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Eficiencia térmica del ciclo de Rankine

En general, la eficiencia térmica , η _º , de cualquier motor de calor se define como la relación de la obra lo hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q _H .

La eficiencia térmica , η _th , representa la fracción de calor , Q _H , que se convierte en trabajo . Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámica y la energía no se puede convertir en trabajo por completo, la entrada de calor, Q _H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como calor residual Q _C en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:

Esta es una fórmula muy útil, pero aquí expresamos la eficiencia térmica utilizando la primera ley en términos de entalpía .

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) de un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es de 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es de 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo de Rankine más simple (sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. Se tabula en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . La eficiencia térmica de dicho ciclo simple de Rankine y en términos de entalpías específicas sería:

Es una ecuación muy simple y para determinar la eficiencia térmica puede usar datos de tablas de vapor .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. La razón radica en una temperatura de vapor relativamente baja ( 6 MPa ; 275.6 ° C). Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperaturadel vapor Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares. Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.

Mejora de la eficiencia térmica – Ciclo Rankine

Existen varios métodos, ¿cómo puede mejorar la eficiencia térmica del ciclo de Rankine? Suponiendo que la temperatura máxima está limitada por la presión dentro del recipiente a presión del reactor, estos métodos son:

• Presiones de caldera y condensador
• Sobrecalentamiento y recalentamiento
• Regeneración de calor
• Ciclo supercrítico de Rankine

Eficiencia isentrópica: turbina, bomba

En capítulos anteriores supusimos que la expansión del vapor es isentrópica y, por lo tanto, usamos T _4,  como la temperatura de salida del gas. Estos supuestos solo son aplicables con ciclos ideales.

La mayoría de los dispositivos de flujo constante (turbinas, compresores, boquillas) funcionan en condiciones adiabáticas, pero no son realmente isentrópicos, sino que están idealizados como isentrópicos para fines de cálculo. Definimos los parámetros η _T ,  η _P , η _N , como una relación entre el trabajo real realizado por el dispositivo y el trabajo del dispositivo cuando se opera en condiciones isentrópicas (en el caso de una turbina). Esta relación se conoce como la eficiencia de la turbina isentrópica / bomba / boquilla . Estos parámetros describen qué tan eficientemente una turbina, compresor o boquilla se aproxima a un dispositivo isentrópico correspondiente. Este parámetro reduce la eficiencia general y el rendimiento del trabajo. Para turbinas, el valor de η _T es típicamente de 0.7 a 0.9 (70-90%).

Ver también: proceso isentrópico

Eficiencia térmica de la turbina de vapor

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo de Rankine más simple (sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. Se tabula en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . La eficiencia térmica de dicho ciclo simple de Rankine y en términos de entalpías específicas sería:

Es una ecuación muy simple y para determinar la eficiencia térmica puede usar datos de tablas de vapor .

Eficiencia térmica de la turbina de vapor

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. La razón radica en una temperatura de vapor relativamente baja ( 6 MPa ; 275.6 ° C). Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperaturadel vapor Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares. Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.

Mejora de la eficiencia térmica – Turbina de vapor

Existen varios métodos, ¿cómo puede mejorar la eficiencia térmica del ciclo de Rankine? Suponiendo que la temperatura máxima está limitada por la presión dentro del recipiente a presión del reactor, estos métodos son:

• Presiones de caldera y condensador
• Sobrecalentamiento y recalentamiento
• Regeneración de calor
• Ciclo supercrítico de Rankine

Eficiencia isentrópica: turbina, bomba

En capítulos anteriores supusimos que la expansión del vapor es isentrópica y, por lo tanto, usamos T _4,  como la temperatura de salida del gas. Estos supuestos solo son aplicables con ciclos ideales.

La mayoría de los dispositivos de flujo constante (turbinas, compresores, boquillas) funcionan en condiciones adiabáticas, pero no son realmente isentrópicos, sino que están idealizados como isentrópicos para fines de cálculo. Definimos los parámetros η _T ,  η _P , η _N , como una relación entre el trabajo real realizado por el dispositivo y el trabajo del dispositivo cuando se opera en condiciones isentrópicas (en el caso de una turbina). Esta relación se conoce como la eficiencia de la turbina isentrópica / bomba / boquilla . Estos parámetros describen qué tan eficientemente una turbina, compresor o boquilla se aproxima a un dispositivo isentrópico correspondiente. Este parámetro reduce la eficiencia general y el rendimiento del trabajo. Para turbinas, el valor de η _T es típicamente de 0.7 a 0.9 (70-90%).

Ver también: proceso isentrópico

Turbina de vapor: problema con la solución

Supongamos el ciclo de Rankine , que es uno de los ciclos termodinámicos más comunes en las centrales térmicas. En este caso, suponga un ciclo simple sin recalentamiento y sin turbina de vapor de condensación funcionando con vapor saturado  (vapor seco). En este caso, la turbina opera en estado estable con condiciones de entrada de 6 MPa, t = 275.6 ° C, x = 1 (punto 3). El vapor sale de esta etapa de la turbina a una presión de 0.008 MPa, 41.5 ° C yx = ??? (punto 4).

Calcular:

1. la calidad del vapor del vapor de salida
2. la diferencia de entalpía entre estos dos estados (3 → 4), que corresponde al trabajo realizado por el vapor, W _T .
3. la diferencia de entalpía entre estos dos estados (1 → 2), que corresponde a la labor realizada por las bombas, W _P .
4. La diferencia de entalpía entre estos dos estados (2 → 3), que corresponde al calor neto agregado en el generador de vapor
5. la eficiencia termodinámica de este ciclo y compare este valor con la eficiencia de Carnot

1)

Como no conocemos la calidad exacta del vapor del vapor de salida, tenemos que determinar este parámetro. El estado 4 está fijado por la presión p ₄ = 0.008 MPa y el hecho de que la entropía específica es constante para la expansión isentrópica (s ₃ = s ₄ = 5.89 kJ / kgK para 6 MPa ). La entropía específica del agua líquida saturada (x = 0) y el vapor seco (x = 1) puede seleccionarse de las tablas de vapor . En caso de vapor húmedo, la entropía real se puede calcular con la calidad del vapor, x, y las entropías específicas de agua líquida saturada y vapor seco:

s ₄ = s _v x + (1 – x) s _l              

dónde

s ₄ = entropía de vapor húmedo (J / kg K) = 5.89 kJ / kgK

s _v = entropía de vapor “seco” (J / kg K) = 8.227 kJ / kgK (para 0.008 MPa)

s _l = entropía de agua líquida saturada (J / kg K) = 0.592 kJ / kgK (para 0.008 MPa)

De esta ecuación, la calidad del vapor es:

x ₄ = ( s ₄ – s _l ) / ( s _v – s _l ) = (5.89 – 0.592) / (8.227 – 0.592) = 0.694 = 69.4%

2)

La entalpía para el estado 3 puede seleccionarse directamente de las mesas de vapor, mientras que la entalpía para el estado 4 debe calcularse utilizando la calidad del vapor:

h _{3, v} = 2785 kJ / kg

h _{4, húmedo} = h _{4, v} x + (1 – x) h _{4, l}  = 2576. 0.694 + (1 – 0.694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Entonces el trabajo realizado por el vapor, W _T, es

W _T = Δh = 945 kJ / kg

3)

La entalpía para el estado 1 puede seleccionarse directamente de las mesas de vapor:

h _{1, l} = 174 kJ / kg

El estado 2 está fijado por la presión p ₂ = 6.0 MPa y el hecho de que la entropía específica es constante para la compresión isentrópica (s ₁ = s ₂ = 0.592 kJ / kgK para 0.008 MPa ). Para esta entropía s ₂ = 0.592 kJ / kgK y p ₂ = 6.0 MPa encontramos h _{2, subenfriado} en tablas de vapor para agua comprimida (usando interpolación entre dos estados).

h _{2, subenfriado} = 179.7 kJ / kg

Entonces el trabajo realizado por las bombas, W _P, es

W _P = Δh = 5.7 kJ / kg

4)

La diferencia de entalpía entre (2 → 3), que corresponde al calor neto agregado en el generador de vapor, es simplemente:

Q _add = h _{3, v}  – h _{2, subenfriado} = 2785 – 179.7 =   2605.3 kJ / kg

Tenga en cuenta que no hay regeneración de calor en este ciclo. Por otro lado, la mayor parte del calor agregado es para la entalpía de vaporización (es decir, para el cambio de fase).

5)

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

η _Carnot = 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es de 275.6 ° C (548.7 K), la temperatura del depósito frío es de 41.5 ° C (314.7K).

La eficiencia termodinámica de este ciclo se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

así
η _th = (945 – 5.7) / 2605.3 = 0.361 = 36.1%

Teoría de las turbinas de vapor – Termodinámica

Ciclo de Rankine – pV, diagrama Ts

El ciclo de Rankine a menudo se representa en un diagrama de volumen de presión (diagrama pV ) y en un diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts ).

Cuando se trazan en un diagrama de volumen de presión , los procesos isobáricos siguen las líneas isobáricas para el gas (las líneas horizontales), los procesos adiabáticos se mueven entre estas líneas horizontales y el área delimitada por la ruta completa del ciclo representa el trabajo total que se puede hacer durante uno ciclo.

El diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts) en el que el estado termodinámico se especifica mediante un punto en un gráfico con entropía específica (s) como eje horizontal y temperatura absoluta (T) como eje vertical. Los diagramas Ts son una herramienta útil y común, particularmente porque ayuda a visualizar la transferencia de calor durante un proceso. Para procesos reversibles (ideales), el área bajo la curva Ts de un proceso es el calor transferido al sistema durante ese proceso.

Eficiencia térmica del ciclo de Rankine

En general, la eficiencia térmica , η _º , de cualquier motor de calor se define como la relación de la obra lo hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q _H .

