Turbina de vapor
¿Qué es una Turbina de Vapor?
La turbina de vapor es una máquina térmica de combustión externa, giratoria. que transforma la energía cinética del vapor en energía de rotación.
Aclaremos un poco más la definición:
Máquina Térmica: Realiza un trabajo mediante calor (calor en trabajo). En este caso el calor que se necesita para generar el vapor que la mueve. Convierte el calor del vapor generado en trabajo de rotación.
Máquina Térmica Externa: La combustión se realiza fuera de la propia máquina, es decir, la producción del vapor mediante calor se realiza fuera de la turbina.
Energía cinética: Energía de movimiento. En nuestro caso la energía cinética (movimiento) del vapor debido a la presión a la que está, se transforma al golpear la turbina, en movimiento de rotación de la turbina. El vapor perderá calor y presión (velocidad) al golpear la turbina.
¿Está un poco más claro? Luego veremos su funcionamiento y lo entenderás todo mucho mejor.
Un Poco de Historia de Las Turbinas de Vapor
La forma y el funcionamiento de las turbinas de vapor recuerdan las ruedas hidráulicas que aún hoy se pueden ver en algunos ríos y que se mueven por la fuerza de la corriente de agua.
Las primeras turbinas de vapor se construyeron en la década de 1880. Trabajando por separado, el inglés Charles A. Parsons y el sueco Carl Gustav de Laval, crearon dos tipos distintos de turbinas de vapor. Desde aquellos tiempo, las turbinas de vapor no han parado de evolucionar y mejorar gracias, en gran medida, a las mejoras en los materiales con los que se construyen, que pueden resistir presiones de hasta 35MPa (mega pascales) y temperaturas de hasta 600º.
¿Cómo Funciona una Turbina de Vapor?
En una caldera se obtiene el vapor haciendo hervir agua. El combustible para calentar el agua puede ser gas, petróleo, carbón o incluso uranio en las centrales nucleares.
El vapor de agua producido es un vapor a mucha presión (alta presión) y con alta velocidad. Imagina una olla (caldera) y la salida de vapor por el agujero de la olla.
A través de unos tubos, llamado toberas, el vapor generado en la caldera se lleva hasta la turbina.
Este vapor conducido por las toberas hasta la turbina, al llegar a la turbina golpea los álabes (paletas) y hace girar la turbina y su eje. El eje de la turbina se llama rotor.
Puedes ver las partes de la turbina de vapor en la imagen anterior. Como verás la caldera no forma parte de la turbina propiamente dicha, es un elemento externo a la turbina.
A una fila de álabes se le llama carrete. Puedes observar que una turbina está formada por varios carretes y cada carrete tiene varios álabes.
En definitiva la energía química del combustible utilizado para calentar el agua se transforma en energía cinética (movimiento rotación del eje).
Si el rotor está enganchado, por ejemplo, a una dinamo o un generador de electricidad, al moverlo producirá corriente eléctrica.
Una vez que el vapor sale de la turbina ha perdido su fuerza y parte de su calor, pero el vapor que quede a la salida lo aprovecharemos condensándolo (convirtiéndolo de vapor gaseoso a líquido) y lo volveremos a llevar a la caldera para posteriormente volver a calentarlo y utilizarlo de nuevo en el circuito.
Como ves es un circuito cerrado de vapor-líquido. De esta forma aprovechamos el calor y la presión residual del vapor a la salida de la turbina siendo mucho menores las pérdidas que si lo enviáramos al exterior (a la atmósfera) perdiéndolo.
Las pérdidas son menores y el rendimiento de la máquina es mucho mayor al ser un circuito cerrado.
La forma de condensar el vapor a la salida de la turbina es mediante lo que se conoce como un condensador, simplemente son unos tubos de agua fría, que al entrar en contacto con el vapor de la turbina, enfrían el vapor y lo condensa. El vapor así condensado, ahora líquido, todavía tiene calor y por lo tanto llega a la caldera con ese calor, lo que hará más fácil (que gastemos menos energía) pasarlo de nuevo a vapor para volver a realizar el ciclo.
Esto último es muy importante, para que quede claro, por ejemplo, un agua líquida a 30ºC cuesta menos pasarla a vapor (100ºC) que si esta a 0º. Gastamos menos combustible en la caldera y por lo tanto tendremos mejor rendimiento.
En la figura vemos la máquina en circuito cerrado y su esquema. La bomba de abajo es una bomba necesaria para llevar el vapor condensado del condensador a la caldera.
Para mejorar el rendimiento, a veces, las turbinas tienen enganchado a su eje dos o tres turbinas diferentes, de tal forma que el vapor golpea primero la primera, después la siguiente y así una a una hasta salir por la última. Lo que conseguimos con esto es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, golpeando varias turbinas, en lugar de solo una. Se trata de que salga de la turbina con la mínima presión, y que todo la que tenía se aproveche al máximo antes de que salga e la turbina.
Si tiene 3 turbinas, se llaman respectivamente, turbina de alta, de media y de baja presión. La primera será la que golpea el vapor en alta presión, la segunda turbina será golpeada con vapor a media presión y la última a baja presión. Esto mejora, de nuevo, el rendimiento de la máquina.
Tipos de Turbinas de Vapor
Tenemos dos tipos generales de turbinas de vapor, las de acción y las de acción y reacción.
Turbinas de acción: El vapor se distribuye a toda la sección por medio de toberas. A la salida de las toberas, la energía del vapor se transforma en energía cinética que mueve los álabes. Suelen tener varias toberas de entrada de vapor.
Turbinas de acción-reacción: También llamadas solo turbinas de reacción. Están formadas por carretes con álabes fijos y álabes móviles montados de forma alternativa. Los fijos actúan como toberas dirigiendo el vapor al siguiente carrete móvil.
Aplicaciones de las Turbinas de Vapor
Las turbinas de vapor tienen muchas aplicaciones gracias a su versatilidad. Inicialmente sirvieron como motores de embarcaciones que requerían mucha potencia. El primer barco con turbina de vapor fue el Turbinia de Parsons, botado en 1895.
En la industria, las turbinas de vapor se utilizan sobre todo en compresores y bombas, si bien la aplicación más importante tiene que ver con la generación de energía eléctrica. Se estima que las turbinas de vapor intervienen en el 75% de la energía eléctrica producida en el mundo. Se usan tanto en lascentrales térmicas (carbón, gas, biomasa, etc.) como en las centrales nucleares.
Actualmente, en algunas aplicaciones industriales se utilizan turbinas de gas, de combustión interna como los motores de los coches, y que utilizan el gas producido al quemar el combustible directamente sobre los álabes para producir la rotación. Estas turbinas trabajan a temperaturas más elevadas con gases a 1.000ºC o incluso a 1.300ºC para las turbinas de uso aeronáutico en los aviones. Pero esto será otra clase diferente.
Ahora te dejamos un video muy didáctico con la explicación de las turbinas de vapor, su funcionamiento y partes.