Turbina de gas frente a turbina de vapor
Las turbinas son una clase de maquinaria turbo que se utiliza para convertir la energía de un fluido en movimiento en energía mecánica mediante el uso de mecanismos de rotor. Las turbinas, en general, convierten la energía térmica o cinética del fluido en trabajo. Las turbinas de gas y las turbinas de vapor son máquinas turbo térmicas, donde el trabajo se genera a partir del cambio de entalpía del fluido de trabajo; es decir, la energía potencial del fluido en forma de presión se convierte en energía mecánica.
Según la dirección del flujo de fluido, las turbinas se clasifican en turbinas de flujo axial y turbinas de flujo radial. Técnicamente, una turbina es un expansor, que proporciona una salida de trabajo mecánico mediante la disminución de la presión, que es la operación opuesta al compresor. Este artículo se centra en el tipo de turbina de flujo axial, que es más común en muchas aplicaciones de ingeniería.
La estructura básica de una turbina de flujo axial está diseñada para permitir un flujo continuo de fluido mientras se extrae la energía. En las turbinas térmicas, el fluido de trabajo, a alta temperatura y presión, se dirige a través de una serie de rotores que consisten en álabes en ángulo montados en un disco giratorio unido al eje. Entre cada disco de rotor se montan palas estacionarias, que actúan como boquillas y guías para el flujo de fluido.
Más sobre la turbina de vapor
Aunque el concepto de utilizar vapor para realizar trabajos mecánicos se usó durante mucho tiempo, la turbina de vapor moderna fue diseñada por el ingeniero inglés Sir Charles Parsons en 1884.
La turbina de vapor utiliza vapor presurizado de una caldera como fluido de trabajo. El vapor sobrecalentado que ingresa a la turbina pierde su presión (entalpía) moviéndose a través de las palas de los rotores, y los rotores mueven el eje al que están conectados. Las turbinas de vapor entregan potencia a un ritmo suave y constante, y la eficiencia térmica de una turbina de vapor es mayor que la de un motor alternativo. El funcionamiento de la turbina de vapor es óptimo en estados de RPM más altos.
Estrictamente, la turbina es solo un componente único de la operación cíclica utilizada para la generación de energía, que está idealmente modelada por el ciclo de Rankine. Las calderas, intercambiadores de calor, bombas y condensadores también son componentes de la operación pero no son partes de la turbina.
En la actualidad, el uso principal de las turbinas de vapor es para la generación de energía eléctrica, pero a principios del siglo XX, las turbinas de vapor se usaban como planta de energía para barcos y motores de locomotoras. Como excepción, en algunos sistemas de propulsión marinos en los que los motores diésel no son prácticos, como los portaaviones y los submarinos, todavía se utilizan los motores de vapor.
Más sobre turbinas de gas
El motor de turbina de gas o simplemente una turbina de gas es un motor de combustión interna que utiliza gases como el aire como fluido de trabajo. El aspecto termodinámico del funcionamiento de la turbina de gas se modela idealmente mediante el ciclo Brayton.
El motor de turbina de gas, a diferencia de la turbina de vapor, consta de varios componentes clave; esos son el compresor, la cámara de combustión y la turbina, que se ensamblan a lo largo de un eje giratorio, para realizar diferentes tareas de un motor de combustión interna. La entrada de gas de la entrada se comprime primero usando un compresor axial; que realiza exactamente lo contrario de una turbina simple. Luego, el gas presurizado se dirige a través de una etapa de difusor (una boquilla divergente), en la que el gas pierde su velocidad, pero aumenta aún más la temperatura y la presión.
En la siguiente etapa, el gas ingresa a la cámara de combustión donde el combustible se mezcla con el gas y se enciende. Como resultado de la combustión, la temperatura y la presión del gas se elevan a un nivel increíblemente alto. Luego, este gas pasa a través de la sección de la turbina y, al pasar, produce un movimiento de rotación en el eje. Una turbina de gas de tamaño promedio produce velocidades de rotación del eje de hasta 10 000 RPM, mientras que las turbinas más pequeñas pueden producir 5 veces más.
Las turbinas de gas se pueden usar para producir par (mediante el eje giratorio), empuje (mediante el escape de gas a alta velocidad) o ambos en combinación. En el primer caso, como en la turbina de vapor, el trabajo mecánico entregado por el eje es simplemente una transformación de la entalpía (presión) del gas a alta temperatura y presión. Parte del trabajo del eje se utiliza para impulsar el compresor a través de un mecanismo interno. Esta forma de turbina de gas se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica y como plantas de energía para vehículos como tanques e incluso automóviles. El tanque estadounidense M1 Abrams utiliza un motor de turbina de gas como planta de energía.
En el segundo caso, el gas a alta presión se dirige a través de una tobera convergente para aumentar la velocidad, y el gas de escape genera el empuje. Este tipo de turbina de gas a menudo se denomina motor a reacción o motor turborreactor, que impulsa los aviones de combate militares. El turboventilador es una variante avanzada de lo anterior, y la combinación de empuje y generación de trabajo se usa en motores turbohélice, donde el trabajo del eje se usa para impulsar una hélice.
Existen muchas variantes de las turbinas de gas diseñadas para tareas específicas. Se prefieren a otros motores (principalmente motores alternativos) debido a su alta relación potencia/peso, menor vibración, altas velocidades de operación y confiabilidad. El calor residual se disipa casi en su totalidad como escape. En la generación de energía eléctrica, esta energía térmica residual se utiliza para hervir agua para hacer funcionar una turbina de vapor. El proceso se conoce como generación de energía de ciclo combinado.
¿Cuál es la diferencia entre turbina de vapor y turbina de gas?
• La turbina de vapor usa vapor a alta presión como fluido de trabajo, mientras que la turbina de gas usa aire u otro gas como fluido de trabajo.
• La turbina de vapor es básicamente un expansor que genera un par como salida de trabajo, mientras que una turbina de gas es un dispositivo combinado de compresor, cámara de combustión y turbina que ejecuta una operación cíclica para generar trabajo como par o empuje.
• La turbina de vapor es solo un componente que ejecuta un paso del ciclo Rankine, mientras que el motor de turbina de gas ejecuta todo el ciclo Brayton.
• Las turbinas de gas pueden generar par o empuje como salida de trabajo, mientras que las turbinas de vapor casi todo el tiempo entregan par como salida de trabajo.
• La eficiencia de las turbinas de gas es mucho mayor que la de las turbinas de vapor debido a las temperaturas de funcionamiento más altas de las turbinas de gas. (Turbinas de gas ~1500 0C y turbinas de vapor ~550 0C)
• El espacio necesario para las turbinas de gas es mucho menor que el funcionamiento de las turbinas de vapor, porque las turbinas de vapor requieren calderas e intercambiadores de calor, que deben conectarse externamente para la adición de calor.
• Las turbinas de gas son más versátiles, porque se pueden usar muchos combustibles y el fluido de trabajo, que tiene que ser alimentado continuamente, está fácilmente disponible en todas partes (aire). Las turbinas de vapor, por otro lado, requieren grandes cantidades de agua para su funcionamiento y tienden a causar problemas a bajas temperaturas debido a la formación de hielo.