La eficiencia térmica , η _th , representa la fracción de calor , Q _H , que se convierte en trabajo . Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámica y la energía no se puede convertir para trabajar por completo, la entrada de calor, Q _H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como calor residual Q _C en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:

Esta es una fórmula muy útil, pero aquí expresamos la eficiencia térmica utilizando la primera ley en términos de entalpía .

Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo de Rankine más simple (sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. Se tabula en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . La eficiencia térmica de dicho ciclo simple de Rankine y en términos de entalpías específicas sería:

Es una ecuación muy simple y para determinar la eficiencia térmica puede usar datos de tablas de vapor .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. La razón radica en una temperatura de vapor relativamente baja ( 6 MPa ; 275.6 ° C). Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperaturadel vapor Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares. Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.

Mejora de la eficiencia térmica – Ciclo Rankine

Existen varios métodos, ¿cómo puede mejorar la eficiencia térmica del ciclo de Rankine? Suponiendo que la temperatura máxima está limitada por la presión dentro del recipiente a presión del reactor, estos métodos son:

• Presiones de caldera y condensador
• Sobrecalentamiento y recalentamiento
• Regeneración de calor
• Ciclo supercrítico de Rankine

Cómo funciona una turbina de vapor?

La energía térmica contenida en el vapor se convierte en energía mecánica por expansión a través de la turbina . La expansión se lleva a cabo a través de una serie de cuchillas fijas (boquillas) que orientan el flujo de vapor hacia chorros de alta velocidad . Estos chorros contienen energía cinética significativa, que se convierte en rotación del eje por las palas del rotor en forma de cubo, a medida que el chorro de vapor cambia de dirección  (ver: Ley de conversación del momento ). El chorro de vapor, al moverse sobre la superficie curva de la pala, ejerce una presión sobre la pala debido a su fuerza centrífuga. Cada fila de boquillas fijas y cuchillas móviles se llama etapa. Las palas giran sobre el rotor de la turbina y las palas fijas están dispuestas concéntricamente dentro de la carcasa circular de la turbina.

En todas las turbinas, la velocidad de rotación de la pala es proporcional a la velocidad del vapor que pasa sobre la pala. Si el vapor se expande solo en una sola etapa desde la presión de la caldera hasta la presión de escape, su velocidad debe ser extremadamente alta. Pero la turbina principal típica en las plantas de energía nuclear, en la que el vapor se expande desde presiones de aproximadamente 6 MPa a presiones de aproximadamente 0.008 MPa , opera a velocidades de aproximadamente 3,000 RPM para sistemas de 50 Hz para generador de 2 polos (o 1500 RPM para generador de 4 polos) y 1800 RPM para sistemas de 60 Hz para generador de 4 polos (o 3600 RPM para generador de 2 polos). Un anillo de una sola cuchilla requeriría cuchillas muy grandes y aproximadamente 30 000 RPM, lo cual es demasiado alto para fines prácticos.

Por lo tanto, la mayoría de las centrales nucleares opera un generador de turbina de un solo eje que consta de una turbina HP de múltiples etapas y tres turbinas LP paralelas de múltiples etapas , un generador principal y un excitador.  La turbina HP suele ser una turbina de reacción de doble flujo con aproximadamente 10 etapas con álabes envueltos y produce aproximadamente 30-40% de la potencia bruta de salida de la unidad de la central eléctrica. Las turbinas LP suelen ser turbinas de reacción de doble flujo.con aproximadamente 5-8 etapas (con cuchillas cubiertas y con cuchillas independientes de las últimas 3 etapas). Las turbinas de LP producen aproximadamente el 60-70% de la producción de potencia bruta de la unidad de la central eléctrica. Cada rotor de turbina está montado sobre dos cojinetes, es decir, hay cojinetes dobles entre cada módulo de turbina.

Ver también: turbina HP

Ver también: turbina LP

En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado luego se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

Tipos de turbinas de vapor

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su construcción, presiones de trabajo, tamaño y muchos otros parámetros. Pero hay dos tipos básicos de turbinas de vapor:

• turbinas de impulso
• turbinas de reacción .

La principal distinción es la manera en que el vapor se expande a medida que pasa a través de la turbina.

Turbina de impulso y turbina de reacción

Los tipos de turbina de vapor basados ​​en la geometría de la pala y el proceso de conversión de energía son la turbina de acción y la turbina de reacción.

Turbina de impulso

La turbina de acción está compuesta de palas móviles que se alternan con boquillas fijas . En la turbina de acción, el vapor se expande en boquillas fijas y permanece a presión constante cuando pasa sobre las palas. Las turbinas Curtis , Rateau o Brown-Curtis son turbinas de tipo impulso. La turbina de vapor original, la De Laval, era una turbina de acción que tenía una rueda de una sola pala.

Toda la caída de presión de vapor tiene lugar solo en boquillas estacionarias. Aunque las cuchillas de impulso teóricas tienen una caída de presión cero en las cuchillas móviles, prácticamente, para que el flujo tenga lugar a través de las cuchillas móviles, también debe haber una pequeña caída de presión a través de las cuchillas móviles.

En las turbinas de impulso, el vapor se expande a través de la boquilla, donde la mayor parte de la energía potencial de presión se convierte en energía cinética. El vapor de alta velocidad de las boquillas fijas impacta las cuchillas , cambia su dirección , lo que a su vez aplica una fuerza . El impulso resultante conduce las palas hacia adelante, haciendo que el rotor gire. La característica principal de estas turbinas es que la caída de presión por etapa individual puede ser bastante grande, permitiendo grandes álabes y un menor número de etapas. Excepto para aplicaciones de baja potencia, los álabes de la turbina están dispuestos en múltiples etapas en serie, llamadas compuestos, lo que mejora enormemente la eficiencia a bajas velocidades.

Las turbinas de vapor modernas con frecuencia emplean tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia. Las palas del rotor generalmente están diseñadas como una pala de impulso en la podredumbre y como una pala de reacción en la punta.

Dado que las etapas de Curtis reducen significativamente la presión y la temperatura del fluido a un nivel moderado con una alta proporción de trabajo por etapa. Una disposición habitual es proporcionar en el lado de alta presión una o más etapas de Curtis, seguido de Rateau o puesta en escena de reacción. En general, cuando se tiene en cuenta la fricción en las etapas de reacción, se encuentra que la etapa de reacción es la más eficiente, seguida de Rateau y Curtis en ese orden. Las pérdidas por fricción son significativas para las etapas de Curtis, ya que son proporcionales a la velocidad del vapor al cuadrado. La razón por la cual las pérdidas por fricción son menos significativas en la etapa de reacción radica en el hecho de que el vapor se expande continuamente y, por lo tanto, las velocidades de flujo son más bajas.

Turbina de reacción – Turbina Parsons

La turbina de reacción está compuesta de palas móviles ( boquillas ) que se alternan con boquillas fijas . En la turbina de reacción, el vapor se expande en boquillas fijas y también en las boquillas móviles. En otras palabras, el vapor se expande continuamente a medida que fluye sobre las cuchillas. Hay pérdida de presión y velocidad en las cuchillas móviles. Las cuchillas móviles tienen una boquilla de vapor convergente. Por lo tanto, cuando el vapor pasa sobre las palas fijas, se expande al disminuir la presión del vapor y aumentar la energía cinética.

En las turbinas de reacción, el vapor se expande a través de la boquilla fija, donde la energía potencial de presión se convierte en energía cinética. El vapor de alta velocidad de las boquillas fijas impacta las cuchillas (boquillas), cambia su dirección y experimenta una mayor  expansión . El cambio en su dirección y la aceleración del equipo s aplica una fuerza. El impulso resultante conduce las palas hacia adelante, haciendo que el rotor gire. No hay un cambio neto en la velocidad del vapor a través de la etapa, pero con una disminución tanto en la presión como en la temperatura, lo que refleja el trabajo realizado en la conducción del rotor. En este tipo de turbina, las caídas de presión tienen lugar en varias etapas, porque la caída de presión en una sola etapa es limitada.

La característica principal de este tipo de turbina es que, a diferencia de la turbina de acción, la caída de presión por etapa es menor , por lo que las aspas se hacen más pequeñas y aumenta el número de etapas . Por otro lado, las turbinas de reacción suelen ser más eficientes, es decir, tienen una mayor “eficiencia de turbinas isentrópicas” . La turbina de reacción fue inventada por Sir Charles Parsons y se conoce como la turbina Parsons.

En el caso de las turbinas de vapor, como las que se usarían para la generación de electricidad, una turbina de reacción requeriría aproximadamente el doble de hileras de palas que una turbina de acción, para el mismo grado de conversión de energía térmica. Si bien esto hace que la turbina de reacción sea mucho más larga y pesada, la eficiencia general de una turbina de reacción es ligeramente mayor que la turbina de acción equivalente para la misma conversión de energía térmica.

Las turbinas de vapor modernas con frecuencia emplean tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia. Las palas del rotor generalmente están diseñadas como una pala de impulso en la podredumbre y como una pala de reacción en la punta.

Clasificación de turbinas – suministro de vapor y condiciones de escape

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su propósito y presiones de trabajo . El uso industrial de una turbina influye en las condiciones iniciales y finales del vapor. Para que funcione cualquier turbina de vapor, debe existir una diferencia de presión entre el suministro de vapor y el escape.

Esta clasificación incluye:

• Turbina de vapor de condensación ,
• Turbina de vapor de contrapresión ,
• Recalentar la turbina de vapor ,
• Turbina con extracción de vapor

Principio de funcionamiento del generador de turbina: generación de electricidad

La mayoría de las plantas de energía nuclear opera un generador de turbina de eje único que consta de una turbina HP de etapas múltiples y tres turbinas LP de etapas múltiples paralelas , un generador principal y un excitador.  La turbina HP generalmente es una turbina de acción de doble flujo (o tipo de reacción) con aproximadamente 10 etapas con cuchillas cubiertas y produce aproximadamente 30-40% de la potencia bruta de salida de la unidad de planta de energía. Turbinas de LPPor lo general, son turbinas de reacción de doble flujo con aproximadamente 5-8 etapas (con álabes envueltos y con álabes independientes de las últimas 3 etapas). Las turbinas de LP producen aproximadamente el 60-70% de la producción de potencia bruta de la unidad de la central eléctrica. Cada rotor de turbina está montado sobre dos cojinetes, es decir, hay cojinetes dobles entre cada módulo de turbina.

