Ciclo Rankine y la turbina de vapor.Solís Marín Juan Carlos.

Soberanis Pérez Manuel Alejandro.

Sustayta Ferrera Christian Andrés.

Ya Mérida José Alberto.

Ucan España José Israel.

Yépez Bolio Luis.

Ing. Ramón Novelo Coral.

Ciclo Rankine.

El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

El ciclo esta compuesto por los siguientes 4 procesos:

1-2 compresión isentrópica en una bomba.

2-3 adición de calor a presión constante en una caldera.

3-4 expansión isentrópica en una turbina.

4-1 rechazo de calor a presión constante en un condensador.

El agua entra a la bomba en el estado 1 como liquido saturado y se comprime isentrópicamente debido a una ligera disminución en el volumen especifico del agua.

El agua entra a la caldera como liquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. la caldera es básicamente un gran intercambiador de calor que se origina en los gases de combustión y se transfiere al agua esencialmente a presión constante.

El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra a la turbina donde se expande isentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico. La presión y temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. En este estado el vapor es por lo general un vapor húmedo con alta calidad. El vapor sale del condensador como liquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo.

Análisis de energía del ciclo Rankine ideal.

Los cuatro componentes asociados al ciclo Rankine (la bomba, la caldera, la turbina y el condensador) son dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto los cuatro procesos que conforman el ciclo Rankine pueden ser analizados como procesos de flujo estacionario. Por lo general, los cambios en la energía cinética y potencial del vapor son pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor, de manera que son insignificantes. Entonces, la ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa de vapor se reduce a

O,

La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de

Donde

La eficiencia termina también puede interpretarse como la relación entre el área cerrada por el ciclo en un diagrama T-s y el área bajo el proceso de adición de calor.

La diferencia entre el ciclo real y el ciclo ideal

• La fricción del fluido.• Las pérdidas de calor• Las pérdidas en los cojinetes ubicados entre las partes

móviles como consecuencia de la fricción.• El vapor que se fuga durante el ciclo• El aire que ingresa al condensador.

La fricción del fluido

• Ocasiona caída de presión en la caldera, el condensador y las tuberías entre diversos componentes. Como resultado, el vapor sale de la caldera a una presión mucho menor. Además la presión de entrada en la turbina es un poco más baja que la de la salida de la caldera, debido a la caída de presión en los tubos conectores.

Otra fuente muy importante de irreversibilidad es la pérdida de calor del vapor hacia los alrededores cuando este fluido circula por varios componentes.

Irreversibilidades en las bombas y turbinas en las turbinas y bombas existen variaciones de entropía entre la entrada y salida. Originado la disminución en el trabajo entregado por la turbina e incremento del trabajo suministrado a la bomba .

Efecto de las irreversibilidades de la bomba y la turbina en el ciclo Rankine ideal

Para compensar se debe hacer:

• Debe bombear agua a una presión más alta que la que tiene el ciclo ideal para reducir las caídas de presión del sistema

• Es necesario transferir más calor hacia el vapor en la caldera para compensar las pérdidas de calor.

• El los condensadores el líquido debe subenfirarse para evitar el inicio de la cavitación para evitar el daño de los impulsores

Comparación de ciclo real y ciclo ideal Rankine

Esquema del ciclo real Rankine

Turbina que opera con vapor

Es una máquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica.

Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que puede cambiar de fase, entre estos el más importante es el ciclo Rankine.

Turbinas de acción o de impulso.

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 estator. En el paso del vapor por el rotor la presión se mantendrá constante y habrá una reducción de la velocidad.

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.

Turbinas combinadas.

Las turbinas combinadas están formadas por ruedas de dos tipos, las primeras ruedas son de acción y las últimas son de reacción.

Turbinas con condensación.

Las turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad mayor al 90%, a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador.

Turbinas sin condensación.

Las turbinas de sin condensación o de contrapresión son más ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías, plantas de papel y pulpa y en instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.

Turbinas con o sin condensador.

Turbinas con recalentamiento.

• Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente en plantas de potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión.

Recalentamiento del vapor para las turbinas.

Turbinas de extracción.

• Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo.

Turbina con extracción.

Turbinas según el flujo de vapor.

Turbinas compuestas.

Partes de una turbina• Rotor, es la parte móvil de la turbina.• Estator o carcasa, parte fija que aloja el rotor y sirve de armazón y

sustentación a la turbina.• Álabes, órganos de la turbina donde tiene lugar la expansión del vapor.• Álabes fijos, van ensamblados en los diafragmas que forman parte del

estator. Sirven para darle la dirección adecuada al vapor y que empuje sobre los álabes móviles.

• Diafragmas, son discos semicirculares que van dispuestos en el interior de la carcasa perpendicularmente al eje y que llevan en su periferia los álabes fijos.

• Cojinetes, son los elementos que soportan los esfuerzos y el peso del eje de la turbina. Los cojinetes pueden ser radiales, que son aquellos que soportan los esfuerzos verticales y el peso del eje, o  axiales, soportan el esfuerzo en la dirección longitudinal del eje.

