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TURBINAS TÉRMICAS
APLICACIONES

2
TURBOMÁQUINAS
MÁQUINAS DE D. POSITIVO
MÁQUINAS DE FLUIDO
MOTORAS
GENERADORAS
MÁQUINAS TÉRMICAS
MÁQUINAS HIDRÁULICAS
MOTORAS
GENERADORAS
TURBOMÁQUINAS
MÁQUINAS DE D. POSITIVO
MOTORAS
GENERADORAS
MOTORAS
GENERADORAS
Clasificación

3
1. TURBINAS DE VAPOR
2. TURBINAS DE GAS
3. CICLOS COMBINADOS
4. COGENERACIÓN
¿Cuáles son las principales?

1. TURBINAS DE VAPOR
2. TURBINAS DE GAS
4. COGENERACIÓN

5
Las principales aplicaciones de las TV se pueden reunir en tres grupos:
- Producción de energía eléctrica
- Propulsión (barcos, submarinos…)
- Motor industrial de accionamiento
Turbinas de vapor

8
Según la presión a la salida, las turbinas de vapor se clasifican como:
- Turbinas de condensación: La presión a la salida es inferior a la atmosférica.
- Turbinas de escape libre: La presión a la salida es igual a la atmosférica.
- Turbinas de contrapresión: La presión a la salida es superior a la atmosférica.
Turbinas de vapor

Turbinas de vapor
Condensación

Turbinas de vapor
Contrapresión y escape libre

14
TURBINAS DE VAPOR - APLICACIONES
Turbinas de vapor

17
Históricamente una de las principales aplicaciones de las turbinas de gas (TG) y que en
la actualidad sigue teniendo gran importancia, es la sobrealimentación de los motores
alternativos de combustión interna.
Sin embargo, el mayor desarrollo de la TG ha venido propiciado por el progreso de la
que hoy es su principal aplicación: La propulsión aeronáutica.
La II Guerra Mundial supuso un enorme salto tecnológico para la aviación militar y, en
consecuencia, para la aviación civil. Además, el desarrollo de la TG forzó también el
desarrollo de los turbocompresores (TC).
En los últimos años, gracias a los avances realizados en el diseño de las TG, se ha
implantado esta tecnología en la producción de energía eléctrica.
De las TG es especialmente destacable su gran potencia específica.
Turbinas de gas

18
En la siguiente figura se muestra el esquema de funcionamiento de un grupo TG.
Turbinas de gas

19
El aire atmosférico entra al TC, el cual es accionado por la TG. El aire comprimido pasa a
la cámara de combustión, donde se inyecta y quema el combustible, elevándose la
temperatura del aire a presión aproximadamente constante.
A continuación, el aire mezclado con los productos de la combustión, a alta presión y
temperatura, entra a la TG donde se expansiona y cede parte de su energía al rodete.
Como se deduce de la explicación anterior, una parte de la energía aprovechada por el
rodete de la TG se destina a accionar el TC, mientras que el resto podrá ser utilizada en
el eje ó directamente como propulsión a chorro.
Turbinas de gas

20
El ciclo descrito, según el cual funcionan la mayor parte de las TG, se conoce como ciclo
de Brayton.
Turbinas de gas

21
El ciclo de Brayton regenerativo aprovecha el calor de los humos de escape para
precalentar el aire antes de su entrada en la cámara de combustión.
Turbinas de gas

23
Ciclo de Brayton con recalentamiento.
Turbinas de gas

24
Ciclo de Brayton con recalentamiento y refrigeración.
Turbinas de gas

26
Supóngase un proceso de compresión que disponga de n etapas de compresión, por
tanto n-1 refrigeraciones intermedias.
Partiendo de una temperatura t1 y una presión p1 la primera etapa comprime el gas
hasta una presión px1. A continuación, el gas es enfriado hasta la temperatura t1 para
volver a ser comprimido hasta una nueva presión px2.
Este proceso se repetirá hasta alcanzar la presión p2 . El trabajo de compresión total
será igual a la suma de los trabajos de compresión de cada etapa.










−








+
+








+










=
−
−
−
n
p
p
p
p
p
p
T
c
W
xn
x
x
x
p
C





 1
2
1
1
2
1
1
1
1 ...
Turbinas de gas

27
Según la expresión anterior, el trabajo de compresión depende de las presiones
intermedias.
El producto de los términos encerrados entre paréntesis es constante:







 1
1
2
1
2
1
1
2
1
1
1
...
−
−
−
−








=



























p
p
p
p
p
p
p
p
xn
x
x
x
Por tanto, la suma será mínima (y por tanto el trabajo de compresión) cuando:
n
xn
x
x
x
p
p
p
p
p
p
p
p
1
1
2
2
1
2
1
1
... 