Del generador de vapor a las principales líneas de vapor: evaporación

El sistema de conversión de potencia de PWR típico  comienza en los generadores de vapor en sus lados de la carcasa. Los generadores de vapor son intercambiadores de calor utilizados para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde ~ 230 ° C 500 ° F (fluido precalentado por regeneradores) hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El calor se transfiere a través de las paredes de estos tubos al refrigerante secundario de baja presión ubicado en el lado secundario del intercambiador donde el refrigerante se evapora a vapor presurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa). El vapor saturado sale del generador de vapor a través de una salida de vapor y continúa hacia las líneas principales de vapor y más allá hacia la turbina de vapor .

Estas líneas principales de vapor están unidas entre sí (por ejemplo, a través de una tubería colectora de vapor) cerca de la turbina para garantizar que la diferencia de presión entre cualquiera de los generadores de vapor no exceda el valor específico, manteniendo así el equilibrio del sistema y asegurando la eliminación uniforme del calor del sistema de refrigeración del reactor ( RCS). El vapor fluye a través de las válvulas principales de aislamiento de la línea de vapor (MSIV), que son muy importantes desde el punto de vista de la seguridad, hacia la turbina de alta presión. Directamente en la entrada de la turbina de vapor, hay válvulas de mariposa de ventanilla y válvulas de control . El control de la turbina se logra variando estas aberturas de las válvulas de la turbina. En caso de un viaje de turbina, el suministro de vapor debe aislarse muy rápidamente, generalmente en una fracción de segundo, por lo que las válvulas de cierre deben funcionar de manera rápida y confiable.

De las válvulas de turbina al condensador: expansión

Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) de un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (MSR – punto D). El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El alto contenido de gotas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas, lo que ocurre cuando el agua condensada se lanza sobre las cuchillas. Para evitar esto, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina.

El vapor libre de humedad se sobrecalienta mediante el vapor de extracción de la etapa de alta presión de la turbina y el vapor directamente de las líneas principales de vapor. El vapor de calefacción se condensa en los tubos y se drena al sistema de agua de alimentación.

El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado luego se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Las etapas de alta y baja presión de la turbina generalmente están en el mismo eje para impulsar un generador común, pero tienen casos separados. El generador principal produce energía eléctrica, que se suministra a la red eléctrica.

Del condensador a las bombas de condensado – Condensación

El condensador principal condensa el vapor de escape de las etapas de baja presión de la turbina principal y también del sistema de descarga de vapor. El vapor agotado se condensa al pasar sobre tubos que contienen agua del sistema de enfriamiento.

La presión dentro del condensador viene dada por la temperatura del aire ambiente (es decir, la temperatura del agua en el sistema de enfriamiento) y por eyectores de vapor o bombas de vacío , que extraen los gases (no condensables) del condensador de superficie y los expulsan a la atmósfera.

La presión de condensador más baja posible es la presión de saturación correspondiente a la temperatura ambiente (por ejemplo, presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C ). Tenga en cuenta que siempre hay una diferencia de temperatura entre (alrededor de ΔT = 14 ° C ) la temperatura del condensador y la temperatura ambiente, que se origina en el tamaño finito y la eficiencia de los condensadores. Dado que ninguno de los condensadores es un intercambiador de calor 100% eficiente, siempre hay una diferencia de temperatura entre la temperatura de saturación (lado secundario) y la temperatura del refrigerante en el sistema de enfriamiento. Además, existe una ineficiencia en el diseño, que disminuye la eficiencia general de la turbina. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría subenfriamiento. Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la cavitación por succión en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

El objetivo de mantener la presión de escape de turbina práctica más baja es una razón principal para incluir el condensador en una central térmica. El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor, lo que resulta en un aumento significativo del trabajo neto y la eficiencia térmica. Pero también este parámetro (presión del condensador) tiene sus límites de ingeniería:

• Disminuir la presión de escape de la turbina disminuye la calidad del vapor (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .
• La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta significativamente el volumen específico de vapor extraído, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor.

En una turbina de vapor húmedo típica , el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy inferior a la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Tenga en cuenta que la presión dentro del condensador también depende de las condiciones atmosféricas ambientales:

• temperatura del aire, presión y humedad en caso de enfriamiento a la atmósfera
• temperatura del agua y caudal en caso de enfriamiento en un río o mar

Un aumento en la temperatura ambiente provoca un aumento proporcional en la presión del vapor agotado ( ΔT = 14 ° C suele ser una constante), por lo tanto, la eficiencia térmica del sistema de conversión de energía disminuye. En otras palabras, la salida eléctrica de una planta de energía puede variar con las condiciones ambientales , mientras que la energía térmica permanece constante.

El vapor condensado (ahora llamado condensado) se recoge en el pozo del condensador. La fuente de agua caliente del condensador también proporciona una capacidad de almacenamiento de agua, que se requiere para fines operativos como la distribución del agua de alimentación. El condensado (líquido saturado o ligeramente subenfriado) se entrega a la bomba de condensado y luego se bombea mediante bombas de condensado al desaireador a través del sistema de calentamiento del agua de alimentación. Las bombas de condensado aumentan la presión generalmente a aproximadamente p = 1-2 MPa. Por lo general, hay cuatro bombas centrífugas de condensado de un tercio de capacidad con cabezales de succión y descarga comunes. Normalmente hay tres bombas en funcionamiento con una en la copia de seguridad.

Desde bombas de condensado hasta bombas de agua de alimentación: regeneración de calor

El condensado de las bombas de condensado luego pasa a través de varias etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión , en los que la temperatura del condensado aumenta por la transferencia de calor del vapor extraído de las turbinas de baja presión. Por lo general, hay tres o cuatro etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión conectados en la cascada. El condensado sale de los calentadores de agua de alimentación a baja presión a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C y entra al desaireador.. El sistema principal de condensado también contiene un sistema mecánico de purificación de condensado para eliminar impurezas. Los calentadores de agua de alimentación son autorregulables. Significa que cuanto mayor es el flujo de agua de alimentación, mayor es la tasa de absorción de calor del vapor y mayor es el flujo de vapor de extracción.

Hay válvulas de retención en las líneas de extracción de vapor entre los calentadores de agua de alimentación y la turbina. Estas válvulas antirretorno evitan el flujo inverso de vapor o agua en caso de disparo de la turbina, lo que provoca una disminución rápida de la presión dentro de la turbina. Cualquier agua que ingrese a la turbina de esta manera podría causar graves daños a los álabes de la turbina.

Desaireador

En general, un desaireador es un dispositivo que se utiliza para eliminar oxígeno y otros gases disueltos del agua de alimentación a los generadores de vapor. El desaireador es parte del sistema de calentamiento del agua de alimentación. Por lo general, se encuentra entre el último calentador de baja presión y las bombas de refuerzo de agua de alimentación. En particular, el oxígeno disuelto en el generador de vapor puede causar graves daños por corrosión al adherirse a las paredes de las tuberías metálicas y otros equipos metálicos y formar óxidos (óxido). Además, el dióxido de carbono disuelto se combina con agua para formar ácido carbónico que causa más corrosión.

En el desaireador , el condensado se calienta a condiciones saturadas, generalmente por el vapor extraído de la turbina de vapor. El vapor de extracción se mezcla en el desaireador mediante un sistema de boquillas de pulverización y bandejas en cascada entre las cuales se filtra el vapor. Cualquier gas disuelto en el condensado se libera en este proceso y se elimina del desaireador mediante ventilación a la atmósfera o al condensador principal. Directamente debajo del desaireador está el tanque de almacenamiento de agua de alimentación., en el que se almacena una gran cantidad de agua de alimentación en condiciones de casi saturación. En el evento de disparo de la turbina, esta agua de alimentación puede suministrarse a generadores de vapor para mantener el inventario de agua requerido durante la transición. El desaireador y el tanque de almacenamiento generalmente se encuentran a una gran altura en la sala de turbinas para garantizar una altura de succión positiva neta (NPSH) adecuada en la entrada de las bombas de agua de alimentación. NPSH se usa para medir qué tan cerca está un fluido de las condiciones saturadas. Bajar la presión en el lado de succión puede inducir cavitación . Esta disposición minimiza el riesgo de cavitación en la bomba.

Desde bombas de agua de alimentación hasta generador de vapor

El sistema de bombas de agua de alimentación generalmente contiene tres líneas paralelas ( 3 × 50% ) de bombas de agua de alimentación con cabezales de succión y descarga comunes. Cada bomba de agua de alimentación consiste en el refuerzo y la bomba principal de agua de alimentación . Las bombas de agua de alimentación (generalmente accionadas por turbinas de vapor) aumentan la presión del condensado (~ 1MPa) a la presión en el generador de vapor (~ 6.5MPa).

Las bombas de refuerzo proporcionan la presión de succión de la bomba de agua de alimentación principal requerida. Estas bombas (ambas bombas de agua de alimentación) son normalmente bombas de alta presión (generalmente del tipo de bomba centrífuga ) que toman succión del tanque de almacenamiento de agua del desaireador, que está montado directamente debajo del desaireador, y suministran las bombas de agua de alimentación principales. La descarga de agua de las bombas de agua de alimentación fluye a través de los calentadores de agua de alimentación de alta presión , ingresa a la contención y luego fluye hacia los generadores de vapor .

El flujo de agua de alimentación a cada generador de vapor se controla mediante válvulas reguladoras de agua de alimentación ( FRV ) en cada línea de agua de alimentación. El regulador se controla automáticamente por el nivel del generador de vapor, el flujo de vapor y el flujo de agua de alimentación.

Los calentadores de agua de alimentación de alta presión se calientan por extracción de vapor de la turbina de alta presión, HP Turbine. Los drenajes de los calentadores de agua de alimentación de alta presión generalmente se dirigen al desaireador.

