Central nuclear de Isar, Alemania

Piscina de combustible nuclear gastado

Turbina de una central nuclear

Turbina de vapor

Turbina de vapor

Una turbina de vapor es una máquina que explota la energía térmica del vapor bajo presión, convirtiéndola en energía mecánica útil a través de una transformación termodinámica de expansión. Concretamente, la turbina de vapor convierte la energía interna del vapor en energía cinética de rotación.

La turbina de vapor, gracias a la eficiencia térmica más alta y la mejor relación potencia / peso, ha reemplazado por completo a la máquina de vapor, que fue un motor alternativo inventado por Thomas Newcomen y luego mejorado significativamente por James Watt.

Desde un punto de vista termodinámico, la eficiencia máxima se produce cuando la expansión del vapor es un proceso ideal (transformación reversible) en el que la presión del vapor disminuye, convirtiéndose en trabajo mecánico, en un número infinito de etapas. La máquina alternativa de Watt era de una sola etapa, y los refinamientos posteriores se usaron en la mayoría de las dos o tres etapas (expansión doble y triple). En cambio, las turbinas de vapor modernas logran una alta eficiencia térmica gracias a la presencia de un mayor número de etapas en serie.

Las turbinas de vapor son caras y requieren procesos de fabricación avanzados y materiales de alta calidad. Además, tienen una alta eficiencia cuando operan a velocidades de miles de rpm, por lo que, si la carga gira a velocidades más bajas, se necesita una caja de cambios. Sin embargo, si la potencia instalada es alta, los altos costos de inversión se compensan por el hecho de que la turbina de vapor consume menos combustible, requiere menos mantenimiento y es de menor tamaño en comparación con un motor térmico alternativo de igual potencia.

Aplicaciones de las turbinas de vapor

Las turbinas de vapor pueden usarse para producir electricidad, acopladas a generadores, a menudo sin la necesidad de cajas de engranajes. En este caso, funcionan en regímenes ideales, ya que los generadores tienen que girar a una velocidad constante (3000 rpm para redes de 50 Hz y 3600 rpm para redes de 60 Hz; en algunos casos, especialmente en plantas nucleares, utilizan generadores de 4 polos que giran a la mitad de la velocidad). Además, la turbina de vapor, al ser una máquina rotativa, es ventajosa como motor de un generador eléctrico, ya que no requiere ningún miembro mecánico que transforme el movimiento alternativo en uno rotativo.

Otro campo de aplicación típico para turbinas de vapor es en plantas como refinerías, fábricas de papel, plantas de desalinización y otras plantas donde se requieren altos niveles de vapor de proceso. La planta puede diseñarse de tal manera que haga uso de la turbina de vapor para obtener una sinergia entre la producción de vapor y la de energía eléctrica o trabajo mecánico.

Las turbinas de vapor también se utilizan como motores marinos en los barcos, donde las limitadas dimensiones son una ventaja. También se construyeron locomotoras de turbina de vapor propulsoras, pero su difusión fue muy limitada.

Generación de electricidad

Las centrales eléctricas basadas en la producción de vapor a alta temperatura (centrales térmicas, centrales nucleares, centrales de energía geotérmica, algunas plantas solares térmicas, etc.) utilizan turbinas de vapor conectadas a generadores eléctricos para producir cerca del 80% de la electricidad del planeta.

 

Las turbinas para producción eléctrica suelen estar acopladas directamente a su generador.

Como los generadores deben rotar a velocidades síncronas respecto a la frecuencia del sistema eléctrico las velocidades de rotación más habituales son de 3.000  rpm para sistemas de 50  Hz y 3.600 rpm para sistemas de 60 Hz.

Como los reactores nucleares operan a temperaturas más bajas y con menos presión de gas que las centrales térmicas suelen operar a la mitad de velocidad de rotación, pero con generadores de 4 polos.

Propulsión marina

En los barcos la propulsión basada en turbinas de vapor tiene múltiples ventajas respecto a los motores térmicos de explosión: tamaño y peso menor para la misma potencia, menos mantenimiento y menos vibraciones. Sin embargo, una turbina de vapor sólo es eficiente a altas velocidades de rotación (del orden de miles de revoluciones por minuto), mientras que la mayoría de hélices están diseñadas para operar a menos de 100 rpm. Para ello son necesarias transmisiones precisas y complejas (y con un coste elevado).

Una alternativa es el uso de propulsión turbo-eléctrica, en la que las turbinas generan energía eléctrica como en una central energética y ésta es utilizada para alimentar motores eléctricos que mueven las hélices. Aunque el coste de fabricación es mayor este es rentable, ya que los costes de consumo energético y de mantenimiento son menores al de un motor de combustión de potencia equivalente.

Cabe decir que los motores diésel son capaces de una mayor eficiencia: las turbinas a vapor aún no alcanzan una eficiencia de un 50%, mientras que los motores de ciclo diésel superan a menudo este nivel (sobre todo en sistemas de propulsión marina).

valoración: 3 - votos 1

Última revisión: 21 de noviembre de 2018

Volver