Maquinas de flujo1. Maquinas hidráulicas. –Clasificación de las máquinas hidráulicas. –Maquinas hidráulicas motrices. Descripción. Clasificación. –Maquinas.

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1 Maquinas de flujo1

2 Maquinas hidráulicas. –Clasificación de las máquinas hidráulicas. –Maquinas hidráulicas motrices. Descripción. Clasificación. –Maquinas hidráulicas generatrices. Descripción. Clasificación

3 CLASIFICACION GENERAL DE LAS MAQUINAS HIDRAULICAS

4 CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS HIDRAULICAS Las Máquinas Hidráulicas se clasifican en tres grandes grupos –Máquinas Hidráulicas Motrices –Máquinas Hidráulicas Generatrices

5 MAQUINAS HIDRAULICAS MOTRICES Transforman la energía hidráulica latente en el fluido en sus distintas formas, en la energía mecánica Generalmente la energía mecánica lograda se transformara en movimiento de rotación Se las conoce genéricamente como Turbinas Hidráulicas

6 MAQUINASHIDRAULICAS GENERATRICES Reciben trabajo externo y transforman la energía mecánica recibida en energía hidráulica Proporcionan al fluido un aumento de su energía potencial, energía cinética o energía de presión Se las conoce genéricamente como Bombas Hidráulicas

7 CLASIFICACION GENERAL DE LAS MAQUINAS HIDRAULICAS MOTRICES

8 CARACTERISTICA FUNDAMENTAL La característica fundamental de las Maquinas Hidráulicas Motrices, es que las mismas constan de un mecanismo denominado genéricamente como “órgano receptor” que es el responsable de adquirir la energía hidráulica de fluido y transmitirla generalmente como energía mecánica de rotación

9 CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS HIDRAULICAS MOTRICES LasMáquinasHidráulicasMotrices,comúnmente denominadas TURBINAS, se las pueden clasificar según: –El Grado de Reacción –La Trayectoria del Fluido –Los Aspectos Constructivos

10 GRADO DE REACCION Las turbinas hidráulicas pueden ser clasificadas según grado de reacción en: –Turbinas de acción –Turbinas de reacción

11 GRADO DE REACCION

12 LA TRAYECTORIA DEL FLUIDO La trayectoria que sigue la partícula de fluido –Turbinas de acción total » Turbinas radiales » Turbinas axiales » Turbinas de flujo mixto o diagonal –Turbinas de acción parcial. » Turbinas de flujo tangencial

13 LA TRAYECTORIA DEL FLUIDO

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15 LOS ASPECTOS CONTRUCTIVOS Las turbinas hidráulicas pueden ser clasificadas según sus aspectos constructivos y las mas utilizadas son: –Turbinas Tipo Francis –Turbinas Tipo Kaplan –Turbinas Tipo Pelton

16 TURBINA FRANCIS

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18 TURBINA KAPLAN

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20 TURBINA PELTON

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23 1. Según el salto disponible 23  Centrales de gran salto (salto > 200 m) Turbinas Pelton principalmente, caudales bajos (20 m 3 /s), zonas montañosas, tuberías de gran longitud.  Centrales de salto medio (20 m < salto < 200 m) Saltos medios entre 20 y 200 m, generalmente gran embalse, caudales medios (200 m 3 /s), turbinas Francis fundamentalmente  Centrales de salto bajo (salto < 20 m) Grandes caudales (300 m 3 /s o más), valles amplios de bajas montañas, Kaplan principalmente

24 1. Según el salto disponible 24

25 1. Según el salto disponible 25

26 DEFINICIÓN 26  Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica.

27 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 27  Tubería forzada.  Cámara de turbinas (abiertas o cerradas).  Distribuidor.  Rodete.  Tubo de aspiración o de succión.

28 Algunas definiciones importantes 28  Salto o altura bruta (Hb) : Es el desnivel (diferencia de cotas) que existe entre el nivel embalse y el nivel del agua a la salida del canal de desagüe.  Salto o altura neta (H) : Es la altura puesta a disposición de la turbina; es decir, es igual a la altura bruta descontándole todas las pérdidas antes de la turbina (remanso, tubería forzada, cámara de presión) y después de ella (canal de desagüe).