• Sistemas de estanqueidad, son aquellos sistemas de cierre situados a ambos extremos del eje de la turbina que evitan que escape el vapor de la turbina.

ELEMENTOS AUXILIARES DE LAS TURBINAS DE VAPOR

De los elementos fundamentales de una turbina, existen otros elementos

auxiliares que son tan importantes como los anteriores. Estos son los siguientes: • Pistón de equilibrio • Cojinetes o chumaceras • Sistema de regulación o gobierno • Sistema de lubricación • Sistema de sellado • Dispositivos de protección

PISTÓN DE EQUILIBRIO En todas las turbinas de reacción existe un empuje axial, que tiende a

desplazar el rotor hacia el sentido del flujo de vapor. En la zona de entrada de vapor

a la turbina de alta presión, el rotor está configurado para formar un pistón de

equilibrio o émbolo de compensación el cual está diseñado para producir el empuje

hacia la terminal de entrada de vapor a la turbina, estando en condiciones normales.

COJINETES O CHUMACERASHay dos tipos de cojinetes en las turbinas de vapor, las cuales se conocen como cojinetes principales o de carga y el cojinete de empuje.

Los cojinetes de carga soportan el peso del rotor de la turbina, impidiéndole cualquier movimiento del mismo en una dirección vertical. Sin embargo, si el rotor no está perfectamente balanceado, los cojinetes estarán sometidos a vibraciones considerables que puedan sobrecargarlos. Están lubricados por aceite forzado a presión y no solamente tienen por objeto su lubricación, sino mantenerlos a la temperatura de operación correcta.

El cojinete de empuje tiene como función absorber los empujes axiales a lo largo del eje y mantener el rotor en su posición correcta con respecto a las partes fijas de la turbina.

SISTEMA DE REGULACIÓN O GOBIERNO

La función de los reguladores en las turbinas es la de mantener constante la velocidad de rotación de la misma al variar la carga. Es decir mantener la condición de operación.

Para el caso de los generadores de corriente alterna se exige una frecuencia constante para lo cual debe mantenerse con mucha exactitud la velocidad de giro de la turbina. En general existen dos tipos de reguladores: • Regulador centrífugo o de bolas • Regulador hidráulico

REGULADOR CENTRÍFUGO O DE BOLAS

Como su nombre lo indica, el regulador centrífugo está compuesto por unos contrapesos adheridos a la flecha, que se mueven hacia adentro o hacia fuera dependiendo de la velocidad de la turbina. Este movimiento de balanceo se aprovecha para que, por medio de un mecanismo, se abra o se cierre la válvula de admisión a la turbina manteniendo la velocidad constante.

REGULADOR HIDRÁULICO

Los reguladores hidráulicos operan regularmente mediante bombas centrífugas o de engranes montados directamente sobre la flecha de la turbina. Esta bombas trabajan con el aceite lubricante de la propia máquina, y tienen dos funciones que desempeñar, lubricar las chumaceras de la máquina y sirven como gobierno de la misma.

SISTEMA DE LUBRICACIÓNPara la lubricación, existen dos sistemas diferentes: • Sistema de lubricación con anillo • Sistema de lubricación a presión

El sistema con anillo levantador de aceite consiste solamente en la colocación

de anillos en las chumaceras de tal manera que al girar levantan el aceite del recipiente de la chumacera y lo depositan en el interior de ésta. Para mantener una

temperatura adecuada del aceite lubricante, se coloca un serpentín en la caja de

aceite de la chumacera por el interior del cual circula agua. La cantidad necesaria de

ésta se controla por medio de una válvula.

El sistema de lubricación a presión está constituido por una bomba, la cual

impulsa el aceite lubricante hasta las chumaceras de la máquina. Previamente el

lubricante pasa por un enfriador para mantener la temperatura deseada y por un

filtro para evitar que las impurezas lleguen a las chumaceras. De las chumaceras

regresa el aceite caliente por gravedad al tanque de aceite.

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN Existen ciertas condiciones de operación que deben ser evitadas por las

turbinas por su alto grado de riesgo como son las vibraciones, velocidad excesiva de

giro, bajo vacío, operar sin lubricación, excesivo desplazamiento axial, alto nivel en

los calentadores de alta y baja presión y otras más. Es por eso que las turbinas

cuentan con las siguientes protecciones: disparo por bajo vacío, por alto nivel en el

calentador de alta presión y baja presión, por selenoide, por altas vibraciones, por

sobrevelocidad.

La protección de sobrevelocidad cuando por cualquier causa, a una turbina de

vapor se le disminuye la carga en forma repentina, tendera a aumentar su velocidad

de rotación, hasta valores muy altos, que podrían en peligro las partes de que está

formada, e inclusive ocasionar su destrucción total. Para evitar daño se han

diseñado los dispositivos "de sobre velocidad" los cuales mediante mecanismos, al

alcanzar la turbina una velocidad predeterminada, cierra en forma momentánea la

válvula de admisión de vapor, llamada de cierre rápido, haciendo que la turbina se

pare.

Este dispositivo de sobre velocidad se calibra para que opere generalmente

con una velocidad de 10 a 15% mayor que la velocidad de trabajo.