termodinámica

1. TERMODINAMICA
(PROFESORA NATALIA BUGUEÑO)
TURBINA DE VAPOR
Integrantes
Claudio Corbalán
Jean Falcon
Gustavo Núñez
Pablo Ibáñez

2. TERMODINAMICA
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INDICE DE CONTENIDOS
1 CAPITULO 1............................................................................................... 3
1.1 Prologo.....................................................................................................3
1.2 Introducción.............................................................................................3
1.3 Historia .....................................................................................................4
1.4 Turbina de vapor moderna .....................................................................5
2 CAPITULO 2............................................................................................... 6
2.1 Ley cero de la termodinámica ................................................................6
2.2 Primera ley de la termodinámica............................................................6
2.3 Ciclo termodinámico Rankine ................................................................7
2.4 Proceso ....................................................................................................7
2.5 Ciclo Rankine simple ..............................................................................8
2.6 Ciclo Rankine con recalentamiento.......................................................9
2.7 Ciclo Rankine con regeneración............................................................9
2.8 Eficiencia adiabática .............................................................................10
3 CAPITULO 3............................................................................................. 11
3.1 Usos en la industria de la turbina a vapor. .........................................11
3.2 Principio de funcionamiento y diseño.................................................12
3.3 Partes y piezas de una turbina de vapor .............................................13
3.3.1 Componentes principales ...................................................................... 13
3.3.2 Componentes secundarios .................................................................... 15
3.4 TIPOS DE TURBINAS ............................................................................17
3.4.1 Clasificación de las turbinas a vapor ..................................................... 18
3.4.2 Turbinas compuestas ............................................................................ 19
4 CAPITULO 4............................................................................................. 22
4.1 Resumen. ...............................................................................................22
4.2 Conclusión.............................................................................................22
5 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................ 22

3. TERMODINAMICA
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1 CAPITULO 1
1.1 Prologo
El presente documento, explica de forma técnica y comprensible, el proceso
termodinámico detrás del funcionamiento de una turbina a vapor, este proceso
permite la transformación de la energía desde su forma de calor, mecánica y por
ultimo eléctrica, para ser utilizada en una variedad de usos.
1.2 Introducción
Las turbinas de vapor convierten la energía térmica del vapor en trabajo en un
eje. Esta conversión se logra con una expansión de presión alta a baja, en forma
reversible o irreversible. En el caso normal, a las turbinas de vapor se les consideran
maquinas adiabáticas.
Los condensadores reciben el vapor que sale de la turbina y ese vapor se
condensa y forma un líquido saturado, al eliminarle calor. El diagrama de Mollier es
una gráfica de entalpia-entropia, con el que se pueden determinar las propiedades
del vapor. A veces se usa en lugar de las tablas de vapor.
El ciclo simple de la turbina de vapor se puede describir con más exactitud
usando un ciclo Rankine modificado, que incluya las ineficiencias en bombas,
turbinas y calderas. El ciclo con recalentamiento es una variación del ciclo Rankine
simple que permite agregar más calor a alta temperatura. El ciclo con
recalentamiento usa una turbina de alta presión, una sección de recalentamiento en
un generador de vapor y una turbina de baja presión. Las eficiencias térmicas de los
ciclos con regeneración suelen ser mayores que las de los ciclos Rankine simples.
El calentamiento regenerativo es otra forma de aumentar la eficiencia térmica
de la turbina a gas. En el calentamiento regenerativo se recircula algo de la energía
térmica en el vapor, en lugar de rechazar esa energía en el condensador, puede
haber mas de una etapa regenerativa en una turbina de vapor.
La turbina regenerativa con recalentamiento representa el estado actual de la
técnica en generación de la potencia. En este sistemas se usan tanto el
recalentamiento como la regeneración, y las eficiencias térmicas son las mayores
que se pueden obtener. Para analizar los diversos ciclos de potencia con turbinas.

