nica entrada y una nica salida de agua en cada cuerpo del condensador. Tpica en circuitos abiertos de refrigeracin. De dos pasos. El agua entra y sale dos veces en el cuerpo del condensador con la finalidad de causar funcin refrigerante.Segn el nmero de cuerpos: De un cuerpo. El condensador tiene una sola carcasa. De dos cuerpos. El condensador tiene dos carcasas independientes. Esta disposicin es muy til, ya que permite funcionar slo con medio condensador.Tipos de condensadores para mquinas frigorficasLos tipos de condensadores ms utilizados en unamquina frigorficason los siguientes: Tubos y aletas. Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de aire. De placas. Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de agua.

4.-Ejemplo matemtico de un ciclo Rankine con sobrecalentamiento:

Ejemplo 1.-

EJEMPLO 2.-