El agua de alimentación ( agua 230 ° C; 446 ° F; 6,5MPa ) se bombea al generador de vapor a través de la entrada del agua de alimentación. En el generador de vapor se calienta el agua de alimentación (circuito secundario) desde ~ 230 ° C 446 ° F hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El agua de alimentación se evapora y el vapor a presión ( vapor saturado a 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) sale del generador de vapor a través de la salida de vapor y continúa hacia la turbina de vapor, completando así 

Del generador de vapor a las principales líneas de vapor: evaporación

El sistema de conversión de potencia de PWR típico  comienza en los generadores de vapor en sus lados de la carcasa. Los generadores de vapor son intercambiadores de calor utilizados para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde ~ 230 ° C 500 ° F (fluido precalentado por regeneradores) hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El calor se transfiere a través de las paredes de estos tubos al refrigerante secundario de baja presión ubicado en el lado secundario del intercambiador donde el refrigerante se evapora a vapor presurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa). El vapor saturado sale del generador de vapor a través de una salida de vapor y continúa hacia las líneas principales de vapor y más allá hacia la turbina de vapor .

Estas líneas principales de vapor están unidas entre sí (por ejemplo, a través de una tubería colectora de vapor) cerca de la turbina para garantizar que la diferencia de presión entre cualquiera de los generadores de vapor no exceda el valor específico, manteniendo así el equilibrio del sistema y asegurando la eliminación uniforme del calor del sistema de refrigeración del reactor ( RCS). El vapor fluye a través de las válvulas principales de aislamiento de la línea de vapor (MSIV), que son muy importantes desde el punto de vista de la seguridad, hacia la turbina de alta presión. Directamente en la entrada de la turbina de vapor, hay válvulas de mariposa de ventanilla y válvulas de control . El control de la turbina se logra variando estas aberturas de las válvulas de la turbina. En caso de un viaje de turbina, el suministro de vapor debe aislarse muy rápidamente, generalmente en una fracción de segundo, por lo que las válvulas de cierre deben funcionar de manera rápida y confiable.

De las válvulas de turbina al condensador: expansión

Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) de un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (MSR – punto D). El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan producirse en las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad.. El alto contenido de gotas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas, lo que ocurre cuando el agua condensada se lanza sobre las cuchillas. Para evitar esto, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina. El vapor libre de humedad se sobrecalienta mediante el vapor de extracción de la etapa de alta presión de la turbina y el vapor directamente de las líneas principales de vapor.

El vapor de calefacción se condensa en los tubos y se drena al sistema de agua de alimentación. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado luego se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Las etapas de alta y baja presión de la turbina generalmente están en el mismo eje para impulsar un generador común, pero tienen casos separados. El generador principal produce energía eléctrica, que se suministra a la red eléctrica.

Del condensador a las bombas de condensado – Condensación

El condensador principal condensa el vapor de escape de las etapas de baja presión de la turbina principal y también del sistema de descarga de vapor. El vapor agotado se condensa al pasar sobre tubos que contienen agua del sistema de enfriamiento.

La presión dentro del condensador viene dada por la temperatura del aire ambiente (es decir, la temperatura del agua en el sistema de enfriamiento) y por eyectores de vapor o bombas de vacío , que extraen los gases (no condensables) del condensador de superficie y los expulsan a la atmósfera.

La presión de condensador más baja posible es la presión de saturación correspondiente a la temperatura ambiente (por ejemplo, presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C ). Tenga en cuenta que siempre hay una diferencia de temperatura entre (alrededor de ΔT = 14 ° C ) la temperatura del condensador y la temperatura ambiente, que se origina en el tamaño finito y la eficiencia de los condensadores. Dado que ninguno de los condensadores es un intercambiador de calor 100% eficiente, siempre hay una diferencia de temperatura entre la temperatura de saturación (lado secundario) y la temperatura del refrigerante en el sistema de enfriamiento. Además, existe una ineficiencia en el diseño, que disminuye la eficiencia general de la turbina. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría subenfriamiento. Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la cavitación por succión en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

El objetivo de mantener la presión de escape de turbina práctica más baja es una razón principal para incluir el condensador en una central térmica. El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor, lo que resulta en un aumento significativo del trabajo neto y la eficiencia térmica. Pero también este parámetro (presión del condensador) tiene sus límites de ingeniería:

• Disminuir la presión de escape de la turbina disminuye la calidad del vapor (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .
• La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta significativamente el volumen específico de vapor extraído, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor.

En una turbina de vapor húmedo típica , el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy inferior a la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Tenga en cuenta que la presión dentro del condensador también depende de las condiciones atmosféricas ambientales:

• temperatura del aire, presión y humedad en caso de enfriamiento a la atmósfera
• temperatura del agua y caudal en caso de enfriamiento en un río o mar

Un aumento en la temperatura ambiente provoca un aumento proporcional en la presión del vapor agotado ( ΔT = 14 ° C suele ser una constante), por lo tanto, la eficiencia térmica del sistema de conversión de energía disminuye. En otras palabras, la salida eléctrica de una planta de energía puede variar con las condiciones ambientales , mientras que la energía térmica permanece constante.

El vapor condensado (ahora llamado condensado) se recoge en el pozo del condensador. La fuente de agua caliente del condensador también proporciona una capacidad de almacenamiento de agua, que se requiere para fines operativos como la distribución del agua de alimentación. El condensado (líquido saturado o ligeramente subenfriado) se entrega a la bomba de condensado y luego se bombea mediante bombas de condensado al desaireador a través del sistema de calentamiento del agua de alimentación. Las bombas de condensado aumentan la presión generalmente a aproximadamente p = 1-2 MPa. Por lo general, hay cuatro bombas centrífugas de condensado de un tercio de capacidad con cabezales de succión y descarga comunes. Normalmente hay tres bombas en funcionamiento con una en la copia de seguridad.

Desde bombas de condensado hasta bombas de agua de alimentación: regeneración de calor

El condensado de las bombas de condensado luego pasa a través de varias etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión , en los que la temperatura del condensado aumenta por la transferencia de calor del vapor extraído de las turbinas de baja presión. Por lo general, hay tres o cuatro etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión conectados en la cascada. El condensado sale de los calentadores de agua de alimentación a baja presión a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C y entra al desaireador.. El sistema principal de condensado también contiene un sistema mecánico de purificación de condensado para eliminar impurezas. Los calentadores de agua de alimentación son autorregulables. Significa que cuanto mayor es el flujo de agua de alimentación, mayor es la tasa de absorción de calor del vapor y mayor es el flujo de vapor de extracción.

Hay válvulas de retención en las líneas de extracción de vapor entre los calentadores de agua de alimentación y la turbina. Estas válvulas antirretorno evitan el flujo inverso de vapor o agua en caso de disparo de la turbina, lo que provoca una disminución rápida de la presión dentro de la turbina. Cualquier agua que ingrese a la turbina de esta manera podría causar graves daños a los álabes de la turbina.

Desaireador

En general, un desaireador es un dispositivo que se utiliza para eliminar oxígeno y otros gases disueltos del agua de alimentación a los generadores de vapor. El desaireador es parte del sistema de calentamiento del agua de alimentación. Por lo general, se encuentra entre el último calentador de baja presión y las bombas de refuerzo de agua de alimentación. En particular, el oxígeno disuelto en el generador de vapor puede causar graves daños por corrosión al adherirse a las paredes de las tuberías metálicas y otros equipos metálicos y formar óxidos (óxido). Además, el dióxido de carbono disuelto se combina con agua para formar ácido carbónico que causa más corrosión.

En el desaireador , el condensado se calienta a condiciones saturadas, generalmente por el vapor extraído de la turbina de vapor. El vapor de extracción se mezcla en el desaireador mediante un sistema de boquillas de pulverización y bandejas en cascada entre las cuales se filtra el vapor. Cualquier gas disuelto en el condensado se libera en este proceso y se elimina del desaireador mediante ventilación a la atmósfera o al condensador principal. Directamente debajo del desaireador está el tanque de almacenamiento de agua de alimentación., en el que se almacena una gran cantidad de agua de alimentación en condiciones de casi saturación. En el evento de disparo de la turbina, esta agua de alimentación puede suministrarse a generadores de vapor para mantener el inventario de agua requerido durante la transición. El desaireador y el tanque de almacenamiento generalmente se encuentran a una gran altura en la sala de turbinas para garantizar una altura de succión positiva neta (NPSH) adecuada en la entrada de las bombas de agua de alimentación. NPSH se usa para medir qué tan cerca está un fluido de las condiciones saturadas. Bajar la presión en el lado de succión puede inducir cavitación . Esta disposición minimiza el riesgo de cavitación en la bomba.

Desde bombas de agua de alimentación hasta generador de vapor

El sistema de bombas de agua de alimentación generalmente contiene tres líneas paralelas ( 3 × 50% ) de bombas de agua de alimentación con cabezales de succión y descarga comunes. Cada bomba de agua de alimentación consiste en el refuerzo y la bomba principal de agua de alimentación . Las bombas de agua de alimentación (generalmente accionadas por turbinas de vapor) aumentan la presión del condensado (~ 1MPa) a la presión en el generador de vapor (~ 6.5MPa).

Las bombas de refuerzo proporcionan la presión de succión de la bomba de agua de alimentación principal requerida. Estas bombas (ambas bombas de agua de alimentación) son normalmente bombas de alta presión (generalmente del tipo de bomba centrífuga ) que toman succión del tanque de almacenamiento de agua del desaireador, que está montado directamente debajo del desaireador, y suministran las bombas de agua de alimentación principales. La descarga de agua de las bombas de agua de alimentación fluye a través de los calentadores de agua de alimentación de alta presión , ingresa a la contención y luego fluye hacia los generadores de vapor .

El flujo de agua de alimentación a cada generador de vapor se controla mediante válvulas reguladoras de agua de alimentación ( FRV ) en cada línea de agua de alimentación. El regulador se controla automáticamente por el nivel del generador de vapor, el flujo de vapor y el flujo de agua de alimentación.