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1.3 Historia
El primer dispositivo que puede ser clasificado como una turbina de vapor de
reacción era poco más que un juguete, el Aeolipile clásica, descrita en el siglo
primero por el matemático griego Herón de Alejandría en Egipto romano. En 1551,
Taqi al-Din en Egipto Otomano describe una turbina de vapor con la aplicación
práctica de la rotación de un asador. Turbinas de vapor también fueron descritos por
el italiano Giovanni Branca y John Wilkins en Inglaterra. Los dispositivos descritos
por al-Din y Wilkins se conocen hoy como tomas de vapor.
AEOLIPILE
(Primer dispositivo empujado por vapor)

5. TERMODINAMICA
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1.4 Turbina de vapor moderna
La turbina de vapor moderno fue inventada en 1884 por Sir Charles Parsons,
cuyo primer modelo fue conectado a una dinamo que genera 7,5 kW de electricidad.
La invención de la turbina de vapor de Parsons hizo electricidad barata y abundante
posible y revolucionó el transporte marítimo y la guerra naval. Su patente fue
licenciada y la turbina a escala poco después por un estadounidense, George
Westinghouse. La turbina Parsons también resultó ser fácil de escalar. Parsons tuvo
la satisfacción de ver su invento adoptado para todas las centrales eléctricas del
mundo, y el tamaño de los generadores se había incrementado desde sus primeros
7,5 kW establecidos para unidades de capacidad de 50 000 kW. Dentro de toda la
vida de Parson, la capacidad de generación de una unidad se redujo hasta en
alrededor de 10.000 veces, y la producción total de turbogeneradores construidos por
su firma de CA Parsons and Company y por sus licenciatarios, para los propósitos
tierra por sí sola, se había excedido treinta millones de caballos de energía.
Un número de otras variaciones de las turbinas se han desarrollado que el
trabajo eficaz con vapor de agua. La Laval turbina de vapor para acelerar la
velocidad máxima antes de ejecutarlo contra un álabe de turbina. Impulso de la
turbina de De Laval es más simple, menos costoso y no necesita ser a prueba de
presión. Puede operar con una presión de vapor de agua, pero es mucho menos
eficiente.
Uno de los fundadores de la moderna teoría de las turbinas de vapor y gas
también fue Aurel Stodola, un físico e ingeniero eslovaco y profesor suizo Instituto
Politécnico de Zurich. Su obra de madurez fue Die Dampfturbinen und ihre
Aussichten del als Wrmekraftmaschinen que fue publicado en Berlín en 1903 - En
1922, en Berlín, se publicó otro libro importante Dampf und Gas-Turbinen.
La turbina Curtis Brown-que había sido originalmente desarrollado y patentado
por los EE.UU. la empresa internacional Curtis Marine Turbine Company fue
desarrollado en la década de 1900 junto con John Brown y Company. Fue utilizado
en los buques mercantes y buques de guerra de John Brown, incluyendo
revestimientos y buques de guerra Royal Navy..

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2 CAPITULO 2
2.1 Ley cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica establece que si un cuerpo A se encuentra a
la misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la misma temperatura que un
tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendrá la misma temperatura que el cuerpo C.
Por lo cual estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como el B y C, estarán los
tres, en equilibrio térmico. Es decir: los cuerpos A, B y C, tendrán igual temperatura.
Si dos o más cuerpos se encuentran a diferente temperatura y son puestos en
contacto, pasado cierto tiempo, alcanzarán la misma temperatura, por lo que estarán
térmicamente equilibrados.
Esta ley de la termodinámica ha sido utilizada en dispositivos como el
termómetro para medir temperatura. A pesar de que el termómetro es primitivamente
usado desde la época de Galileo, esta ley fue enunciada mucho después, por James
Clerk Maxwell, y formulada como una ley posteriormente por Ralph Fouler.
2.2 Primera ley de la termodinámica
También conocida como principio de conservación de la energía para la
termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste
intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
En palabras llanas: "La energía no se crea ni se destruye: solo se transforma".
Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria
que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y
energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su
obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas
para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la
termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más
tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera
matemática, las bases de la termodinámica.
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