29 Altura Útil H u 29  La altura útil o efectiva Hu es la efectivamente aprovechada por la turbina o absorbida por el rodete;  La altura neta (puesta a disposición de la turbina) es la la altura teórica que hubiera aprovechado si no existiesen pérdidas en la turbina [rozamientos, fugas, turbulencias en el distribuidor, rodete y tubo de aspiración]. Ir a Pérdidas

30 CLASIFICACIÓN De acuerdo al grado de reacción 30  Turbinas de acción: Son aquellas en las que el agua no sufre un cambio de presión importante en su paso a través del rodete. (Pelton, Michell-Banki)PeltonMichell-Banki  Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través del rodete. (Francis, Dériaz, Hélice, Kaplan)FrancisKaplan

31 CLASIFICACIÓN 31 Turbinas de acción total Turbinas radiales En las turbinas de flujo radial la trayectoria de la partícula de fluido en su acción sobre el receptor o rotor se mantiene aproximadamente en un plano normal al eje de la turbina. Pueden ser centrifugas o exteriores como las turbinas tipo Ginard o Founeyron, ya obsoletas Centrípetas o interiores como las turbinas Francis lentas. Turbinas axiales La trayectoria de la partícula de fluido recorre líneas contenidas en superficies cilíndricas de revolución en torno al eje de la turbina. Son de este tipo las turbinas tipo Kaplan, Hélice, Tubulares, Bulbo y Straflo. Turbinas de flujo mixto o diagonal El fluido recorre trayectorias sobre el receptor que pasan gradualmente de la dirección radial a la dirección axial, las trayectorias son líneas de doble curvatura. Pertenecen a este tipo las turbinas tipo Francis normales, rápidas y extra-rápidas así como las turbinas tipo Deriaz. Turbinas de acción parcial Turbinas de flujo tangencial En este tipo de turbinas el fluido es lanzado en forma de chorro sobre un numero limitados de alabes del receptor. Pertenecen a este tipo las turbinas Pelton, Banki, Michell. Selección de la Tecnología A continuación se muestran unas tablas y graficos bastante utiles para una selección tentativa de la tecnología más idónea para un recurso hidráulico. Turbinas Pelton Entre las turbinas de acción o de chorro es la mas utilizada. Como toda turbina hidráulica la turbina tipo Pelton posee un distribuidor y un receptor. El distribuidor es una tobera de forma apropiada a guiar el chorro de agua sobre las alabes o palas del receptor. El receptor consta de un cierto numero de alabes o palas en forma de concha y dispuestas en la periferia de un disco sujeto al eje. Las turbinas tipo Pelton pueden ser de un, dos, cuatro o seis chorros. Selección de la tecnología en función de la velocidad específica y la altura neta. Selección de la tecnología en función de la carga en m. H y la velocidad específica. Diagrama para la selección de la disposición más conveniente en función de la carga y la potencia, para turbinas pelton. Turbinas Francis En este tipo de turbinas el receptor o rotor queda internamente al distribuidor, de modo que el agua al atravesar el rotor de la turbina se aproxima constantemente al eje. Son rigurosamente centrípetas, permite el uso de un tubo para conducir el agua a la salida del receptor. También cuenta con un distribuidor que consiste en conjunto de alabes dispuestas alrededor del receptor y que pueden ser orientadas por medio de comandos a fin de reducir al mínimo las perdidas hidráulicas. Turbinas Tipo Helice En las turbinas tipo Hélice o Propeller, el receptor toma la forma de hélice de propulsión El distribuidor mantiene el aspecto que tienen en las turbinas tipo Francis, si bien la distancia entre los alabes del receptor y las del distribuidor es bien mayor. Turbinas Kaplan Las turbinas tipo Kaplan son turbinas axiales del tipo Hélice cuya principal característica es la posibilidad de reorientar los alabes. Son muy adecuadas para pequeños saltos hidráulicos y grandes caudales. Límites de velocidad específica en función de la carga para turbinas Francis. Turbinas Deriaz Se asemejan a las turbinas tipo Kaplan o Francis rápidas, los alabes del receptor están articulados y pueden variar el ángulo de inclinación de las mismas. Por la forma inclinada de sus alabes las turbinas tipo Deriaz pueden ser consideradas como turbinas diagonales. Turbinas Tipo Tubulares El receptor, de alabes fijos y orientables, es colocado en un tubo por donde fluye el agua, el eje, horizontal o inclinado, acciona un generador conectado en su extremo exteriormente al tubo. Turbinas Bulbo Pueden ser consideradas como una evolución de las turbinas tubulares. El rotor posee alabes orientables como los de una turbina tipo Kaplan. En el interior del bulbo, que es una cámara blindada, pueden colocarse un sistema de transmisión por engranajes para trasmitir el movimiento del eje del rotor al generador. Existen modelos mas avanzados en los cuales el propio generador esta instado dentro del bulbo. Las turbinas bulbo no precisan de la caja espiral y del trecho vertical del tubo de succión Turbinas Tipo Straflo Son turbinas de flujo rectilíneo, de volumen reducido que conduce a una considerable economía en cuanto al costo de las obras civiles. Las trayectorias de las partículas de fluido son hélices cilíndricas que en proyección meridiana son líneas rectas paralelas al eje. De acuerdo a la forma de transformación de la energía (grado de reacción). De acuerdo a la forma del flujo. Axial (acción total) Radial (acción total) Tangencial (acción parcial) Reacción Acción o Impulso Clasificaciones Mixto o Diagonal (acción total) De acuerdo al tipo de acción. Total Parcial

