Tipos de Turbinas de Vapor y Ciclos de Cogeneración: Aplicaciones Industriales

Turbinas de Vapor Según la Presión de Salida

Según la presión de vapor a la salida de la turbomáquina, se tienen dos tipos principales de turbinas:

Turbinas de Contrapresión

En estas turbinas, el vapor se extrae a una presión superior a la atmosférica después de ser empleado. Este vapor puede ser utilizado posteriormente en procesos industriales. Se clasifican en:

• Simples o monoetapas: Poseen un solo escalonamiento.
• Compuestas o multietapas: Poseen dos o más escalonamientos.

Otra división de las turbinas de vapor se basa en la dirección del flujo de vapor respecto al eje de giro del rodete:

• Axiales: El flujo de vapor sigue la misma dirección que el eje de giro. Son las más comunes.
• Radiales: El flujo de vapor no sigue la misma dirección del eje de giro, no necesariamente perpendicular. Son menos frecuentes.

Turbinas de Condensación

El vapor de escape en estas turbinas está a una presión inferior a la atmosférica debido a la contracción volumétrica que se produce en el condensador. El condensador es un intercambiador de calor que condensa el vapor mediante la circulación de agua líquida por un haz de tubos. Esta condensación genera un vacío que reduce la presión a la salida de la turbina. Estas turbinas se utilizan principalmente para grandes potencias y son comunes en centrales térmicas de carbón, centrales de ciclo combinado (turbina de gas más turbina de vapor de condensación) y centrales nucleares.

En los ciclos combinados, los gases de escape de las turbinas de gas, que poseen un alto grado de energía, se utilizan para generar vapor en calderas de recuperación. Este vapor mueve una turbina de vapor, generalmente de condensación, permitiendo que los rendimientos del combustible superen el 55% de la energía primaria.

Ciclos de Cogeneración con Turbinas de Vapor

Ciclo con Turbina de Vapor a Contrapresión

En este ciclo, el vapor a la salida de la turbina se utiliza en el proceso industrial. La energía mecánica, generada por la expansión del vapor de alta presión de una caldera convencional, se emplea para mover un generador eléctrico o un compresor. El rendimiento puede alcanzar valores del 85-90%. Una ventaja importante es la posibilidad de emplear cualquier tipo de combustible (sólido, líquido o gaseoso), lo que hace que este ciclo sea rentable en industrias con combustibles o calores residuales, como gases de refinería, lejías negras, biomasa, etc.

Plantas con Turbina de Gas

En los sistemas con turbina de gas, se quema combustible en un generador, cediendo parte de su energía para producir energía mecánica. Aunque su rendimiento de conversión es inferior al de los motores alternativos, permiten una fácil recuperación de calor, concentrado en sus gases de escape a unos 500°C, ideal para producir vapor en un generador de recuperación.

• Simple: El vapor se produce a la presión de utilización del usuario.
• Combinado: El vapor se produce a alta presión y temperatura para su expansión previa en una turbina de vapor.

Ciclo Simple

Es la planta clásica de cogeneración, adecuada cuando los requisitos de vapor son importantes (> 10t/h). El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, ya que la economía del ciclo depende de él. Para ajustar la producción, se instala un sistema de postcombustión en el generador de vapor o se desvía parte de los gases de la turbina a la atmósfera a través de un "bypass".

Ciclo Combinado

Un ciclo combinado mejora la recuperación térmica al absorber parte del vapor generado en el ciclo simple o al instalar una turbina de gas de mayor tamaño. Es una optimización del ciclo simple. El proceso de vapor es esencial para la eficiencia del mismo. La regulación de la planta se efectúa a través del quemador de postcombustión para demandas altas y de la válvula de "bypass" para demandas bajas.

Ciclo de Absorción

El proceso de refrigeración por absorción sigue principios similares a la refrigeración mecánica:

• Evaporación del refrigerante a baja temperatura, extrayendo energía del fluido a enfriar.
• Compresión de los vapores del refrigerante hasta la temperatura adecuada para su condensación.
• Condensación del refrigerante por enfriamiento a una temperatura superior a la del fluido a refrigerar.

En el caso de la absorción, la compresión se realiza con una bomba de recirculación del líquido refrigerante, reduciendo considerablemente la energía mecánica. Los vapores producidos en el evaporador son absorbidos por un líquido con gran afinidad de disolución del fluido (como agua y amoníaco). La disolución se bombea hasta la presión necesaria para la condensación y se introduce en una columna de destilación que separa el gas del líquido absorbente. El gas se condensa por medios convencionales, quedando listo para producir el efecto refrigerante.