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Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos
termodinámico, queda de la forma:
Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor
aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma
∆U = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su
diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional
2.3 Ciclo termodinámico 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.
2.4 Proceso
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso
termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de
trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen
otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine
orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en
una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande
para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un
generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor
de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde
el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado
mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago).
Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase

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líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera
el ciclo.
Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia,
como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina,
recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a
caldera.
Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica
(centrales termo-solares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de
colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo
de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales
fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los
mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.
2.5 Ciclo Rankine simple
Figura n°1
Temperatura medida a la cual se recibe calor:
Un ciclo reversible cumple:

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2.6 Ciclo Rankine con recalentamiento
Figura n°2
La expansión de la turbina se realiza en dos etapas, recalentando el vapor
entre ellas.
 Aumenta la temperatura medida a la cual recibe el calor.
 Aumenta la calidad a la salida de la turbina.
2.7 Ciclo Rankine con regeneración
Figura n°3
 Requiere dos bombas.
 División de flujo en la turbina ᶋ≡m6/m
 En OFH ideal ᶋ se ajusta para que →3:liquido saturado

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2.8 Eficiencia adiabática
Figura n°4
En una turbina
De modo que
En una bomba o compresor

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3 CAPITULO 3
3.1 Usos en la industria de la turbina a vapor.
Desde el comienzo de la utilización de la turbina a vapor, para el movimiento de
equipos mecánicos (1880) hasta nuestros días, esta se ha confinado a la industria de
producción de energías.
Siendo las termoeléctricas o centrales térmicas de energía eléctrica las que la utilizan
mayormente, estas se dividen en:
 Centrales térmicas de quema de Carbón
 Centrales térmicas de quema de Diésel (de alto costo de operación)
 Centrales térmicas de quema de Gas
 Centrales térmicas nucleares.
Para todos los casos el proceso es el mismo descrito anteriormente, una fuente de
calor, agua, la turbina de vapor y un generador de corriente.
Diagrama de proceso básico
Central termoeléctrica

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3.2 Principio de funcionamiento y diseño
Una turbina de vapor ideal se considera que es un proceso isentrópico, o
proceso de entropía constante, en el que la entropía del vapor que entra en la turbina
es igual a la entropía del vapor que sale de la turbina.
El funcionamiento de esta se basa en el principio termodinámico que expresa
que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía
interna. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por
la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de
una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se expande, la reducción de su
energía interna en 400 cal puede producir un aumento de la velocidad de las
partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía disponible es muy
elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras.
Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de
las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los
que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía
cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta
velocidad. La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de turbina.
Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o
tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los
tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y
varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores.

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3.3 Partes y piezas de una turbina de vapor
3.3.1 Componentes principales
El rotor:
El rotor de una turbina de acción es de acero fundido con ciertas cantidades
de Níquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de diámetro aproximadamente
uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los alabes se acoplan en
caliente al rotor. También se pueden fabricar haciendo de una sola pieza forjada al
rotor, maquinando las ranuras necesarias para colocar los alabes.
Los alabes se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de cromo-hierro, con
las curvaturas de diseño según los ángulos de salida de vapor y las velocidades
necesarias. Son criticas las últimas etapas por la posibilidad de existencia de
partículas de agua que erosionarían a los alabes. Por ello se fija una cinta de metal
satélite soldado con soldadura de plata en el borde de ataque de cada alabe para
retardar la erosión.
La carcasa:
La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la
parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas contienen las coronas
fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan de hierro, acero o de
aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de trabajo, obviamente las partes
de la carcasa de la parte de alta presión son de materiales más resistentes que en la
parte del escape. La humedad máxima debe ser de un 10% para las últimas etapas.
Normalmente se encuentra recubierta por una manta aislante que disminuye la
radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se enfríe y pierda energía
disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta manta aislante suele estar recubierta
de una tela impermeable que evita su degradación y permite desmontarla con mayor
facilidad.
Alabes:
Los alabes fijos y móviles se colocan en ranuras alrededor del rotor y carcasa.
Los alabes se pueden asegurar solos o en grupos, fijándolos a su posición por medio
de un pequeño seguro, en forma perno, o mediante remaches. Los extremos de los
alabes se fijan en un anillo donde se remachan, y los más largos a menudo se