32 TURBINAS DE ACCIÓN PARCIAL 32 Turbinas de flujo tangencial  El agua entra lateral o tangencialmente contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda. Ejemplo: Pelton, Michell-Banki.  En este tipo de turbinas el fluido es lanzado en forma de chorro sobre un número limitados de álabes del receptor.

33 Turbinas de Acción Parcial 33 Michell - Banki

34 TURBINAS DE ACCIÓN TOTAL 34 Turbinas de flujo radial  La trayectoria de la partícula de fluido en su acción sobre el rotor se mantiene aproximadamente en un plano normal al eje de la turbina. Ejemplo: Francis lentas. Francis lentas Turbinas de flujo axial  La trayectoria de la partícula de fluido recorre líneas contenidas en superficies cilíndricas de revolución en torno al eje de la turbina. Ejemplo: Kaplan, Hélice, Bulbo. Kaplan Turbinas de flujo mixto o diagonal  El fluido recorre trayectorias sobre el receptor que pasan gradualmente de la dirección radial a la dirección axial, las trayectorias son líneas de doble curvatura. Ejemplos: Francis normales, rápidas y extra-rápidas así como las Deriaz. Francis normales

35 Breve Descripción de las distintas turbinas 35

36 TURBINAS DE ACCIÓN 36  La presión del agua no varía en los álabes. Toda la energía potencial del salto se transmite en forma de energía cinética.  El rodete no se encuentra inundado.  Las turbinas de acción son de acción parcial.  Sentido de proyección del flujo o chorro de agua coincide con el sentido de giro del rodete.

37 TURBINAS DE REACCIÓN 37  El rodete se encuentra inundado.  Las turbinas de reacción son de acción total.  Sentido de proyección del flujo de agua y sentido de giro del rodete no coinciden.  La presión del agua a la entrada del rodete es superior a la atmosférica y a la salida, inferior a ella.

38 Turbinas Pelton PREPARADO POR: Ing. Pablo Guimaraes 38

39 Turbinas Pelton 39  Turbina de acción y de flujo tangencial.  La más usada para grandes saltos (hasta 1500 m inclusive) y caudales relativamente pequeños.  El distribuidor en este tipo de turbinas se denomina inyector.  Los álabes de las turbina Pelton se llaman cangilones o cucharas.  Excelente rendimiento debido a la posibilidad de hacer mínima la pérdida por velocidad residual y por fricción del agua con las cucharas.  Rendimientos máximos del orden del 90%.