Los calentadores de agua de alimentación de alta presión se calientan por extracción de vapor de la turbina de alta presión, HP Turbine. Los drenajes de los calentadores de agua de alimentación de alta presión generalmente se dirigen al desaireador.

El agua de alimentación ( agua 230 ° C; 446 ° F; 6,5MPa ) se bombea al generador de vapor a través de la entrada del agua de alimentación. En el generador de vapor se calienta el agua de alimentación (circuito secundario) desde ~ 230 ° C 446 ° F hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El agua de alimentación se evapora y el vapor a presión ( vapor saturado a 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) sale del generador de vapor a través de la salida de vapor y continúa hacia la turbina de vapor, completando así el ciclo.

Eficiencia Térmica de Turbinas de Vapor

En general, la eficiencia térmica , η _º , de cualquier motor de calor se define como la relación de la obra lo hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q _H .

La eficiencia térmica , η _th , representa la fracción de calor , Q _H , que se convierte en trabajo . Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámica y la energía no se puede convertir para trabajar por completo, la entrada de calor, Q _H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como calor residual Q _C en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:

Esta es una fórmula muy útil, pero aquí expresamos la eficiencia térmica utilizando la primera ley en términos de entalpía .

Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo de Rankine más simple (sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. Se tabula en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . La eficiencia térmica de dicho ciclo simple de Rankine y en términos de entalpías específicas sería:

Es una ecuación muy simple y para determinar la eficiencia térmica puede usar datos de tablas de vapor .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. La razón radica en una temperatura de vapor relativamente baja ( 6 MPa ; 275.6 ° C). Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperaturadel vapor Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares. Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.

Causas de ineficiencia

Como se discutió, una eficiencia puede variar entre 0 y 1. Cada motor térmico es de alguna manera ineficiente. Esta ineficiencia puede atribuirse a tres causas.

• Irreversibilidad de los procesos . Existe un límite superior teórico general para la eficiencia de la conversión de calor para trabajar en cualquier motor térmico. Este límite superior se llama eficiencia de Carnot . Según el principio de Carnot , ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura. Por ejemplo, cuando el depósito caliente tiene T _caliente de 400 ° C (673K) y T _frío de aproximadamente 20 ° C (293K), la eficiencia máxima (ideal) será: = 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 293 / 673 = 56%. Pero todos los procesos termodinámicos reales son de alguna manera irreversibles.. No se hacen infinitamente lento. Por lo tanto, los motores térmicos deben tener eficiencias más bajas que los límites en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente del ciclo del motor térmico que usan.
• Presencia de fricción y pérdidas de calor. En sistemas termodinámicos reales o en motores de calor real, una parte de la ineficiencia general del ciclo se debe a las pérdidas de los componentes individuales. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores), una fricción mecánica , pérdidas de calor y pérdidas en el proceso de combustión causan pérdidas adicionales de eficiencia.
• Ineficiencia de diseño . Finalmente, la última y también importante fuente de ineficiencias son los compromisos asumidos por los ingenieros al diseñar un motor térmico (por ejemplo, una central eléctrica). Deben considerar el costo y otros factores en el diseño y operación del ciclo. Como ejemplo, considere un diseño del condensador en las centrales térmicas. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría subenfriamiento . Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la cavitación por succión en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

Mejora de la eficiencia térmica – Ciclo Rankine

Existen varios métodos, ¿cómo puede mejorar la eficiencia térmica del ciclo de Rankine? Suponiendo que la temperatura máxima está limitada por la presión dentro del recipiente a presión del reactor, estos métodos son:

• Presiones de caldera y condensador
• Sobrecalentamiento y recalentamiento
• Regeneración de calor
• Ciclo supercrítico de Rankine

Eficiencia isentrópica: turbina, bomba

En capítulos anteriores supusimos que la expansión del vapor es isentrópica y, por lo tanto, usamos T _4,  como la temperatura de salida del gas. Estos supuestos solo son aplicables con ciclos ideales.

La mayoría de los dispositivos de flujo constante (turbinas, compresores, boquillas) funcionan en condiciones adiabáticas, pero no son realmente isentrópicos, sino que están idealizados como isentrópicos para fines de cálculo. Definimos los parámetros η _T ,  η _P , η _N , como una relación entre el trabajo real realizado por el dispositivo y el trabajo del dispositivo cuando se opera en condiciones isentrópicas (en el caso de una turbina). Esta relación se conoce como la eficiencia de la turbina isentrópica / bomba / boquilla . Estos parámetros describen qué tan eficientemente una turbina, compresor o boquilla se aproxima a un dispositivo isentrópico correspondiente. Este parámetro reduce la eficiencia general y el rendimiento del trabajo. Para turbinas, el valor de η _T es típicamente de 0.7 a 0.9 (70-90%).

Ver también: proceso isentrópico

Ciclo de Rankine: problema con la solución

Supongamos el ciclo de Rankine , que es uno de los ciclos termodinámicos más comunes en las centrales térmicas. En este caso, suponga un ciclo simple sin recalentamiento y sin turbina de vapor de condensación funcionando con vapor saturado  (vapor seco). En este caso, la turbina opera en estado estable con condiciones de entrada de 6 MPa, t = 275.6 ° C, x = 1 (punto 3). El vapor sale de esta etapa de la turbina a una presión de 0.008 MPa, 41.5 ° C yx = ??? (punto 4).

Calcular:

1. la calidad del vapor del vapor de salida
2. la diferencia de entalpía entre estos dos estados (3 → 4), que corresponde al trabajo realizado por el vapor, W _T .
3. la diferencia de entalpía entre estos dos estados (1 → 2), que corresponde a la labor realizada por las bombas, W _P .
4. La diferencia de entalpía entre estos dos estados (2 → 3), que corresponde al calor neto agregado en el generador de vapor
5. la eficiencia termodinámica de este ciclo y compare este valor con la eficiencia de Carnot

1)

Como no conocemos la calidad exacta del vapor del vapor de salida, tenemos que determinar este parámetro. El estado 4 está fijado por la presión p ₄ = 0.008 MPa y el hecho de que la entropía específica es constante para la expansión isentrópica (s ₃ = s ₄ = 5.89 kJ / kgK para 6 MPa ). La entropía específica del agua líquida saturada (x = 0) y el vapor seco (x = 1) puede seleccionarse de las tablas de vapor . En caso de vapor húmedo, la entropía real se puede calcular con la calidad del vapor, x, y las entropías específicas de agua líquida saturada y vapor seco:

s ₄ = s _v x + (1 – x) s _l              

dónde

s ₄ = entropía de vapor húmedo (J / kg K) = 5.89 kJ / kgK

s _v = entropía de vapor “seco” (J / kg K) = 8.227 kJ / kgK (para 0.008 MPa)

s _l = entropía de agua líquida saturada (J / kg K) = 0.592 kJ / kgK (para 0.008 MPa)

De esta ecuación, la calidad del vapor es:

x ₄ = ( s ₄ – s _l ) / ( s _v – s _l ) = (5.89 – 0.592) / (8.227 – 0.592) = 0.694 = 69.4%

2)

La entalpía para el estado 3 puede seleccionarse directamente de las mesas de vapor, mientras que la entalpía para el estado 4 debe calcularse utilizando la calidad del vapor:

h _{3, v} = 2785 kJ / kg

h _{4, húmedo} = h _{4, v} x + (1 – x) h _{4, l}  = 2576. 0.694 + (1 – 0.694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Entonces el trabajo realizado por el vapor, W _T, es

W _T = Δh = 945 kJ / kg

3)

La entalpía para el estado 1 puede seleccionarse directamente de las mesas de vapor:

h _{1, l} = 174 kJ / kg

El estado 2 está fijado por la presión p ₂ = 6.0 MPa y el hecho de que la entropía específica es constante para la compresión isentrópica (s ₁ = s ₂ = 0.592 kJ / kgK para 0.008 MPa ). Para esta entropía s ₂ = 0.592 kJ / kgK y p ₂ = 6.0 MPa encontramos h _{2, subenfriado} en tablas de vapor para agua comprimida (usando interpolación entre dos estados).

h _{2, subenfriado} = 179.7 kJ / kg

Entonces el trabajo realizado por las bombas, W _P, es

W _P = Δh = 5.7 kJ / kg

4)

La diferencia de entalpía entre (2 → 3), que corresponde al calor neto agregado en el generador de vapor, es simplemente:

Q _add = h _{3, v}  – h _{2, subenfriado} = 2785 – 179.7 =   2605.3 kJ / kg

Tenga en cuenta que no hay regeneración de calor en este ciclo. Por otro lado, la mayor parte del calor agregado es para la entalpía de vaporización (es decir, para el cambio de fase).

5)

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

η _Carnot = 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es de 275.6 ° C (548.7 K), la temperatura del depósito frío es de 41.5 ° C (314.7K).

La eficiencia termodinámica de este ciclo se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

así
η _th = (945 – 5.7) / 2605.3 = 0.361 = 36.1%

 

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Turbina de impulso y turbina de reacción

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su construcción, presiones de trabajo, tamaño y muchos otros parámetros. Pero hay dos tipos básicos de turbinas de vapor:

• turbinas de impulso
• turbinas de reacción .

La principal distinción es la manera en que el vapor se expande a medida que pasa a través de la turbina.

Turbina de impulso y turbina de reacción

Los tipos de turbina de vapor basados ​​en la geometría de la pala y el proceso de conversión de energía son la turbina de acción y la turbina de reacción.

Turbina de impulso

La turbina de acción está compuesta de palas móviles que se alternan con boquillas fijas . En la turbina de acción, el vapor se expande en boquillas fijas y permanece a presión constante cuando pasa sobre las palas. Las turbinas Curtis , Rateau o Brown-Curtis son turbinas de tipo impulso. La turbina de vapor original, la De Laval, era una turbina de acción que tenía una rueda de una sola pala.