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amarran entre sí con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para
darles rigidez.
Válvula de regulación:
Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los elementos más
importantes de la turbina de vapor. Es accionada hidráulicamente con la ayuda de un
grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente. Forma parte de dos
lazos de control: el lazo que controla la velocidad de la turbina y el lazo que controla
la carga o potencia de la turbina.
Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales:
Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de
una capa lubricante que disminuya la fricción. Son elementos de desgaste, que
deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia establecida si su
coste es bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y
cambio cuando se encuentren en un estado deficiente.
Cojinete de empuje o axial:
El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la
dirección del eje, Evitando el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor
repercuta en el reductor, dañándolo seriamente. No se encuentra en contacto con el
eje si no que hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje.
El cojinete está construido en un material blando y recubierto por una capa de
material que disminuya la fricción entre el disco y el cojinete. Además, debe
encontrarse convenientemente lubricado.
Para comprobar el estado de ese cojinete, además de la medida de la
temperatura y de las vibraciones del eje, se mide de forma constante el
desplazamiento axial. Si se excede el límite permitido, el sistema de control provoca
la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta en marcha.

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3.3.2 Componentes secundarios
Sistema de lubricación:
Proporciona el fluido lubricante, generalmente aceite. Para asegurar la
circulación del aceite en todo momento el sistema suele estar equipado con tres
bombas:
Bomba mecánica principal:
Esta acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre este girando la
turbina está girando la bomba, asegurándose así la presión de bombeo mejor que con
una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques esta bomba no da presión
suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al menos una bomba adicional
Bomba auxiliar:
Se utiliza exclusivamente en los arranques, y sirve para asegurar la correcta
presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este servicio. Se conecta
antes del arranque de la turbina y se desconecta a unas revoluciones determinadas
durante el arranque, cambiándose automáticamente de la bomba auxiliar a la bomba
principal. También se conecta durante las paradas de la turbina.
Bomba de emergencia:
Si se produce un problema de suministro eléctrico en la planta, esta queda sin
tensión, durante la parada habría un momento en que las turbina se quedaría sin
lubricación, ya que la bomba auxiliar no tendría tensión. Para evitar este problema, las
turbinas suelen ir equipadas con una bomba de emergencia que funciona con corriente
continua proveniente de un sistema de baterías.
Sistema de extracción de vahos
El depósito de aceite suele estar a presión inferior a la atmosférica para
facilitar la extracción de vapores de aceite y dificultar una posible fuga de aceite al
exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de lubricación suele ir equipado con un
extractor.

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Sistema de refrigeración de aceite
El aceite en su recorrido de lubricación se calienta modificando su viscosidad,
y por tanto, sus características lubricantes, llegando a degradarse si el calor es
excesivo. Para evitarlo, el sistema de lubricación dispone de unos intercambiadores
que enfrían el aceite, estos intercambiadores pueden ser aire-aceite, de forma que el
calor del aceite se evacua a la atmósfera, o agua-aceite, de forma que el calor se
transfiere al circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta.
Sistema de aceite de control
Cuando la válvula de regulación se acciona oleo-hidráulicamente el conjunto
de turbina va equipado con un grupo de presión para el circuito de aceite de control.
Este, debe mantener la presión normalmente entre los 50 y los 200 bares de presión
hidráulica. El sistema de control gobierna la válvula de salida del grupo, que hace
llegar al aceite hasta la válvula de regulación de entrada de vapor con la presión
adecuada.
Sistema de sellado de vapor
Las turbinas de vapor están equipadas con sellos de carbón, que se ajustan al
eje, y/o con laberintos de vapor. Con esto se consigue evitar que el vapor salga a la
atmósfera y disminuyan la eficiencia térmica de la turbina.
Virador
El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el
segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no está en funcionamiento.
Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en
parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un
giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud
del rotor. Si por alguna razón este sistema se detiene (avería del rotor, avería de la
turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de
arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.