40 Turbinas Pelton 40

41 41

42 42 Cuchara, Cangilón o Cazoleta Inyector

43 Turbinas Pelton 43

44 Turbinas Pelton 44

45 45

46 REGULADOR DE VELOCIDAD 46

47 Turbinas Pelton 47

48 Turbinas francis 48

49 Turbinas Francis 49  Turbina de reacción y de flujo mixto.  Rotor constituido por un cierto número de palas con curvatura especial, fijas y estructuradas entre las coronas interna y externa.  El flujo de agua es orientado y distribuido uniformemente, en la dirección radial, por toda la periferia de entrada al rotor, saliendo en su dirección axial.  La forma del tubo de succión es muy importante para que la recuperación de la energía cinética remanente ocurra con el mínimo de pérdidas.

50 Turbinas Francis 50  La caja espiral y el distribuidor dirigen el agua al rodete con un mínimo de pérdidas, y transforman parte de la energía de presión en cinética.  El distribuidor (distribuidor Fink) es de álabes orientables y sirve también para reducir el caudal cuando la carga de la turbina disminuye, conservando el mejor rendimiento posible.  El tubo de aspiración crea una depresión a la salida del rodete, incrementando el salto de presión en el rodete y por tanto, la altura útil. (Se recupera parte de la energía cinética y la potencial geodésica del agua a la salida del rodete).

51 Turbinas Francis 51

52 PREPARADO POR: Ing. Pablo Guimaraes 52

53 Turbinas Francis 53

54 Turbinas Francis 54

55 Caja o Cámara espiral 55

56 Rotor Francis 56

57 Rotor Francis – Distribuidor Fink 57

58 Mecanismo de accionamiento del distribuidor 58

59 Formas del rodete Francis 59 Francis Lentas Francis Medias o Normales Francis Rápidas

60 Turbinas kaplan 60

61 Turbinas Kaplan 61  Turbina de reacción y de flujo axial. La admisión se produce en forma radial.  Rotor con pocas palas o álabes, en forma de hélice, similar a las de un barco, y con gran sección de paso entre ellas. A mayor salto, más álabes.  Los álabes del rodete se ajustan automáticamente en marcha según la carga, para trabajar en las condiciones de mejor rendimiento.  Se emplean normalmente en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable.

62 Turbinas Kaplan 62  Llamadas turbinas de doble regulación: palas móviles en el rodete y en el distribuidor.  La caja espiral y el distribuidor cumplen las mismas funciones y son similares a las utilizadas con las turbinas Francis.  El tubo de aspiración normalmente es acodado, y no tronco-cónico. Su función es fundamentalmente recobrar la altura de velocidad que sale del rodete, que en saltos de poca altura llega a valer hasta la mitad de la altura neta.  El rendimiento de la turbina con tubo de aspiración suele ser mayor a 90%. Sin él, sería inferior al 50%.

63 Turbinas Kaplan PREPARADO POR: Ing. Pablo Guimaraes 63

64 Turbinas Kaplan 64

65 Turbina Pelton 65

66 Turbina Francis 66

67 Turbina Francis 67

68 Turbina Kaplan 68

69 CLASIFICACION GENERAL DE LAS MAQUINAS HIDRAULICAS GENERATRICES

70 CARACTERISTICA FUNDAMENTAL La característica fundamental de las Maquinas Hidráulicas Generatrices, es que las mismas constan de un mecanismo denominado genéricamente como “órgano propulsor” que es el responsable de transmitir la energía mecánica al fluido

71 CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS HIDRAULICAS GENERATRICES Por la forma mediante la cual transforman la energía mecánica en energía hidráulica del fluido, las Máquinas Hidráulicas Generatrices se clasifican en: –Bombas rotodinámicas o Turbobómbas –Bombas de desplazamiento positivo o Volumétricas –Bombas de accionamientos especiales

72 BOMBAS ROTODINAMICAS Lasbombas turbobómbas Laprincipal rotodinámicastambiénsondenominadas característicadelasbombasrotodinámicas constituye el órgano propulsor rotativo, que transforma la energía mecánica en energía cinética del fluido

73 La partícula de fluido que ingresa al cuerpo de la bomba no sigue la misma trayectoria, dirección de la velocidad o aceleración del órgano propulsor o rotor de la bomba La descarga o caudal entregada por la bomba depende de las características constructivas de la bomba, así como la de las instalaciones hidráulicas a la que está conectado y del numero de revoluciones del órgano propulsor

74 Lasturbobombas requieren órgano deun difusoro recuperador, en la que setransformala energía cinéticaen hidráulica energía hidráulica de presión.

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77 CLASIFICACION DE LAS TURBOBOMBAS Lasturbobómbaspuedenclasificarsedevariasmaneras atendiendo a diversas características, que pueden ser: –El tipo del rotor –La trayectoria del fluido en el rotor –El numero de rotores –El numero de entradas de aspiración –Laformadetransformacióndelaenergía hidráulica cinética en energía hidráulica de presión –La posición del eje –La velocidad especifica –La finalidad o uso

78 TIPO DEL ROTOR El rotor, órgano propulsor de las bombas rotodinámicas, también denominado impulsor, es esencialmente una pieza cónica o troncocónica dotada de palas o álabes Pudiendo ser: –Cerrado: consta de un disco al cual se fijan las palas o alabes y una corona exterior circular también sujeta a las palas –Abierto: consta de un disco al cual se fijan las palas o alabes y carecen de corona exterior

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81 TRAYECTORIA DEL FLUIDO EN EL ROTOR Conforme la trayectoria descripta por la partícula del fluido que alcanza el rotor de la bomba, esta se clasifica en: –Bomba Centrifuga o Radial –Bomba Helicocentrífuga –Bomba Helicoidal –Bomba Axial

82 BOMBA CENTRIFUGA El fluido ingresa paralelamente al eje del rotor y es dirigido por las palas o alabes hacia la periferia del rotor en la dirección radial. El fluido describe trayectorias contenidas en planos normales al rotor. Los rotores generalmente poseen palas o alabes de simple curvatura (alabes cilíndricas)

83 BOMBA HELICOCENTRIFUGA El fluido ingresa al rotor axialmente alcanzando el borde de entrada de los alabes, que es de doble curvatura y abandona el borde de salida de los alabes ligeramente inclinado respecto al eje del rotor El disco posterior de fijación de los alabes forma un ángulo respecto al eje del la bomba

84 BOMBA HELICOIDAL Elfluidoingresaaxialmentealrotory alabescasiaxialmente;elborde alcanzaelbordedeentradadelos de salida de los alabes del rotor están bastantes inclinadas respecto al eje del rotor; la trayectoria del fluido en el rotor es una hélice cónica El rotor normalmente es del tipo abierto y la base de fijación de los alabes es con forma de cono; las palas o alabes del rotor son bastantes curvas e inclinadas en relación al eje del rotor

85 BOMBA AXIAL Las partículas de fluido recorren una trayectoria que se inicia paralelamente al eje del rotor y se transforman en hélices cilíndricas Los alabes del rotor producen un vórtice forzado que se superpone al flujo axial del fluido

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88 CICLO TERMODINÁMICO  Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.  Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema. (Qabs + Wrecibido = Qced + Wrealizado)  Dicho de otra forma, para cualquier ciclo realizado por un sistema termodinámico, la transferencia neta de calor es igual al trabajo neto. (Wneto = Qabs – Qced)

89 ENTALPÍA  Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. Normalmente la entalpía se expresa por unidad de masa, en cuyo caso se simboliza con la letra h [J/kg].H  El cambio en la entalpía de un sistema es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión y/o al trabajo realizado por el sistema. Unidades de medida: Unidades utilizadas para la energía.

90 ENTROPÍA

91  La Entropía Significado y Ejemplos  La palabra entropía procede del griego (θτρωπη) y significa evolución o transformación, es una medida del desorden.  – Mayor entropía significa mayor desorden.  – Menor entropía significa más orden.  El término entropía se puede utilizar en Física, Química, Psicología, de forma filosófica, en las Empresas, etc.  Lógicamente la entropía que nosotros estudiaremos es aquella relacionada con la física y la química.  La entropía es una «propiedad de estado» en la que importa solamente el estado inicial y final, independientemente del camino recorrido para pasar de uno a otro.  La entropía no se define en valores absolutos, se miden cambios (incrementos = Δ) entre uno y otro estado entrópico.  Pongamos algún ejemplo para que te queda mucho más claro.  Primero un sistema reversible y luego un sistema irreversible (sistema que no puede volver al estado inicial).  Ejemplos de Entropía  Tenemos una habitación ordenada = Sistema Inicial. Ahora la desordenamos, tiramos la ropa, muebles, etc.  Hemos cambiado el sistema inicial y ahora tengo un sistema final = habitación desordenada.  Si quieres colocar las cosas para que esté la habitación ordenada te costará más o menos trabajo, en función de lo desordenada que acabara la habitación.  Más desordenada implica que necesito más trabajo para volver a ordenarla (volver al estado inicial).  La habitación al principio tenía muy poco entropía, ya que estaba bastante ordenada, pero después del proceso (desordenarla) aumentó la entropía.  Cuanto más he variado el sistema inicial (habitación ordenada), más trabajo me costará volver al estado inicial, más entropía tengo en mi habitación o más desorden.  No solo es más difícil volver al estado inicial cuanto más lo cambio, sino que además tendremos menos posibilidades de volver el sistema (habitación) al estado inicial.  Incluso pudiera ser que nunca lograra volver al estado inicial, la habitación igual de ordenada que al principio, esto ocurre en los sistemas llamados «Irreversibles».

92  Los estados irreversibles aumentan la entropía.  Los estados que hemos cambiado mucho, tienen mucha entropía.  Variación pequeña del estado inicial = poco entropía tenemos en el estado final.  Variación muy grande del estado inicial = gran entropía tenemos en el estado final.  Si un sistema experimenta un gran aumento de la entropía en el proceso de cambio, el sistema se vuelve irreversible.  Un ejemplo de Sistema Irreversible.  Rompemos un plato, el plato roto tendrá una gran entropía por que es irreversible, ya no podremos dejarlo como estaba al principio.  Del plato nuevo al roto se experimenta un gran aumento de la entropía.  Freír un huevo es otro proceso irreversible.  Hay una ley fundamental de la Naturaleza que dice que en todo proceso natural la entropía crece.  Por lo tanto, la entropía, se trata de una cantidad que no decrece en ningún proceso físico, y que por lo general crece, dando lugar a procesos que reciben el nombre de irreversibles, porque no se pueden deshacer, no es posible volver al estado de entropía anterior, dado que ésta no puede decrecer.  Veamos un ejemplo más físico y real de un sistema irreversible.  Si echamos una gota de tinta en agua observamos cómo ésta se difunde hasta que toda el agua se vuelve de color uniforme.  Lo que jamás veremos es que las partículas de tinta se reúnan de nuevo en una gota separada del agua.  Al cambiar el sistema inicial echando la gota de tinta, hemos aumentado tanto la entropía del sistema, que se vuelve irreversible.  Entonces….  ¿Cómo Medimos la entropía?  La manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de cambiar el sistema, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema.  Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta S (símbolo de la entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema Si y la entropía final del mismo Sf.  Es por eso que la fórmula de la entropía sería:  ΔS= incremento de entropía = Sf – Si.  No tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema.

93 Ciclo de Carnot CICLO IDEAL – CICLO TERMODINÁMICO DE MAYOR RENDIMIENTO

94 Ciclo de Carnot  El ciclo de Carnot se produce cuando una máquina trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q 1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q 2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. Consta de dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos. Ciclo ideal de máquinas alternativas de combustión externa http://es.wikipedia. org/wiki/M%C3%A1 quina_de_vapor El rendimiento del Ciclo de Carnot representa un límite superior para cualquier otro ciclo que funcione entre las mismas fuentes de temperatura.

95 8 4.2 Ciclos de Motores Rotativos 4.2.1 Ciclo Rankine ideal Esquema de una central térmica de vapor Generador eléctrico Turbina CalderaCaldera Aire Combustible Vapor de agua Agua líquida Chimenea Agua de refrigeración Torre de refrigeración A D C B ZONA A: Ciclo termodinámico del AT. Transformación de la entalpía del vapor en energía cinética en del eje de la turbina (W). ZONA B: Foco caliente. Generación de calor. ZONA C: Foco frío. Condensación del vapor saliente de la turbina. ZONA D: Obtención de energía eléctrica. Transformación del trabajo mecánico producido en la turbina en energía eléctrica mediante un generador.

96 4.2 Ciclos de Motores Rotativos 96 4.2.1 Ciclo Rankine ideal Rendimiento Térmico de Ciclo: 1 2 QRQR QCQC T s a P1P1 P2WTP2WT T1T1 4WBT234WBT23 - En el proceso 1-2 se aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor mediante un compresor o bomba, al que se aporta un pequeño trabajo. - El proceso 2-3 es una transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima. - La expansión del proceso 3-4 se realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta un valor bajo de presión al cual se transfiere el vapor al condensador. - El proceso 4-1 consiste en refrigerar el vapor de trabajo a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido, para iniciar de nuevo el ciclo.

97 Ciclo Ranquine CICLO DE FUERZA DE VAPOR

98 Ciclo Rankine básico (sin sobrecalentamiento) AC…Calentamiento a P=cte CD…Expansión isoentrópica DE…Enfriamiento isobárico EA…Compresión isoentrópica 1 2

99 Mejoras del Ciclo Rankine  Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los alabes de la turbina.  Aumentar la presión de la caldera: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.  Emplear vapor sobrecalentado: Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.

100 Mejoras del Ciclo Rankine  Emplear recalentador intermedio: Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalendatores. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.  Precalentar el agua de alimentación: Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera (economizadores), aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan  Emplear circuitos binarios: Combinación de dos ciclos, uno en la región de alta T y otro en la región de baja T. Empleando dos fluidos se aumenta el área encerrada por el ciclo, y la eficiencia.

101 Ciclo Combinado

102 Descripción del funcionamiento de un ciclo combinado  El aire aspirado desde el ambiente ingresa al turbo grupo de ciclo de gas, es comprimido por un compresor, a continuación se mezcla con el combustible en la cámara de combustión para su quemado. En esta cámara el combustible se pulveriza. Los gases de combustión calientes se expanden luego, en la turbina de gas proporcionando el trabajo para la operación del compresor y del generador eléctrico asociado al ciclo de gas.  Los gases de escape calientes salientes de la turbina de gas ingresan a la caldera de recuperación, en esta caldera de recuperación se produce el intercambio de calor entre los gases calientes de escape y el agua a alta presión del ciclo de vapor; es decir, el aprovechamiento de calor de los gases de escape llevando su temperatura al valor mas bajo posible. Los gases enfriados son descargados a la atmósfera a través de una chimenea.

103 Ciclo Combinado Turbinas a gas (ciclo Brayton) + turbina a vapor (ciclo Rankine); Mayor aprovechamiento de la energía contenida en los combustibles; Aumento de la eficiencia térmica (consecuencia); La eficiencia es mayor que la de cada uno de los dos ciclos que la componen Ciclo combinado: 50 a 60% ciclo a vapor:  40% ciclo a gás: 35 a 37%) Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más baratas (alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional. Las centrales convencionales a gas natural emiten en promedio 0,44 kg de CO 2 por cada kWh generado, mientras que las de ciclo combinado a gas natural la reducen a 0,35 kg CO 2 /kWh.