Toda la caída de presión de vapor tiene lugar solo en boquillas estacionarias. Aunque las cuchillas de impulso teóricas tienen una caída de presión cero en las cuchillas móviles, prácticamente, para que el flujo tenga lugar a través de las cuchillas móviles, también debe haber una pequeña caída de presión a través de las cuchillas móviles.

En las turbinas de impulso, el vapor se expande a través de la boquilla, donde la mayor parte de la energía potencial de presión se convierte en energía cinética. El vapor de alta velocidad de las boquillas fijas impacta las cuchillas , cambia su dirección , lo que a su vez aplica una fuerza . El impulso resultante conduce las palas hacia adelante, haciendo que el rotor gire. La característica principal de estas turbinas es que la caída de presión por etapa individual puede ser bastante grande, permitiendo grandes álabes y un menor número de etapas. Excepto para aplicaciones de baja potencia, los álabes de la turbina están dispuestos en múltiples etapas en serie, llamadas compuestos, lo que mejora enormemente la eficiencia a bajas velocidades.

Las turbinas de vapor modernas con frecuencia emplean tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia. Las palas del rotor generalmente están diseñadas como una pala de impulso en la podredumbre y como una pala de reacción en la punta.

Dado que las etapas de Curtis reducen significativamente la presión y la temperatura del fluido a un nivel moderado con una alta proporción de trabajo por etapa. Una disposición habitual es proporcionar en el lado de alta presión una o más etapas de Curtis, seguido de Rateau o puesta en escena de reacción. En general, cuando se tiene en cuenta la fricción en las etapas de reacción, se encuentra que la etapa de reacción es la más eficiente, seguida de Rateau y Curtis en ese orden. Las pérdidas por fricción son significativas para las etapas de Curtis, ya que son proporcionales a la velocidad del vapor al cuadrado. La razón por la cual las pérdidas por fricción son menos significativas en la etapa de reacción radica en el hecho de que el vapor se expande continuamente y, por lo tanto, las velocidades de flujo son más bajas.

Turbina de reacción – Turbina Parsons

La turbina de reacción está compuesta de palas móviles ( boquillas ) que se alternan con boquillas fijas . En la turbina de reacción, el vapor se expande en boquillas fijas y también en las boquillas móviles. En otras palabras, el vapor se expande continuamente a medida que fluye sobre las cuchillas. Hay pérdida de presión y velocidad en las cuchillas móviles. Las cuchillas móviles tienen una boquilla de vapor convergente. Por lo tanto, cuando el vapor pasa sobre las palas fijas, se expande al disminuir la presión del vapor y aumentar la energía cinética.

En las turbinas de reacción, el vapor se expande a través de la boquilla fija, donde la energía potencial de presión se convierte en energía cinética. El vapor de alta velocidad de las boquillas fijas impacta las cuchillas (boquillas), cambia su dirección y experimenta una mayor  expansión . El cambio en su dirección y la aceleración del equipo s aplica una fuerza. El impulso resultante conduce las palas hacia adelante, haciendo que el rotor gire. No hay un cambio neto en la velocidad del vapor a través de la etapa, pero con una disminución tanto en la presión como en la temperatura, lo que refleja el trabajo realizado en la conducción del rotor. En este tipo de turbina, las caídas de presión tienen lugar en varias etapas, porque la caída de presión en una sola etapa es limitada.

La característica principal de este tipo de turbina es que, a diferencia de la turbina de acción, la caída de presión por etapa es menor , por lo que las aspas se hacen más pequeñas y aumenta el número de etapas . Por otro lado, las turbinas de reacción suelen ser más eficientes, es decir, tienen una mayor “eficiencia de turbinas isentrópicas” . La turbina de reacción fue inventada por Sir Charles Parsons y se conoce como la turbina Parsons.

En el caso de las turbinas de vapor, como las que se usarían para la generación de electricidad, una turbina de reacción requeriría aproximadamente el doble de hileras de palas que una turbina de acción, para el mismo grado de conversión de energía térmica. Si bien esto hace que la turbina de reacción sea mucho más larga y pesada, la eficiencia general de una turbina de reacción es ligeramente mayor que la turbina de acción equivalente para la misma conversión de energía térmica.

Las turbinas de vapor modernas con frecuencia emplean tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia. Las palas del rotor generalmente están diseñadas como una pala de impulso en la podredumbre y como una pala de reacción en la punta.

Tipos de turbinas de vapor

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su construcción, presiones de trabajo, tamaño y muchos otros parámetros. Pero hay dos tipos básicos de turbinas de vapor:

• turbinas de impulso
• turbinas de reacción .

La principal distinción es la manera en que el vapor se expande a medida que pasa a través de la turbina.

Turbina de impulso y turbina de reacción

Los tipos de turbina de vapor basados ​​en la geometría de la pala y el proceso de conversión de energía son la turbina de acción y la turbina de reacción.

Turbina de impulso

La turbina de acción está compuesta de palas móviles que se alternan con boquillas fijas . En la turbina de acción, el vapor se expande en boquillas fijas y permanece a presión constante cuando pasa sobre las palas. Las turbinas Curtis , Rateau o Brown-Curtis son turbinas de tipo impulso. La turbina de vapor original, la De Laval, era una turbina de acción que tenía una rueda de una sola pala.

Toda la caída de presión de vapor tiene lugar solo en boquillas estacionarias. Aunque las cuchillas de impulso teóricas tienen una caída de presión cero en las cuchillas móviles, prácticamente, para que el flujo tenga lugar a través de las cuchillas móviles, también debe haber una pequeña caída de presión a través de las cuchillas móviles.

En las turbinas de impulso, el vapor se expande a través de la boquilla, donde la mayor parte de la energía potencial de presión se convierte en energía cinética. El vapor de alta velocidad de las boquillas fijas impacta las cuchillas , cambia su dirección , lo que a su vez aplica una fuerza . El impulso resultante conduce las palas hacia adelante, haciendo que el rotor gire. La característica principal de estas turbinas es que la caída de presión por etapa individual puede ser bastante grande, permitiendo grandes álabes y un menor número de etapas. Excepto para aplicaciones de baja potencia, los álabes de la turbina están dispuestos en múltiples etapas en serie, llamadas compuestos, lo que mejora enormemente la eficiencia a bajas velocidades.

Las turbinas de vapor modernas con frecuencia emplean tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia. Las palas del rotor generalmente están diseñadas como una pala de impulso en la podredumbre y como una pala de reacción en la punta.

Dado que las etapas de Curtis reducen significativamente la presión y la temperatura del fluido a un nivel moderado con una alta proporción de trabajo por etapa. Una disposición habitual es proporcionar en el lado de alta presión una o más etapas de Curtis, seguido de Rateau o puesta en escena de reacción. En general, cuando se tiene en cuenta la fricción en las etapas de reacción, se encuentra que la etapa de reacción es la más eficiente, seguida de Rateau y Curtis en ese orden. Las pérdidas por fricción son significativas para las etapas de Curtis, ya que son proporcionales a la velocidad del vapor al cuadrado. La razón por la cual las pérdidas por fricción son menos significativas en la etapa de reacción radica en el hecho de que el vapor se expande continuamente y, por lo tanto, las velocidades de flujo son más bajas.

Turbina de reacción – Turbina Parsons

La turbina de reacción está compuesta de palas móviles ( boquillas ) que se alternan con boquillas fijas . En la turbina de reacción, el vapor se expande en boquillas fijas y también en las boquillas móviles. En otras palabras, el vapor se expande continuamente a medida que fluye sobre las cuchillas. Hay pérdida de presión y velocidad en las cuchillas móviles. Las cuchillas móviles tienen una boquilla de vapor convergente. Por lo tanto, cuando el vapor pasa sobre las palas fijas, se expande al disminuir la presión del vapor y aumentar la energía cinética.

En las turbinas de reacción, el vapor se expande a través de la boquilla fija, donde la energía potencial de presión se convierte en energía cinética. El vapor de alta velocidad de las boquillas fijas impacta las cuchillas (boquillas), cambia su dirección y experimenta una mayor  expansión . El cambio en su dirección y la aceleración del equipo s aplica una fuerza. El impulso resultante conduce las palas hacia adelante, haciendo que el rotor gire. No hay un cambio neto en la velocidad del vapor a través de la etapa, pero con una disminución tanto en la presión como en la temperatura, lo que refleja el trabajo realizado en la conducción del rotor. En este tipo de turbina, las caídas de presión tienen lugar en varias etapas, porque la caída de presión en una sola etapa es limitada.

La característica principal de este tipo de turbina es que, a diferencia de la turbina de acción, la caída de presión por etapa es menor , por lo que las aspas se hacen más pequeñas y aumenta el número de etapas . Por otro lado, las turbinas de reacción suelen ser más eficientes, es decir, tienen una mayor “eficiencia de turbinas isentrópicas” . La turbina de reacción fue inventada por Sir Charles Parsons y se conoce como la turbina Parsons.

En el caso de las turbinas de vapor, como las que se usarían para la generación de electricidad, una turbina de reacción requeriría aproximadamente el doble de hileras de palas que una turbina de acción, para el mismo grado de conversión de energía térmica. Si bien esto hace que la turbina de reacción sea mucho más larga y pesada, la eficiencia general de una turbina de reacción es ligeramente mayor que la turbina de acción equivalente para la misma conversión de energía térmica.

Las turbinas de vapor modernas con frecuencia emplean tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia. Las palas del rotor generalmente están diseñadas como una pala de impulso en la podredumbre y como una pala de reacción en la punta.

Clasificación de turbinas – suministro de vapor y condiciones de escape

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su propósito y presiones de trabajo . El uso industrial de una turbina influye en las condiciones iniciales y finales del vapor. Para que funcione cualquier turbina de vapor, debe existir una diferencia de presión entre el suministro de vapor y el escape.

Esta clasificación incluye:

• Turbina de vapor de condensación ,
• Turbina de vapor de contrapresión ,
• Recalentar la turbina de vapor ,
• Turbina con extracción de vapor

Calefacción y Aire Acondicionado

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , muchos procesos termodinámicos proceden naturalmente en una dirección pero no al contrario. Por ejemplo, cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío , nunca al revés. De hecho, dicho flujo de calor (de un cuerpo más frío a un sistema más cálido) no violaría la primera ley de la termodinámica , es decir, se conservaría la energía. Pero no sucede en la naturaleza.

Las direcciones de los procesos termodinámicos están sujetas a la segunda ley de la termodinámica, especialmente a la Declaración de Clausius de la Segunda Ley , que establece:

“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea la transferencia de calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente”.

El calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin realizar un trabajo externo en el sistema. Esto es exactamente lo que logran los refrigeradores y las bombas de calor. En un refrigerador, bomba de calor o aire acondicionado, el calor fluye de frío a caliente, pero solo cuando es forzado por un trabajo externo , estos dispositivos son impulsados ​​por motores eléctricos que requieren trabajo de su entorno para funcionar. No hay diferencia entre la termodinámica de los refrigeradores y las bombas de calor. Ambos funcionan moviendo el calor de un espacio frío a un espacio cálido.

Ver también: ¿Qué es la temperatura?

Bomba de calor – Principio de funcionamiento

El término bomba de calor generalmente se reserva para un dispositivo que puede calentar una casa en invierno mediante el uso de un motor eléctrico que funciona W para llevar el calor Q _frío del exterior a baja temperatura y entrega calor Q _caliente al calentador dentro de la casa.

El principio de funcionamiento de los refrigeradores , aires acondicionados y bombas de calor es el mismo y es exactamente el reverso de un motor térmico . En general, una bomba de calor es un dispositivo que transfiere energía térmica de una fuente de calor a un ” disipador de calor “, pero en este caso la transferencia se produce en la dirección opuesta a la transferencia de calor espontánea al absorber el calor de un espacio frío y liberarlo a un uno más cálido. Como se muestra en la figura, al realizar un trabajo externo W, el calor se toma de una región de baja temperatura (fuente de calor) y una mayor cantidad de calor se extrae a una temperatura más alta (disipador de calor).

El ciclo o método termodinámico más utilizado para calefacción, aire acondicionado, refrigeradores y bombas de calor es el ciclo de compresión de vapor .

Ciclo de compresión de vapor – Refrigeración por compresión de vapor

La compresión de vapor utiliza un refrigerante líquido circulante como medio (generalmente R134a ) que absorbe y elimina el calor del espacio a enfriar y posteriormente rechaza ese calor en otros lugares. La figura representa un sistema típico de compresión de vapor de una etapa . El sistema típico de compresión de vapor consta de cuatro componentes:

• Compresor
• Condensador
• Válvula de expansión (también llamada válvula de mariposa)
• Evaporador

En un ciclo ideal de compresión de vapor, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: un proceso isoentrópico (adiabático reversible), un proceso de estrangulamiento alternado con dos procesos isobáricos:

• Compresión isentrópica (compresión en el compresor de pistón): un refrigerante circulante como R134a ingresa a un compresor como vapor de baja presión a la temperatura del interior del refrigerador o ligeramente por debajo de ella. El medio gaseoso se comprime adiabáticamente desde el estado 1 al estado 2 mediante un compresor de pistón (o mediante bombas centrífugas) a una presión y temperatura relativamente altas. Los alrededores trabajan con el gas, aumentando su energía interna (temperatura) y comprimiéndolo (aumentando su presión). Por otro lado, la entropía permanece sin cambios. El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _C = H ₂ – H ₁ .
• Rechazo de calor isobárico (en un condensador) : el vapor sobrecalentado viaja bajo presión a través de bobinas o tubos que forman el condensador. En esta fase, el refrigerante pasa a través del condensador, donde el refrigerante se condensa y hay transferencia de calor del refrigerante a los alrededores más fríos. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₃ – H ₂ . A medida que el refrigerante sale del condensador, todavía está bajo presión, pero ahora solo está ligeramente por encima de la temperatura ambiente.
• Proceso Isenthalpic (expansión en una válvula de expansión): el refrigerante en el estado 3 ingresa a la válvula de expansión y se expande a la presión del evaporador. Este proceso generalmente se modela como un proceso de aceleración para el cual la entalpía permanece constante. H ₄ = H ₃ . La disminución repentina de la presión da como resultado la evaporación instantánea de una porción (típicamente aproximadamente la mitad) del líquido. El calor latente absorbido por esta evaporación instantánea se obtiene principalmente del refrigerante aún líquido adyacente, un fenómeno conocido como auto-refrigeración .
• Adición de calor isobárico ( en un evaporador ): el refrigerante frío y parcialmente vaporizado continúa a través de las bobinas o tubos de la unidad del evaporador. En esta fase (entre el estado 4 y el estado 1) hay una transferencia de calor a presión constante al medio líquido desde una fuente externa, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. A medida que el refrigerante pasa a través del evaporador, la transferencia de calor desde el espacio refrigerado da como resultado la vaporización del refrigerante. El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₁ – H ₄

Durante un ciclo de compresión de vapor, las bombas realizan el trabajo en el fluido entre los estados 1 y 2 ( compresión isentrópica ). El fluido no realiza ningún trabajo, ya que entre las etapas 3 y 4 el proceso es isentálpico. El fluido de trabajo en un ciclo de compresión de vapor sigue un circuito cerrado y se reutiliza constantemente.

Bombas de calor reversibles

Las bombas de calor reversibles funcionan en cualquier dirección para proporcionar calefacción o aire acondicionado (enfriamiento) al espacio interno. Emplean una válvula de inversión para invertir el flujo de refrigerante desde el compresor a través del condensador y las bobinas de evaporación.

Calefacción y Aire Acondicionado

En el modo de calefacción , las bombas de calor son tres o cuatro veces más efectivas en el calentamiento (es decir, pueden tener COP = 4) que los calentadores de resistencia eléctrica simples que usan la misma cantidad de electricidad. El costo típicamente instalado para una bomba de calor es aproximadamente 20 veces mayor que para los calentadores de resistencia. En el modo de calefacción, la bobina exterior es un evaporador, mientras que la interior es un condensador.

En el modo de enfriamiento , el flujo se invierte y la bobina exterior es un condensador, mientras que la interior es un evaporador. En el modo de calefacción, la bobina exterior es un evaporador, mientras que la interior es un condensador. El COP para el modo de enfriamiento es menor que para el modo de calentamiento, porque el trabajo realizado por el compresor se utiliza solo durante el modo de calentamiento.

Coeficiente de rendimiento: bomba de calor, refrigerador, aire acondicionado

En general, la eficiencia térmica , η _º , de cualquier motor térmico como la relación entre el trabajo que hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q _H .

La eficiencia térmica , η _th , representa la fracción de calor , Q _H , que se convierte en trabajo .

Pero en bombas de calor y refrigeradores , el trabajo no es una salida. Para una bomba de refrigeración o de calor, la eficiencia térmica indica el grado en que la energía agregada por el trabajo se convierte en salida neta de calor. Desde un punto de vista económico, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que elimina la mayor cantidad de calor del interior del refrigerador (depósito frío) para el menor gasto de trabajo mecánico o energía eléctrica. La relación relevante es, por lo tanto, cuanto mayor sea esta relación, mejor será el refrigerador. Llamamos a esta relación el coeficiente de rendimiento , denotado por COP .

El coeficiente de rendimiento ,   COP, se define también para las bombas de calor, pero en este punto seguimos el calor neto agregado al depósito caliente. El COP generalmente excede 1, especialmente en bombas de calor, porque, en lugar de simplemente convertir el trabajo en calor, bombea calor adicional desde una fuente de calor hacia donde se requiere el calor.

En general, el COP depende en gran medida de las condiciones de funcionamiento, especialmente la temperatura absoluta y la temperatura relativa entre el disipador de calor y el sistema.

Coeficiente de rendimiento: refrigerador, aire acondicionado

El coeficiente de rendimiento , COP , de un refrigerador se define como el calor retirado del depósito frío Q _frío (es decir, dentro de un refrigerador) dividido por el trabajo W realizado para eliminar el calor (es decir, el trabajo realizado por el compresor).

Como se puede ver, mejor (más eficiente) es el refrigerador cuando más calor Q _frío se puede quitar del interior del refrigerador para una cantidad determinada de trabajo. Dado que la primera ley de la termodinámica debe ser válida también en este caso (Q _frío + W = Q _caliente ), podemos reescribir la ecuación anterior:

Para un refrigerador ideal (sin pérdidas e irreversibilidades) se puede derivar que:

Estas fórmulas se aplican también para un aire acondicionado , que funciona de manera muy similar a un refrigerador.

Por otro lado, los COP para calefacción y refrigeración son diferentes.

Coeficiente de rendimiento: bomba de calor

Para calentar, el COP es la relación del calor agregado al sistema (depósito caliente). Usando la primera ley de la termodinámica, defina COP también como el calor eliminado del depósito frío más el trabajo de entrada al trabajo de entrada.

Para una bomba de calor ideal (sin pérdidas e irreversibilidades) se puede derivar que:

Tenga en cuenta que estas ecuaciones deben usar una escala de temperatura absoluta (T _frío , T _caliente ) y es solo una eficiencia teórica máxima . De acuerdo con la fórmula anterior, el COP máximo alcanzable para T _caliente = 35 ° C (308 K) y T _frío = 0 ° C (273 K) sería 8.8. Pero en realidad, los mejores sistemas están alrededor de 4.5.

Como se puede ver, el COP de un sistema de bomba de calor se puede mejorar reduciendo la diferencia de temperatura (T _caliente – T _frío ). Por lo tanto, la reducción de la temperatura de salida (T _caliente ) es muy eficiente, pero requiere una transferencia de calor muy eficiente desde el sistema de bomba de calor a los alrededores (es decir, uso de piso entubado). Un aumento en la temperatura de entrada (T _frío ) significa, por ejemplo, una fuente de calor del suelo de gran tamaño.

Ejemplo – Bomba de calor – Calefacción y aire acondicionado

Una bomba de calor reversible tiene un coeficiente de rendimiento, COP = 3.0 , cuando funciona en modo calefacción . Su compresor consume 1500 W de energía eléctrica.

1. Calcular la cantidad de calor ( Q _caliente ) que la bomba de calor puede agregar a una habitación?
2. Si la bomba de calor se cambiara al modo de enfriamiento (es decir, para actuar como aire acondicionado en el verano), ¿cuál esperaría que fuera su coeficiente de rendimiento ? Suponga que todo lo demás permanece igual y descuide todas las demás pérdidas.

Solución:

De la COP , que se define como:

La cantidad de calor que la bomba de calor puede agregar a una habitación es igual a:

Q _caliente = _{calentamiento} COP x W = 3 x 1500 = 4500 W o 4500 J / s

En el caso del modo de enfriamiento , la bomba de calor (aire acondicionado) con motor de 1500 W puede llevar el calor Q _frío desde el interior de la casa y luego descargar Q _caliente = 4500 W al calor exterior. Usando la primera ley de la termodinámica, que establece:

Q _frío + W = Q _caliente ,

obtenemos el calor, Q _fría = 3,000 W . De la definición: COP _{refrigeración} = 3000/1500 = 2 .

Tenga en cuenta que, en este ejemplo, tenemos muchos supuestos. Por ejemplo, supusimos que la diferencia de temperatura (T _caliente – T _frío ) es la misma para ambos modos. Pero hemos intercambiado depósitos, sin ningún impacto en la COP. Es solo un ejemplo ilustrativo.

Ciclo Brayton inverso – Ciclo de refrigeración Brayton

En general, el ciclo de Brayton describe el funcionamiento de un motor térmico de presión constante . Hoy en día, los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también son motores de calor de presión constante.

Un ciclo de Brayton que se conduce en dirección inversa se conoce como el ciclo de Brayton inverso . Su propósito es mover el calor del cuerpo más frío al más caliente, en lugar de producir trabajo. De conformidad con la segunda ley de la termodinámica, el calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin realizar un trabajo externo en el sistema. El calor puede fluir del cuerpo más frío al más caliente, pero solo cuando es forzado por un trabajo externo. Esto es exactamente lo que logran los refrigeradores y las bombas de calor. Estos son impulsados ​​por motores eléctricos que requieren trabajo de su entorno para funcionar. Uno de los ciclos posibles es un ciclo de Brayton inverso, que es similar al ciclo de Brayton ordinario, pero se conduce en reversa, a través de la entrada de trabajo neto. Este ciclo también se conoce como ciclo de refrigeración de gas o ciclo de Bell Coleman. Este tipo de ciclo se usa ampliamente en aviones a reacción para sistemas de aire acondicionado que usan aire de los compresores del motor. También se usa ampliamente en la industria de GNL, donde el ciclo Brayton inverso más grande es para subenfriar GNL utilizando 86 MW de potencia de un compresor impulsado por turbina de gas y refrigerante de nitrógeno.

Conductividad térmica

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica , k (o λ), medida en W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gaseoso), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi casi homogéneos, por lo tanto, generalmente podemos escribir k = k (T) . Definiciones similares se asocian con conductividades térmicas en las direcciones y y z (k _y , k _z ), pero para un material isotrópico la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, k _x = k _y = k _z = k.

De la ecuación anterior, se deduce que el flujo de calor de conducción aumenta al aumentar la conductividad térmica y aumenta al aumentar la diferencia de temperatura. En general, la conductividad térmica de un sólido es mayor que la de un líquido, que es mayor que la de un gas. Esta tendencia se debe en gran parte a las diferencias en el espacio intermolecular para los dos estados de la materia. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica de cualquier material a granel.

Conductividad térmica de fluidos (líquidos y gases)

En física, un fluido es una sustancia que se deforma (fluye) continuamente bajo un esfuerzo cortante aplicado. Los fluidos son un subconjunto de las fases de la materia e incluyen líquidos , gases , plasmas y, en cierta medida, sólidos plásticos. Debido a que el espacio intermolecular es mucho mayor y el movimiento de las moléculas es más aleatorio para el estado fluido que para el estado sólido, el transporte de energía térmica es menos efectivo. La conductividad térmicade gases y líquidos es, por lo tanto, generalmente más pequeño que el de los sólidos. En líquidos, la conducción térmica es causada por difusión atómica o molecular. En los gases, la conducción térmica es causada por la difusión de moléculas desde el nivel de energía más alto al nivel más bajo.

Conductividad térmica de gases

El efecto de la temperatura, la presión y las especies químicas sobre la conductividad térmica de un gas puede explicarse en términos de la teoría cinética de los gases . El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes, en ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

La conductividad térmica de los gases es directamente proporcional a la densidad del gas, la velocidad molecular media, y especialmente a la trayectoria libre media de la molécula. La ruta libre media también depende del diámetro de la molécula, con moléculas más grandes con mayor probabilidad de experimentar colisiones que las moléculas pequeñas, que es la distancia promedio recorrida por un portador de energía (una molécula) antes de experimentar una colisión. Los gases ligeros, como el hidrógeno y el helio, suelen tener una alta conductividad térmica . Los gases densos como el xenón y el diclorodifluorometano tienen baja conductividad térmica.

En general, la conductividad térmica de los gases aumenta con el aumento de la temperatura.

Conductividad térmica de líquidos

Como se escribió, en líquidos, la conducción térmica es causada por difusión atómica o molecular, pero los mecanismos físicos para explicar la conductividad térmica de los líquidos no se conocen bien. Los líquidos tienden a tener una mejor conductividad térmica que los gases, y la capacidad de fluir hace que un líquido sea adecuado para eliminar el exceso de calor de los componentes mecánicos. El calor puede eliminarse canalizando el líquido a través de un intercambiador de calor. Los refrigerantes utilizados en los reactores nucleares incluyen agua o metales líquidos, como sodio o plomo.

La conductividad térmica de los líquidos no metálicos generalmente disminuye al aumentar la temperatura.

Conducción térmica – Conducción de calor

La conducción térmica , también llamada conducción de calor , ocurre dentro de un cuerpo o entre dos cuerpos en contacto sin la participación del flujo de masa y la mezcla. Es el intercambio microscópico directo de la energía cinética de las partículas a través del límite entre dos sistemas. La transferencia de calor por conducción depende de la “fuerza” impulsora de la diferencia de temperatura y la conductividad térmica (o la resistencia a la transferencia de calor). La conductividad térmica depende de la naturaleza y las dimensiones del medio de transferencia de calor. Todos los problemas de transferencia de calor implican la diferencia de temperatura , la geometría, y las propiedades físicas del objeto en estudio. En los problemas de transferencia de calor por conducción, el objeto que se estudia suele ser un sólido.

Microscópicamente, este modo de transferencia de energía se atribuye al flujo de electrones libres desde los niveles de energía más altos a los más bajos, la vibración reticular y la colisión molecular . Considere un bloque de piedra  a alta temperatura, que consiste en átomos que oscilan intensamente alrededor de sus posiciones promedio. A bajas temperaturas , los átomos continúan oscilando, pero con menos intensidad .Si un bloque de piedra más caliente se pone en contacto con un bloque más frío, los átomos que oscilan intensamente en el borde del bloque más caliente emiten su energía cinética a los átomos menos oscilantes en el borde del bloque frío. En este caso, hay una transferencia de energía entre estos dos bloques y el calor fluye del bloque más caliente al más frío por estas vibraciones aleatorias. La visión moderna es atribuir la transferencia de energía a las ondas reticulares inducidas por el movimiento atómico. En un aislante eléctrico, la transferencia de energía se realiza exclusivamente a través de estas ondas reticulares. En un conductor, también se debe al movimiento de traslación de los electrones libres.

Ver también: Ley Zeroth de Termodinámica.

En general, los metales suelen ser buenos conductores de energía térmica . Está estrechamente asociado con su buena conductividad eléctrica . Para los metales, la conductividad térmica es bastante alta, y aquellos metales que son los mejores conductores eléctricos también son los mejores conductores térmicos. Esto se debe a la forma en que los metales se unen químicamente. Los enlaces metálicos tienen electrones de movimiento libre ( electrones libres) que transfieren energía térmica rápidamente a través del metal. El fluido electrónico de un sólido metálico conductor conduce la mayor parte del flujo de calor a través del sólido. El flujo de fonones todavía está presente, pero transporta menos energía. Estos mecanismos de conducción térmica se discutirán más adelante.

Ley de Fourier de conducción térmica

Los procesos de transferencia de calor se pueden cuantificar en términos de ecuaciones de velocidad apropiadas. La ecuación de velocidad en este modo de transferencia de calor se basa en la ley de conducción térmica de Fourier . Esta ley establece que la tasa de tiempo de transferencia de calor a través de un material es proporcional al gradiente negativo en la temperatura y al área, en ángulo recto a ese gradiente, a través del cual fluye el calor. Su forma diferencial es:

La constante de proporcionalidad obtenida en la relación se conoce como conductividad térmica , k (o λ ), del material. Un material que transfiere energía fácilmente por conducción es un buen conductor térmico y tiene un alto valor de k . La ley de Fourier es una expresión que define la conductividad térmica .

Como se puede ver, para resolver la ley de Fourier tenemos que involucrar la diferencia de temperatura, la geometría y la conductividad térmica del objeto. Esta ley fue formulada por primera vez por Joseph Fourier en 1822, quien concluyó que “el flujo de calor resultante de la conducción térmica es proporcional a la magnitud del gradiente de temperatura y opuesto a él en señal”.

De manera similar, como la ley de Fourier determina el flujo de calor a través de una losa, también se puede usar para determinar la diferencia de temperatura, cuando se conoce q . Esto se puede usar para calcular la temperatura en el centro de la pastilla de combustible como se mostrará en las siguientes secciones.