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Compensador
Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación
(generalmente las tuberías que conducen al condensador o el propio condensador).
Ya que la carcasa de la turbina sufre grandes cambios de temperatura, este
elemento de unión es imprescindible para controlar y amortiguar el efecto de
dilataciones y contracciones.
3.4 TIPOS DE TURBINAS
Las turbinas de vapor se hacen en una variedad de tamaños que van desde
pequeñas, menores 0,75 unidades de kW utilizados como accionamientos mecánicos
para bombas, compresores y otros equipos accionada por árbol de levas hasta
turbinas de 1.500.000 kW utilizados para generar electricidad. Existen varias
clasificaciones para las turbinas de vapor modernas.
 Turbinas de vapor 1300 @ 1500 Mw
 Turbinas de gas 150 Mw
 Turbinas hidráulicas 700 a 1000 Mw
 Motor diésel 60Mw
TURBINA DE VAPOR TIPICA
(turbina de central térmica )

18. TERMODINAMICA
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3.4.1 Clasificación de las turbinas a vapor
Este tipo de clasificación establecen entre el modo de operación de la turbina
lo que está supeditado a la eficiencia y optimización de la construcción mecánica de
esta y el tipo de aplicación.
Las turbinas se clasifican de muchas maneras, entre las principales son estas:
Las turbinas de acción y las de reacción pueden estar formadas por varios pasos o
etapas. El vapor que sale de una rueda de álabes pasa a otra y así sucesivamente,
se les llama turbinas de etapas múltiples, entonces se tiene un rotor con varias
ruedas y sus respectivos discos de toberas.
Las turbinas combinadas están formadas por ruedas de dos tipos, las primeras
ruedas son de acción y las últimas son de reacción.
El recalentamiento permite seguir aprovechando el vapor en otras etapas de
la turbina, o en otra turbina.
Se extraen pequeñas cantidades de vapor en el recorrido interno de una turbina de
varias etapas. El vapor se aprovecha en otros procesos (calentadores de agua; de
aire, etc.) las extracciones aumentan la eficiencia de la central. La presión del vapor
de las extracciones va disminuyendo según su localización en la turbina.

19. TERMODINAMICA
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3.4.2 Turbinas compuestas
Los tipos de turbinas anteriores pueden agruparse en diferentes formas de tal
manera que cuando el vapor sale de una turbina entra otra y así sucesivamente.
Entonces cada turbina será un componente del grupo y se dice que forman
una turbina compuesta.
Recalentamiento del vapor para las
Turbinas
Turbina de vapor con extracciones

20. TERMODINAMICA
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Turbinas con y sin condensador
Turbinas de funcionamiento por
orientación de flujo

21. TERMODINAMICA
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Turbinas de funcionamiento combinado
(en tándem y por combinación de flujo)
Funcionamiento simplificado de una
turbina de central térmica

22. TERMODINAMICA
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4 CAPITULO 4
4.1 Resumen.
4.2 Conclusión.
5 BIBLIOGRAFÍA
http://www.slideshare.net/icojesusramirez/termodinamica-7edicion-yunes-a-cengel-
michael-a-boles
http://www.slideshare.net/icojesusramirez/termodinamica-7edicion-yunes-a-cengel-
michael-a-boles
http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine