Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. L MÁQUINAS TÉRMICAS. a primera ley de la termodinámica establece que la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear o destruir. Por ello es una ley de conservación, un simple principio de contabilidad que nos dice cómo se mantiene balanceado un "libro mayor de energía". No obstante, aunque la primera ley nos dice qué formas de energía están comprendidas en una conversión particular de energía, no nos dice nada acerca de si la conversión es posible o en qué dirección ocurre. Por ejemplo, considere el sistema de la figura 3.1. Un tanque cerrado que contiene un fluido tiene un eje que facilita la transferencia de trabajo al fluido. Cuando el eje gira, se transfiere trabajo al fluido incrementando su energía interna, y de ahí transfiriendo calor del fluido a los alrededores como se muestra en la figura 3.1(a). Durante este proceso, el trabajo se convierte directa y totalmente en calor. Pero cuando se transfiere calor al fluido, como se muestra en la figura 3.2 (b), el eje no gira y, por tanto, no se realiza trabajo. La primera ley de la termodinámica no impide la conversión de calor a trabajo en este sistema, pero sabemos por experiencia que dicha conversión no ocurre. Con base en este argumento, se concluye que el trabajo se puede convertir directa y totalmente en calor, pero el calor no siempre se puede convertir en trabajo. La conversión directa de calor en trabajo es imposible sin el uso de un dispositivo especial llamado máquina térmica. Figura 3.1 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 123 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Una máquina térmica convierte calor en trabajo. Antes de describir cómo ocurre esta conversión, debemos definir un término termodinámico importante: depósito de energía térmica. Este es un cuerpo con capacidad térmica muy grande cuya característica distintiva es que puede suministrar o recibir grandes cantidades de energía térmica sin experimentar algún cambio de temperatura. En los sistemas termodinámicos reales, debido a sus grandes masas y capacidades caloríficas, los grandes cuerpos de agua como océanos, lagos o ríos se consideran depósitos de energía térmica. A la atmósfera también se le considera como tal. Cualquier región o cuerpo cuya capacidad térmica es grande en comparación con la cantidad de calor que suministra o recibe, se puede considerar un depósito de energía térmica. Estos son de dos tipos: la fuente de energía térmica y el sumidero de energía térmica. Una fuente de energía térmica suministra calor a un sistema, mientras que un sumidero absorbe calor al sistema. Como se ilustra en la figura 3.2, una máquina térmica recibe una cantidad de calor de una fuente de alta temperatura y convierte una parte en trabajo . Además, rechaza el calor remanente a un sumidero de temperatura baja. Existen varios sistemas termodinámicos que califican como máquinas térmicas, pero el que mejor se ajusta a la definición es la planta termoeléctrica. Figura 3.2 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 124 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. En una planta termoeléctrica, es el calor suministrado a una caldera mediante un proceso de combustión o una reacción nuclear. El calor , rechazado a un sumidero de baja temperatura, es el calor transferido de un cambiador de calor a un lago o río cercano, o a la atmósfera. El trabajo producido por la planta de potencia es la energía generada por una turbina. Un generador eléctrico, que se conecta a la turbina mediante un eje, produce energía eléctrica. Si analizamos la figura 3.2, veremos que la primera ley de la termodinámica para una máquina térmica es: (Ecuación 3.1) es el trabajo útil producido por la máquina térmica. Para una planta termoeléctrica, es realmente un trabajo neto, porque se tiene que suministrar algún trabajo a una bomba para hacer circular el vapor a través de la caldera y otros componentes de la planta de potencia . El calor rechazado a un sumidero de baja temperatura es energía desperdiciada. ¿Entonces por qué no simplemente eliminamos convirtiendo todo el en trabajo? Resulta que, aunque esta idea suena muy atractiva, la eliminación de viola la segunda ley de la termodinámica. Es necesaria una cantidad de calor desperdiciado diferente a cero para que la máquina térmica funcione. La eficiencia es una cantidad muy útil en ingeniería, usada para medir el desempeño de numerosos sistemas. Una definición general de la eficiencia es: (Ecuación 3.2) Para las máquinas térmicas, la salida deseada es la salida de trabajo, y la entrada requerida es el calor suministrado por la fuente de alta temperatura. De ahí que la eficiencia térmica de una máquina térmica, que se denota como , esté dada por la relación: (Ecuación 3.3 ) De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, ninguna máquina térmica (o cualquier otro dispositivo para el caso) puede producir más energía que la que se le suministra. Por tanto, la eficiencia térmica de una máquina térmica siempre es menor que 1. Este hecho es evidente en la figura 3.2, porque sólo una parte del calor suministrado a la máquina térmica se convierte en trabajo, rechazando el calor remanente a un sumidero de baja temperatura. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 125 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. La primera ley de la termodinámica establece que "la energía se conserva, es decir; se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear o destruir". También nos dice qué formas de energía están comprendidas en una conversión particular de energía, pero no nos dice nada acerca de si la conversión es posible, o en qué dirección ocurre este proceso. La experiencia común nos dice que una roca cae naturalmente desde un risco hasta el suelo, pero que nunca salta del suelo a la parte superior del propio risco. La primera ley no impide que la roca salte del suelo a la cima del risco, porque la energía (potencial y cinética) se sigue conservando en este proceso. Sabemos por experiencia que una bebida caliente se enfría naturalmente conforme se transmite calor de la bebida a los alrededores más fríos. La energía perdida por la bebida es igual a la energía ganada por los alrededores . Sin embargo, la bebida caliente no se calentará más, porque el calor fluye de una temperatura alta a una baja. La primera ley no impide que la bebida se caliente más en un cuarto frío, siempre que la energía perdida por el cuarto sea igual a la energía ganada por la bebida. Como ejemplo final, considere el sistema mostrado en la figura 3.3. Un tanque cerrado que contiene un fluido tiene un eje que facilita la conversión entre trabajo y calor. Suponga que deseáramos utilizar el aparato como una máquina térmica , un dispositivo que convierte calor en trabajo. Si realmente fuéramos a construir este dispositivo e intentáramos elevar el peso transfiriendo calor al fluido, descubriríamos que el peso no se elevaría. Como en los ejemplos anteriores, la primera ley no impide la conversión de calor a trabajo en este sistema, pero por experiencia sabemos que esta conversión no ocurre. Figura 3.3 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 126 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Con base en observaciones directas de los sistemas físicos, es claro que los procesos termodinámicos ocurren sólo en cierta dirección. Aunque la primera ley no impone restricciones sobre la dirección en que ocurre un proceso termodinámico, no asegura que el proceso sea posible. Para responder esta pregunta necesitamos otro principio o ley que nos diga algo acerca de la dirección natural de los procesos termodinámicos. Este principio es la segunda ley de la termodinámica. Para que en un proceso ocurra, deben satisfacerse ambas leyes de la termodinámica, la primera y la segunda. Existen diversas formas de establecer la segunda ley de la termodinámica. Una de las formas más útiles de esta segunda ley, a la que de aquí en adelante simplemente mencionaremos como "la segunda ley", es que es imposible que una máquina térmica produzca una cantidad de trabajo igual a la cantidad de calor recibida desde un depósito de energía térmica. En otras palabras, la segunda ley establece que es imposible que una máquina térmica convierta todo el calor que recibe de un depósito de energía térmica en trabajo. Como se ilustra en la figura 3.4 una máquina térmica es un dispositivo que convierte en trabajo una parte del calor que se le suministra desde una fuente de alta temperatura. El remanente de calor es rechazado a un sumidero de baja temperatura. Figura 3.4 Resolviendo para en la ecuación 3.1 y sustituyendo el resultado en la ecuación 3.3, obtenemos: (Ecuación 3.4) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 127 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Se puede demostrar matemáticamente que, para una máquina térmica ideal que funciona entre las temperaturas de fuente y de sumidero y , respectivamente, la relación del calor suministrado al calor rechazado es igual a la relación de las temperaturas absolutas de la fuente y del sumidero de calor. Por tanto: (Ecuación 3.5) ¿Qué significa que una máquina térmica sea ideal? La respuesta en síntesis es que una máquina térmica se considera ideal si los procesos dentro de ella son reversibles. Un proceso reversible es aquel cuya dirección se puede invertir sin dejar algún rastro en los alrededores. Un ejemplo simple de un proceso reversible es un péndulo sin fricción, el cual puede oscilar en cualquier dirección sin disipar calor a los alrededores. Sustituyendo la ecuación 3.5 en la ecuación 3.4, encontramos que la eficiencia térmica para una máquina térmica ideal se convierte en: (Ecuación 3.6) Donde y denotan las temperaturas absolutas del sumidero de baja temperatura y de la fuente de alta temperatura, respectivamente. Ya que y son temperaturas absolutas, estas cantidades deben expresarse en unidades de Kelvin o Rankine La eficiencia térmica dada por la ecuación 3.6 es la máxima posible que una máquina térmica puede tener, y con frecuencia se le llama eficiencia de Carnot en honor del ingeniero francés Sadi Carnot. Una máquina térmica cuya eficiencia térmica está dada por la ecuación 3.6 es sólo teórica, una idealización que los ingenieros utilizan para compararla con las máquinas térmicas reales, pues ninguna de éstas puede tener una eficiencia térmica mayor que la eficiencia de Carnot, porque ninguna máquina térmica real es reversible. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 128 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. El calor es una forma de energía llamada energía térmica o energía calorífica. Por lo tanto, las unidades para medir el calor son las mismas del trabajo mecánico y de la energía. En el sistema internacional (SI) el calor se mide en Joules; . En el sistema cgs se mide en ergios; Su equivalencia es la siguiente: Además de las unidades, también se utilizan unidades como la caloría kilocaloría y el . , la Caloría. Es la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su temperatura . Kilocaloría. Es un múltiplo que equivale a normalmente se utiliza para los alimentos. calorías; es una unidad que BTU. Es la cantidad de calor aplicada a una libra eleve su temperatura de agua para que La relación entre la caloría y el Joule es: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 129 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. El calor específico es la cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado. Matemáticamente su expresión es: (Ecuación 3.7) Donde: Calor específico en Cantidad de calor, en cal o Kcal. Masa de la sustancia, en . Diferencial de temperatura. En la siguiente tabla, se muestran algunos valores del calor específico de algunas sustancias. Sustancia Agua Hielo Vapor Hierro Cobre Aluminio Plata Vidrio Mercurio Plomo Latón Oro ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 130 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3.1 CLASIFICACIÓN. L as turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor entra por las toberas y se expansiona hasta una presión más pequeña. Al hacerlo el chorro de vapor adquiere una gran velocidad. Parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los álabes de la turbina, de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica. Las turbinas que utilizan el impulso del chorro para mover los álabes se denominan turbinas de acción (figura 3.5). En ellas las toberas son fijas y van montadas sobre el bastidor. Pero también es posible construir la turbina de manera que los espacios comprendidos entre los álabes tengan la forma de toberas. En este caso la reacción ejercida sobre estas toberas por el vapor saliente hace girar el rodete. Este principio es el que caracteriza una turbina de reacción pura. Tanto a las turbinas de acción como de reacción es aplicable la ley de Newton del movimiento, la cual dice que a cada acción corresponde una reacción igual y de sentido contrario. Figura 3.5 Esquema de una turbina del tipo de acción. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 131 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Flujo de vapor en las toberas. En una turbina el vapor se dirige permanentemente de las toberas, o pasos guía, a los álabes uniformemente repartidos en la periferia del rodete. La transformación de energía se lleva a cabo mediante fuerzas ejercidas sobre los álabes del rodete, a causa de los cambios de cantidad de movimiento del vapor al pasar a través de los canales de los álabes. De esta forma la entalpía se convierte en energía cinética a medida que el vapor circula por la tobera. En una turbina ideal toda variación de entalpía del vapor aparece en forma de energía cedida al eje. La turbina ideal tiene, por consiguiente, interés al estudiar la velocidad que adquiere el chorro de vapor, su comportamiento y las dimensiones de la tobera requerida. Sea la figura 3.6, en ella los puntos 1,0 y 2 señalan la entrada, cuello (o estrangulación) y salida, respectivamente, de la tobera por cuyo interior el vapor se mueve con régimen permanente. A medida que el vapor pasa de 1 a 0 y de 0 a 2 se desplaza de una región de elevada presión a otra de presión más pequeña, y como su volumen aumenta, cada elemento se acelera por la expansión de los elementos de vapor que le siguen. Figura 3.6 Tobera de vapor convergente-divergente típica, para una turbina de acción. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 132 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. La ecuación de continuidad es, pues, aplicable, es decir (Ecuación 3.8) En donde: Area, en . Velocidad, en . Volumen específico, en . Al pasar el vapor de un punto a otro las transformaciones de energía se expresan por la ecuación del flujo permanente. si el flujo es isoentrópico, resulta, (Ecuación 3.9) Puesto que es , y es ; la ecuación 3.9 puede escribirse (Ecuación 3.10) La variación de entalpía es, por lo tanto, igual a la ganancia en energía cinética. En la mayoría de los casos la velocidad inicial es despreciable, así en donde es la velocidad en adquirida como consecuencia de la variación de entalpía. Puesto que , resulta (Ecuación 3.11) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 133 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Proporciones de la tobera. Al proyectar una tobera ideal para una expansión de entropía constante, puede calcularse el área de la sección recta en cualquier punto utilizando la ecuación de continuidad, es decir, (Ecuación 3.12) Donde: Area, en . Masa de vapor que circula, en . Volumen específico neto del vapor a la presión en el punto , en Velocidad del vapor en el punto , en . determinada por la ecuación 3.11 Según esto el área de la sección recta de la tobera en un punto cualquiera es función del volumen, de la velocidad y de la masa de vapor que pasa por ella. Cuando la evolución del vapor es adiabática y se realiza sin rozamientos, la entropía del vapor en un punto cualquiera de la tobera es igual a la entropía inicial. Al proyectar una tobera de turbina es preciso escoger un área para la sección recta correspondiente a la garganta tal, que pueda pasar la cantidad de vapor requerida con la caída de presión prevista, toda vez que la velocidad viene determinada por dicha caída de presión. Esto se hace trabajando sobre la base de 1 Kg de vapor, debido a que las fórmulas, tablas y gráficos están referidos a dicha unidad. La figura 3.7 representa las relaciones que existen entre las áreas de las secciones rectas , velocidades del vapor y volúmenes específicos , para una tobera ideal. En dicha figura se observa que al principio la velocidad del vapor aumenta rápidamente, si bien los volúmenes correspondientes aumentan en menor proporción. Debido a que el flujo de masa es constante, y , resulta que tiene que disminuir hasta que el flujo alcanza la sección para la cual el régimen de aumento de volumen es igual al de aumento de velocidad. En dicha sección es máximo y , mínimo. Esta sección se denomina garganta de la tobera, punto 0. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 134 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Figura 3.7 Relaciones propias de las toberas. La figura 3.7 indica que la proporción anterior a la garganta debería ser tan larga como la posterior. Esto puede evitarse, con una pérdida mínima, acortándola pero redondeándola convenientemente, tal como se indica con la línea de trazos . La sección recta de la garganta normalmente se toma como punto de partida al diseñar la tobera. la porción divergente de ésta se construye generalmente con un ángulo de divergencia constante de aproximadamente con el eje de la tobera hasta alcanzar la sección recta de salida requerida. Si el ángulo de divergencia es demasiado grande, se producen torbellinos, y si es demasiado pequeño, la longitud de la tobera se hace demasiado grande. Esta longitud no es un valor crítico, y puede relacionarse con la sección recta de la garganta por la siguiente fórmula empírica: (Ecuación 3.13) Donde: Longitud de la tobera desde la garganta hasta la salida, en Area de la sección recta de la garganta, en . . ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 135 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. La forma de la sección recta de las toberas puede ser circular, elíptica, cuadrada, o rectangular con ángulos redondeados. Las experiencias realizadas han demostrado que el rendimiento de una tobera es prácticamente independiente de la forma de su sección recta cuando las superficies internas son lisas, las proporciones de la tobera tienen la relación correcta entre las áreas de las secciones rectas correspondientes a la garganta y a la salida y la longitud de la tobera no es inferior a la que resulta de aplicar la ecuación 3.13, ni más grande del doble de dicho valor. En una tobera bien diseñada con caras rectas desde la garganta hasta la salida, su eficiencia medida por la velocidad es casi del al , lo cual corresponde a un rendimiento en energía del al (Ecuación 3.14) Un rendimiento teóricamente más elevado puede conseguirse empleando ángulo de entrada de tobera pequeños, porque entonces la acción de los álabes es más eficiente. En este caso se requiere una tobera larga, con la cual las pérdidas por rozamientos aumentan grandemente, se aumenta el despegue del vapor de los álabes, produciéndose pérdidas de rozamiento adicionales, y el extremo de salida cortado el diagonal de la tobera resulta tan grande que deja de dirigir correctamente el vapor a los álabes. Si el ángulo de entrada es demasiado grande, las pérdidas en los álabes se hacen grandes, porque el chorro de vapor choca contra los dorsos de los álabes al entrar en la turbina. En la práctica los ángulos de entrada de las toberas están comprendidos entre , los más empleados son de Presión crítica en las toberas. Si para una tobera determinada , en la cual las áreas de las secciones rectas de entrada, garganta y salida son fijas, se dibuja una curva cuyas ordenadas sean el flujo de masa y cuyas abscisas sean la relación entre las presiones de salida y entrada, resulta la curva representada en la figura 3.8, cuando , es evidente que no hay desplazamiento de vapor. A medida que la presión de salida se hace más pequeña que la de entrada, el flujo aumenta a lo largo de hasta . Si la presión de salida continúa decreciendo, el flujo no aumenta, como podía esperarse, sino que permanece constante a lo largo de hasta . ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 136 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. El punto en el cual , se denomina presión crítica para el vapor húmedo. La abscisa de la presión crítica para el vapor recalentado es igual a . Para el aire y otros gases en los cuales , la presión crítica es . Figura 3.8 Características del caudal a través de una tobera. Desviaciones con respecto a las condiciones isoentrópicas. En primera aproximación es costumbre al considerar el comportamiento de una tobera o de una turbina suponer que el proceso es isoentrópico. La desviación respecto a lo ideal se puede evaluar con un coeficiente. En consecuencia, el coeficiente de descarga define como: para una tobera se (Ecuación 3.15) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 137 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. En las toberas bien diseñadas se acerca a El término coeficiente de tobera para gases y vapores. se define por: y también, (Ecuación 3.16) Donde: Entalpía antes de la expansión isoentrópica, en Entalpía después de la expansión isoentrópica, en Lo valores de están comprendidos entre humedad no pase del 10%. . . para vapores cuya Coeficiente de escalonamiento. El coeficiente de escalonamiento se define como la relación entre la energía realmente cedida a los álabes y la que se hubiera cedido si la expansión fuese isoentrópica. (Ecuación 3.17) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 138 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Si sobre el diagrama de Mollier se marcan los diferentes puntos-estado del vapor a medida que éste pase de escalonamientos a escalonamiento de una turbina, resulta la denominada curva de estado o de funcionamiento. En una turbina real dicha curva se puede hallar experimentalmente midiendo, entre los sucesivos escalonamientos, la presión y temperatura siempre que el vapor se halle en la región del recalentamiento. Si lo está en la de la saturación, es preciso conocer su título, y hay que recurrir al calorímetro para determinarlo. En la figura 3.9 aparece dicha curva. Figura 3.9 Curva de estado correspondiente a una turbina de vapor. La energía absorbida del vapor al pasar éste por el álabe es (Ecuación 3.18) Donde es el flujo de masa de vapor en . ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 139 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Escalonamientos de las turbinas de vapor. Los escalonamientos de las turbinas tienen por objeto disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los álabes próxima al valor óptimo con relación a la velocidad del chorro, es decir, esencialmente una mitad de la velocidad del chorro en los rodetes de las turbinas de acción con un solo escalonamiento, y la equivalente a la velocidad del chorro en los rodetes de reacción. La velocidad de un chorro de vapor puede ser muy elevada, dependiendo de la presión y temperatura iniciales del vapor, así como también de la contrapresión. Figura 3.10 Diagrama de velocidades correspondientes a los álabes de una turbina de acción. Figura 3.11 Trabajo disponible en el eje y relaciones entre las velocidades de los álabes y del vapor, para turbinas de acción. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 140 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Si toda la energía se transformase en trabajo útil con un solo escalonamiento, sería necesario que la turbina girase a una velocidad comprendida entre . Los dos tipos de escalonamientos utilizados corrientemente son: 1.- De presión 2.- De velocidad En el primer caso la caída de presión se produce en grupos de toberas, de forma que la velocidad resultante del vapor es suficientemente baja para ser absorbida por una velocidad razonable de rodete. Este proceso se repite tantas veces como sea necesario para expansionar el vapor completamente, y se denomina comúnmente escalonamiento de Rateau. El escalonamiento de velocidad consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de álabes como sean necesarios. Este método de escalonamiento se conoce por principio de Curtis. Figura 3.12 Turbina de vapor de escalonamientos múltiples con diez escalonamientos de presión; el primero de presión tiene dos de velocidad y los nueve restantes sólo tienen uno de velocidad cada uno. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 141 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Clasificación. Los distintos tipos de turbinas de vapor son los siguientes: Turbina de condensación directa. Todo el vapor penetra en la turbina a una presión y sale también de la misma, por el contacto de expulsión, a una presión inferior a la atmosférica. Turbina directa sin condensación. Todo el vapor ingresa a la turbina a presión y sale por la misma por el conducto de expulsión a una presión igual o mayor que la atmosférica. Turbina de extracción automática o no automática, de condensación o no condensación. El vapor se extrae de una o más etapas, pero sin contar con medios para controlar la presión del vapor extraído. Turbina de extracción e inducción automática de condensación o no condensación. El vapor se extrae de una o más etapas, o bien, se induce a las mismas utilizando medios para controlar las presiones del vapor de extracción o de inducción. Turbina de presión mixta, de condensación o no condensación. El vapor entra en la turbina a dos o más presiones, atravesando aberturas de entradas separadas, con medios para controlar las presiones de vapor de entrada. Turbinas de recalentamiento. Después de que el vapor se ha expandido a través de varias etapas, sale de la turbina y pasa por una sección de la caldera de donde se somete a un sobrecalentamiento. El vapor sobrecalentado se devuelve entonces a la turbina para su expansión posterior. Las turbina de vapor se clasifican en de acción y de reacción. En las primeras, la expansión del vapor se realiza en órganos fijos (toberas) y en las segundas en órganos móviles (rodetes). La turbina de reacción pura no es hoy una proposición práctica, por lo cual las hoy llamadas turbinas de reacción son realmente mixtas: acción-reacción. Tanto a las de acción como a las de reacción es posible aplicarles la ley de Newton del movimiento, la cual dice que “a cada acción corresponde una reacción igual y en sentido contrario”. Las turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor entra por las toberas y se expansiona hasta una presión más pequeña. Al hacerlo, el chorro de vapor adquiere una gran velocidad. Parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los álabes de la turbina, de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 142 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3.2 ELEMENTOS DE UNA TURBINA DE VAPOR. 3.3 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO. T urbinas, en ellas el potencial energético disponible en un chorro de vapor o gas es captado por una rueda provista de álabes. El desarrollo de la turbina de vapor es producto del esfuerzo de muchos investigadores, entre los que destacan cuatro nombres. Durante la década de 1880 G.C.P de Laval produjo las primeras turbinas de vapor de importancia comercial. Esta era una máquina simple, de una etapa; el diseño básico fue mejorado por C.G. Curtis y A.C.E Rateau (a través de escalonamientos de velocidad y de presión, respectivamente). Las máquinas anteriores son del tipo de acción; C.A Parsons, trabajando en forma independiente con un enfoque diferente, produjo una turbina de reacción exitosa. Una turbina de vapor es un aparato utilizado para convertir la energía térmica del vapor en trabajo útil. Sus principales componentes son: 1). El rotor, que contiene las aspas 2). La columna sobre la que gira el rotor 3). Las toberas o aspas modificadas a través de las cuales el vapor se expande. Figura 3.13 Turbina de vapor. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 143 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Las turbinas de vapor se dividen en dos categorías generales: las que se utilizan para generar energía eléctrica y las unidades que se usan para mover bombas, compresores, etc; las cuales también se conocen como turbinas de propulsión mecánica. Las turbinas de vapor y gas también se pueden clasificar de acuerdo con la dirección general del flujo de fluido de trabajo a través de la máquina, es decir, el flujo radial y flujo axial. Hoy en día, la mayor parte de las turbinas están diseñadas para el flujo axial del vapor o gas (no así los compresores). ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 144 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN. L as turbina de vapor se regulan ya sea por estrangulación o por medio de controles de tobera. El control por estrangulación (figura 3.14 a) es el que más se emplea, especialmente en turbinas pequeñas, debido a que su costo inicial es menor y su mecanismo es sencillo. El caudal de vapor que entra en la turbina es restringido por medio de una válvula equilibrada, gobernada por los pesos de un regulador de fuerza centrífuga. A medida que estos pesos se desplazan radialmente al crecer la velocidad de la turbina, un mecanismo mueve la válvula para que reduzca el caudal de vapor que entra en la turbina. La tensión del muelle, la cual es opuesta a la fuerza desarrollada por los pesos, puede graduarse a mano mediante un tornillo para ajustar los límites de la velocidad. La figura 3.14 b representa un regulador típico de protección contra el embalamiento. Figura 3.14 Regulador Elliot de estrangulación y velocidad constante y dispositivo de seguridad para el caso de velocidades excesivas (embalamiento). ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 145 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. El control de toberas se realiza en la forma indicada en la figura 3.15. Figura 3.15 Válvulas de regulación del tipo Allis-Chalmers, junto con su mecanismo. Una serie de válvulas descubre tantos pasos de vapor como sean necesarios para satisfacer la demanda de carga; cada paso abastece una batería de toberas. La figura 3.16 representa otro procedimiento para el control automático de las válvulas de entrada. Un émbolo activo mueve un sector dentado, el cual a su vez cambia la posición del árbol de levas; los balancines accionados por estas levas abren o cierran las válvulas e consonancia con la carga. Figura 3.16 Válvula automática reguladora de la tobera, tipo Worthington. (FIG 164) El regulador del tipo de tobera tiene la ventaja de que permite utilizar el vapor a una presión prácticamente igual a la de la caldera, toda vez que la estrangulación solamente tiene lugar en la válvula que queda parcialmente abierta. Por el contrario, con el regulador del tipo de estrangulación, todo el vapor pierde presión antes de alcanzar la turbina cuando ésta trabaja con carga parcial. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 146 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3.5 APLICACIONES, SELECCIÓN Y EVALUACIÓN. L as turbinas de vapor industriales posibilitan una generación eficiente de electricidad y mejoran la rentabilidad de procesos industriales. Sus aplicaciones son: Sectores Empresas energéticas. Productores independientes de electricidad. Industria química. Petroquímica/refinerías. Madereras, papeleras. Minería, metalúrgica y siderurgia, acerías. Industria procesadora, cementera. Industria azucarera, de etanol y de aceite de palma. Industria de alimentos y bebidas. Campos de aplicación Plantas de ciclo combinado. Plantas de cogeneración (electricidad y calor). Plantas de recuperación de calor. Centrales energéticas de biomasa. Plantas incineradoras de basura. Centrales termo-solares. Plantas geotérmicas. Accionamientos mecánicos. Barcos/ plataformas marítimas. Ventajas Alto rendimiento, eficiencia. Gran fiabilidad y disponibilidad. Soluciones comprobadas a medida del cliente. Diseño compacto. Puesta en servicio y mantenimiento sencillos. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 147 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Catálogo de selección de turbinas de vapor marca Siemens. Turbinas de Vapor Industriales de 20 a 250 Turbinas de Vapor Prediseñadas hasta 10 MW ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 148 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3.6 PRINCIPIOS DE MANTENIMIENTO. U na turbina de vapor es un equipo especialmente agradecido con el mantenimiento preventivo. Al ser un equipo en general bien conocido (es la máquina térmica más antigua), los fabricantes suelen haber resuelto ya la mayor parte de sus problemas de diseño. Por tanto, una operación cuidadosa y un adecuado plan de mantenimiento programado se traducen necesariamente en una alta disponibilidad. Mantenimiento operativo diario. Comprobación de alarmas y avisos. Vigilancia de parámetros (niveles de vibración, revoluciones, temperaturas de entrada y salida del vapor, presiones de entrada y salida, presión, temperatura y caudal de aceite de lubricación, presión de vacío del depósito de aceite de lubricación, comprobación de nivel de aceite, presión diferencial de filtros, entre otros). Inspección visual de la turbina y sus auxiliares (fugas de aceite, fugas de vapor, fugas de agua de refrigeración, ruidos y vibraciones anormales, registro de indicadores visuales). Mantenimiento quincenal. Inspección visual de la turbina. Inspección de fugas de aceite. Limpieza de aceite (si procede). Comprobación del nivel de aceite. Inspección de fugas de vapor. Inspección de fugas de agua de refrigeración. Lectura de vibraciones (amplitud). Inspección visual de la bancada. Inspección visual del grupo hidráulico de aceite de control. Inspección visual del sistema de eliminación de vahos. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 149 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Tareas de mantenimiento de carácter mensual. Muestra de aceite para análisis. Purga de agua del aceite. Comprobación de lubricación de reductor y de alternador. Análisis del espectro de vibración en turbina, reductor y alternador, a velocidad nominal. Revisión anual. Si se realizan todas las actividades que se detallan en esta lista, en realidad se están eliminando todas las causas que provocan las averías más frecuentes. Si se compara esta lista de tareas con la lista de averías más frecuentes se puede comprobar que esta revisión está orientada a evitar todos los problemas habituales de las turbinas. La razón de la alta disponibilidad de estos equipos cuando se realiza el mantenimiento de forma rigurosa es que realmente se está actuando sobre las causas que provocan las principales averías. Análisis del espectro de vibración de turbina, reductor y alternador, a distintas velocidades y en aceleración. Se verifica así la posible ausencia de problemas en cojinetes, el estado de la alineación y el equilibrado de los tres equipos. Inspección boroscópica de álabes. Con esta tarea se comprueba el estado de los álabes, las posibles incrustaciones que puedan haber aparecido en la superficie de éstos y defectos en algunos de ellos, por roces o impactos. Apertura de cojinetes y comprobación del estado. Cambio de cojinetes si procede. La mayor parte de los cojinetes pueden cambiarse o revisarse sin necesidad de abrir la turbina. Esto garantiza un funcionamiento ausente de vibraciones causadas por el mal estado de los cojinetes de apoyo y/o empuje. Cambio de aceite, si procede (según el análisis). Si es necesario se sustituye el aceite, pero no es habitual cambiar el aceite de forma sistemática sin haber detectado síntomas de que está en mal estado. Esta acción evita trabajar con un aceite en mal estado y garantiza la ausencia de problemas de lubricación. Cambio de filtros de aceite. Esto garantiza el buen estado del aceite y la filtración de partículas extrañas. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 150 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Inspección de la válvula de regulación de turbina. Esto garantiza el buen estado de los elementos internos de la válvula, su correcto funcionamiento y la comprobación del filtro de vapor de la válvula, lo que hará que la regulación sea la correcta, no haya problemas de sincronización ni de regulación y no pasen elementos extraños a la turbina que puedan haber sido arrastrados por el vapor. Inspección del grupo hidráulico. Cambio de filtros y de aceite, si procede. Inspección del sistema de eliminación de vahos. El funcionamiento a vacío del depósito de aceite garantiza que los vapores que se produzcan, especialmente los relacionados con el agua que pueda llevar mezclado el aceite, se eliminan. Eso ayudará a que la calidad del aceite de lubricación sea la adecuada. Comprobación de pares de apriete de tornillos. El apriete de los tornillos de sujeción a la bancada y los tornillos de la carcasa, entre otros, deben ser revisados. Esto evitará, entre otros problemas de vibraciones debidos a un deficiente anclaje. Comprobación de alineación de turbina-reductor y reductoralternador. La comprobación visual de estos acoplamientos elásticos evitará entre otros efectos la aparición de problemas de vibración. Calibración de la instrumentación. Muchas de las señales incorrectas y medidas falsas que provocan un mal funcionamiento de la turbina pueden ser evitados con una calibración sistemática de toda la instrumentación. Inspección visual de los sellos laberínticos, por si se hubiese dañado desde la última inspección. Comprobación de la presión del vapor de sellos. La presión de sellos debe estar regulada a una presión determinada, ni más ni menos. Una menor presión hará que el vapor escape al exterior, se pierda energía y se puedan provocar algunos daños (en algunos casos la contaminación del aceite, al entrar ese vapor en el cojinete, que suele estar muy cerca; en otros, puede afectar a algún sensor de medida no preparado para recibir el vapor caliente). Termografía de la turbina. Esta prueba, a realizar con la turbina en marcha, permitirá saber si se están produciendo pérdidas de rendimiento por un deficiente aislamiento o por fugas de vapor. Limpieza y mantenimiento del cuadro de control. Curiosamente, muchas averías en sistemas eléctricos y electrónicos están causados por la suciedad. Mantener los cuadros en su correcto estado de limpieza garantiza la ausencia de estos problemas. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 151 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Inspección del virador. El virador es un elemento importantísimo durante las paradas. Un mal funcionamiento supondrá una dificultad o imposibilidad de arrancar la turbina. La inspección es sencilla y garantiza el correcto arranque tras una parada. Prueba de potencia. Al finalizar la inspección será conveniente comprobar las prestaciones de la turbina, especialmente la potencia máxima que es capaz de alcanzar. Limpieza del alternador. La limpieza interior del alternador especialmente los que se refrigeran por aire, suelen realizarlo empresas especializadas, con productos especiales. Verificación eléctrica del alternador. Es necesario verificar tanto el alternador como sus protecciones. En el caso de que el personal habitual no tenga los conocimientos oportunos es conveniente realizarlo con empresas especializadas. Cambio de filtros del alternador. Los filtros de aire del alternador, especialmente en los refrigerados con aire, tienen como misión garantizar que aire en contacto con los bobinados está limpio. La comprobación del estado de estos filtros y su sustitución aprovechando la parada anual suelen garantizar la ausencia de problemas en la filtración del aire. Principales repuestos. El análisis de las averías que puede sufrir una turbinase deduce el material que es necesario tener en stock para afrontar el mantenimiento. Todas las piezas que la componen pueden dividirse en cuatro categorías: Tipo A: Piezas que es necesario tener en stock en la planta, pues un fallo supondrá una pérdida de producción inadmisible. Este, a su vez, es conveniente dividirlo en tres categorías: Material que debe adquirirse necesariamente al fabricante del equipo. Suelen ser piezas diseñadas por el propio fabricante. Material estándar. Es la pieza incorporada por el fabricante del equipo y que puede adquirirse en proveedores locales. Consumibles. Son aquellos elementos de duración inferior a un año, con una vida fácilmente predecible, de bajo coste, que generalmente se sustituyen sin esperar a que den síntomas de mal estado. Su fallo y su desatención pueden provocar graves averías. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 152 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Tipo B: Piezas que no es necesario tener en stock, pero es necesario tener localizadas. En caso de fallo, es necesario no perder tiempo buscando proveedor o solicitando ofertas. De esa lista de piezas que es conveniente tener localizadas deberemos conocer, pues, proveedor, precio y plazo de entrega. Tipo C: Consumibles de uso habitual. Se trata de materiales que se consumen tan a menudo que es conveniente, tenerlos cerca, pues ahorra trámites burocráticos de compra y facilita la operatividad del mantenimiento. Tipo D: Piezas que no es necesario preveer, pues un fallo de ellas no supone ningún riesgo para la producción de la planta (como mucho supondrá un pequeño inconveniente). En cuanto a los criterios de selección de stock hay que tener en cuenta cuatro aspectos: Criticidad del fallo. Los fallos críticos son aquellos que, cuando suceden, afectan la seguridad, al medioambiente o a la producción. Por tanto, las piezas necesarias para subsanar un fallo que afecte de manera inadmisible a cualquiera de esos tres aspectos deben ser tenidas en cuenta como piezas que deben integrar el stock de repuesto. Consumo. Tras el análisis del histórico de averías, o de la lista de elementos adquiridos en periodos anteriores (uno o dos años), puede determinarse que elementos se consumen habitualmente. Todos aquellos elementos que se consuman de forma habitual y que sean de bajo coste deben considerarse como firmes candidatos a pertenecer a la lista de repuesto mínimo. Así, los elementos de bombas que no son críticas pero que frecuentemente se averían, deberían estar en stock (retenes, rodetes, cierres, etc). Determinados elementos sensores como termopares, sensores de posición, presostatos, etc; que trabajan en condiciones difíciles que por tanto sufren averías frecuentes, suelen forma parte de este stock por su alto consumo. Por último, aquellos consumibles de cambio frecuente (aceites, filtros) deberían considerarse. Plazo de aprovisionamiento. Algunas piezas se encuentran en stock permanentemente en proveedores cercanos a la planta. Otras, en cambio, se fabrican bajo pedido, por lo que su disponibilidad no es inmediata, e incluso, su entrega puede demorarse meses. Eso puede suponer una alta indisponibilidad del motor, en caso de llegar a necesitarse. Por tanto aquellas piezas necesarias para la reparación de un fallo no crítico cuya entrega no sea inmediata y pueda demorarse durante meses, podría se r interesante que en algunos casos formaran parte del almacén de repuesto. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 153 Máquinas y Equipos Térmicos I Unidad 3. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Coste de la pieza. Puesto que se trata de tener un almacén con el menor capital inmovilizado posible, el precio de las piezas formará parte de la decisión sobre el stock de las mismas. Aquellas piezas de gran precio (grandes ejes, coronas de gran tamaño, equipos muy especiales) no deberían mantenerse en stock en la planta, y en cambio, deberían estar sujetas a un sistema de mantenimiento predictivo eficaz. Para estas piezas también debe preverse la posibilidad de compartirse entre varias plantas. Algunos fabricantes motores ofrecen este interesante servicio. Las piezas que suelen mantenerse en stock para afrontar el mantenimiento de una turbina de vapor son las siguientes: Juego de cojinetes radiales y axiales. Tarjetas de entradas/salidas del sistema de control. Sellos de carbón (si los tiene). Válvula de admisión: elementos internos de la válvula, set completo + filtro de vapor. Instrumentación (sensores de velocidad y posición, sensores de temperatura y termopares, sensores de presión, transmisores). Manómetros y termómetros visuales. Filtros de aceite y aire. Filtros de aire del alternador. Válvulas manuales y trampas de vapor. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ing. Jorge Roa Díaz Página 154