=
=
=
= n
i 
 =

Turbinas de gas

28
Según la expresión anterior, el trabajo de compresión es mínimo cuando la relación de
compresión en todas las etapas es la misma.
En el caso particular de una compresión que se realiza en dos etapas:
2
1 p
p
px 
=
Idéntico resultado se obtiene para un proceso de expansión por etapas con varios
recalentamientos intermedios.
Turbinas de gas

Ejemplo: Compresión de 1 a 9 bar en DOS etapas. Aspiración a 20ºC
215
220
225
230
235
240
245
250
255
260
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Trabajo
de
compresión
(kJ/kg)
Presión intermedia (bar)
Turbinas de gas

32
Como se ha mencionado, una de las primeras aplicaciones de las TG fue la de
turbosobrealimentador de los M.A.C.I. En este caso, se trata de un grupo TC-TG sin
cámara de combustión en el que toda la energía absorbida por la turbina se emplea en
accionar el compresor.
Turbinas de gas

33
La aplicación más importante de las TG ha sido siempre la propulsión aeronáutica. Los
motores de reacción funcionan mediante propulsión a chorro.
En estos motores, con la energía del combustible se obtiene la energía cinética del
chorro que propulsa la aeronave. El empuje E se deduce a partir del teorema de la
cantidad de movimiento.
( )
v
w
Q
E −


= 
v = Velocidad de la
aeronave
w = Velocidad del chorro
Turbinas de gas

35
Clasificación de los motores de reacción:
Motores de
reacción
Cohetes (autónomos)
Aerorreactores (no autónomos)
Sin compresor
Con compresor
TG de aviación
Turbinas de gas

36
Clasificación de las TG de aviación:
Turbohélice: Consta de una TG que acciona una hélice. Son adecuados para velocidades
moderadas, empleándose tanto en aviones comerciales como en helicópteros.
Turbinas de gas

37
Turborreactor de un flujo: Consta de una TG que produce la energía mecánica necesaria
para accionar el TC. Los gases de escape se aceleran en una tobera de descarga para
producir la propulsión de la aeronave.
Turbinas de gas

38
Turborreactor de doble flujo o con derivación: También denominado turbofan
(turboventilador), genera el empuje mediante propulsión a chorro; en este caso el
empuje se crea en dos flujos (principal y secundario). Es la tecnología más habitual en la
aviación comercial. Se caracteriza por presentar un buen rendimiento a velocidades
moderadas-altas y por ser menos ruidoso que el turborreactor de un solo flujo.
Turbinas de gas

1. TURBINAS DE VAPOR – APLICACIONES
2. TURBINAS DE GAS – APLICACIONES
4. COGENERACIÓN

42
Por ciclos combinados se entiende la combinación de dos o más ciclos termodinámicos
de potencia de diferente naturaleza que intercambian energía entre ellos. Es habitual la
realización de ciclos combinados utilizando una TG con caldera de recuperación y una
TV.
De esta forma, la energía de los gases de escape de la turbina de gas es aprovechada en
una caldera de recuperación para generar vapor, que es enviado a una turbina de vapor.
Por lo tanto, la potencia obtenida es la suma de las potencias generadas por la TG y TV.
Con este tipo de instalaciones se pueden lograr rendimientos del orden del 55%, ya que
se puede realizar una post-combustión de los gases de escape de la TG, aumentando su
temperatura, y con ello producir vapor sobrecalentado a alta presión en la caldera de
recuperación.
Turbinas de gas

47
En las centrales termoeléctricas más modernas, el rendimiento térmico es del orden del
40%. Esto quiere decir que el 60% de la energía contenida en el combustible se ha
convertido en calor que no se transforma en energía mecánica.
Parte de la energía térmica lo hace en la caldera a través de mecanismos de radiación,
pero sobre todo mediante los gases de combustión por la chimenea a la atmósfera.
Sin embargo, la mayor parte de la energía se pierde en el condensador de la central. La
temperatura a la que se cede este calor en el condensador es muy baja, por lo que se
trata de una energía de baja calidad. Esto quiere decir que su capacidad para producir
trabajo (exergía) es muy pequeña.
Se define la cogeneración como la producción conjunta, en proceso secuencial, de
energía mecánica y energía térmica útil a partir de un ciclo termodinámico.
La cogeneración puede llevarse a cabo a partir de ciclos de vapor, de gas, motores de
combustión interna…
Turbinas de gas

48
Tipos de instalaciones de cogeneración
- Cogeneración industrial
- Sistemas de calefacción de distrito
- Sistemas de energía total (aislados de la red)
- Sistemas integrados (en paralelo con la red)
Ciclos de cogeneración
- Ciclo de cabecera
- Ciclo de cola
Turbinas de gas

49
Tecnologías de cogeneración
- Turbina de vapor de contrapresión (ciclo de cabecera)
- Turbina de vapor de condensación (ciclo de cola)
- Turbina de vapor de condensación y extracción
- Turbina de gas
- Motor de combustión interna (*)
(*) En los motores de combustión interna es aprovechable, además del trabajo
mecánico, parte del calor evacuado mediante humos en el escape, agua de
refrigeración y aceite lubricante.
Turbinas de gas

51
La posibilidad de utilizar el calor residual como fuente de alimentación de un ciclo de
refrigeración por absorción permite optimizar el rendimiento de la instalación.
En este caso, la producción secuencial de trabajo mecánico, calor y frío constituye lo
que se conoce como trigeneración.
Turbinas de gas

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