2.1-LOS ESTADOS DEL AGUA
2.2-EL CICLO RANKINE
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2.1-LOS ESTADOS DEL AGUA
En la siguiente gráfica podemos ver los estados del agua en función de la presión y la temperatura.
Cuanta más presión y menos temperatura el agua se mantendrá en estado líquido o sólido. A medida que disminuyamos la presión y aumentemos la temperatura nos acercaremos a la línea de cambio de fase a gas.
Cerca de esta línea parte del agua se transformará en vapor, este vapor lo llamamos vapor saturado.
El vapor saturado es el vapor que estamos acostumbrados a ver; es blanco, a veces casi gris (por ejemplo las nubes). Si continuamos aportando calor al vapor y subiendo la temperatura pasará a ser 100% gas y dejará de ser visible; a este vapor lo llamamos vapor sobrecalentado y es el que utilizaremos en nuestra turbina de vapor.
Nota: Durante la puesta en marcha de una planta de energía se debe realizar el soplado de la tubería principal de vapor.
En esta fase se conecta el último tramo de la tubería principal (justo antes de la turbina) con otra tubería provisional puesta exclusivamente para realizar los soplados.
Al final de esta tubería habrá una válvula manual y una pequeña chapa que hace de testigo. Calentamos el vapor en la caldera y cuando se llega a la presión y temperatura deseada se abre la válvula manual. El vapor sale despedido por la tubería desde la caldera hacia la atmosfera atravesando el testigo.
Este ejercicio se realizará tantas veces como sea necesario hasta que el turbinero considere que el testigo no tiene daños de partículas sueltas que le hayan golpeado.
Las pruebas de soplado se realizan primero con vapor saturado, generando una inmensa nube sobre la planta, y después con vapor sobrecalentando. El vapor sobrecalentado genera mucho ruido y sorprende ver la tubería como si no estuviera saliendo nada, cuando realmente sale la misma cantidad de vapor que en la prueba anterior. Suele ser el encargado de la obra el forzudo elegido para abrir la válvula manual.
Un consejo: No te propongas voluntario, tu ponte las orejeras, casco y demás
EPIS y mantente bien alejado…
EPIS y mantente bien alejado…
2.2-EL CICLO RANKINE
Las plantas con turbina de vapor siguen el ciclo Ranking.
El ciclo Rankine sigue la siguiente gráfica. Temperatura-Entropía
En la siguiente imagen se representan 5 líneas donde se refleja los estados del agua cuando variamos la temperatura y manteniendo la presión constante.
Presión en P1 > Presión en P2
Ejemplo práctico del ciclo Rankine:
En el ejemplo tendremos:
-Una presión “P1”, la presión del condensador (ejemplo:-0,85barg)
- Una presión “P2”, presión de las bombas de condensado (ejemplo:12barg)
- Una presión “P3” la presión que dan las bombas de agua alimentación (ejemplo: 96barg)
Siguiendo la gráfica del ejemplo:
1º) En el punto “1” nos encontramos a la salida del condensador (presión P1), el vapor ha sido recién condensado (enfriado con el agua de la torre) y ha sido almacenada en el pozo del condensador, a una presión muy baja.
2ª) En el punto "2" estamos a la salida de las bombas de condensado donde habrá aumentado un poco la presión (presión P2).
2ª) En el punto "2" estamos a la salida de las bombas de condensado donde habrá aumentado un poco la presión (presión P2).
Este incremento de temperatura lo hemos realizado a presión constante (P2). Nos hemos acercado un poco a la curva de saturación pero nos mantenemos en estado líquido fuera de la curva.
4º) En el punto “4” con la ayuda de las bombas de alimentación, elevaremos la presión del agua a la presión del vapor que introduciremos en la turbina (P3).
5º) En el punto “5” hemos aportado calor al agua primero en el intercambiador de alta y después en el economizador de la caldera manteniendo la presión constante (P3).
Este agua en estas condiciones todavía no está saturado aunque está muy cerca de empezar a transformarse en vapor.
6º) En el punto “6” el agua llega al generador de vapor casi saturado. Aquí le damos otro aporte de calor que transformará el agua en vapor saturado. (Seguimos manteniendo la presión constante P3)
7º) En el punto “7” el vapor generado le haremos pasar por el sobrecalentador.
El sobrecalentador subirá la temperatura del vapor aprovechando los gases más calientes de la caldera, y el vapor dejará de ser vapor saturado y pasará a ser vapor sobrecalentado. (A una presión P3, apto para enviar a la turbina)
8) El vapor sobrecalentado lo haremos pasar por la turbina. Punto “8” pasaremos de una presión “P3” a un presión “P1”. En esta fase la temperatura caerá tanto que nos acercaremos mucho a la curva de saturación, debemos de sacar el vapor antes de llegar a la curva de saturación para evitar la formación de gotas de agua en los álabes de la turbina (lo cual puede ser muy dañino para la propia turbina)
El cambio de estado del vapor en el condensador (una vez fuera de la turbina) produce la caída de presión por debajo de la atmosférica, y esto mejorará mucho el rendimiento.
Nota: Un experimento probar a coger una botella de plástico ponerle un tapón y meterla en la nevera, en unas horas si vamos a ver la botella estará aplastada. Dentro de la botella siempre hay vapor de agua y al meterla en la nevera ese vapor se enfriará y se condensará y en ese momento al cambiar de estado la presión caerá, HEMOS DESCUBIERTO COMO HACER VACÍO…
La energía que consigue transformar la turbina en energía mecánica en la fase de expansión se debe a “la caída de presión y de temperatura del vapor”.
En base a esto tenemos dos opciones si queremos obtener más energía.
1ª-Subir mucho la presión y temperatura del vapor a la entrada de la turbina.
Por este camino estamos limitados por lo que puedan aguantar los materiales de los álabes. Si subimos la presión del vapor tenemos que subir también la temperatura, ya que al subir la presión, el vapor debe estar también más caliente para que mantenga sus propiedades como vapor y no se transforme en agua. (ver punto “2.1 Los estados del agua”)
2ª-Otra opción es bajar la presión a la salida de la turbina. Como la energía obtenida va a ser proporcional a la caída de presión si no podemos aumentar la presión en la entrada de la turbina podemos bajar la presión a la salida.
Nota: Un ingeniero experto en plantas termosolares explicaba en un curso, que si queremos obtener mucha energía tirándonos desde un edificio muy alto. Tenemos dos opciones una es seguir subiendo pisos antes de saltar. Pero si ya no hay más pisos, podríamos hacer un agujero más profundo en el suelo.
Siguiendo esta misma idea, como no podemos subir la presión a la entrada de la turbina, bajaremos la presión a la salida por debajo incluso de la atmosférica si es posible.
Siguiendo esta misma idea, como no podemos subir la presión a la entrada de la turbina, bajaremos la presión a la salida por debajo incluso de la atmosférica si es posible.
-Usaremos una turbina de alta para turbinar el vapor en una primera fase, del "punto 7 al 8".
-En el "punto 8" sacaremos el vapor antes de que empiece a saturarse de la turbina de alta.
-Lo volveremos a sobrecalentar. Una vez sobrecalentado lo enviaremos a la turbina de media presión, "punto 9".
-A la salida de la turbina de media presión volveremos a repetir la misma operación de antes. Sacaremos el vapor antes de llegar a la saturación, "punto 10".
-Lo volveremos a sobrecalentar y lo mandaremos a la turbinar de baja presión, "punto 11".
-Una vez el vapor ha cedido su energía en la turbina de baja, es enviado finalmente al condensador. (Punto 12).
Al final de cada etapa, antes de que el vapor empiece a saturarse, se sobrecalienta y se vuelve a turbinar.
Una temperatura tan alta en el vapor requerirá mejores materiales en la turbina.
Nota: Se puede distinguir fácilmente la turbina de baja, de la media, de la de alta. La turbina más grande, siempre es la de baja presión; ya que se necesita un diámetro mayor para poder aprovechar la energía cuando tenemos una presión menor. Sin embargo, cuanta más presión tengamos a la salida de la turbina, menor será su diámetro.
Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com
Julio.C Fernández Losa 21/12/2014
Muy buen articulo.No me canso gracias por la sencillez de las cosas
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