Generación mediante turbinas de vapor

En la figura se muestra la expansión del vapor en la turbina, en un diagrama entalpía-entropía. En una turbina ideal, con una presión inicial $P_1$ y una entalpía inicial $H_1$, el vapor se expande de manera isentrópica hasta una presión $P_2$ y una entalpía $H_2$. En estas circunstancias, el trabajo ideal producido en el eje es $H_1-H_2$. Debido a que no es posible lograr una expansión ideal (por efecto del rozamiento, etc.), la entalpía a la salida de la turbina es mayor que la ideal ( $H_2^\prime$ en la figura ). Por tanto el trabajo producido, $H_1-H_2^\prime$ es también menor.

Figura: Expansión en una turbina de vapor

El rendimiento iséntropico de la turbina, $\eta_t$ mide la proporción entre el trabajo real y el ideal:

$$\eta_t = \frac{H_1-H_2^\prime}{H_1-H_2}$$ (2.2)

El vapor a la salida de la turbina puede estar sobrecalentado o parcialmente condensado (como es el caso de la figura ). Si la turbina está integrada con el propósito de proporcionar calor al proceso, el vapor a la salida debería estar próximo a las condiciones de saturación. Si el vapor estuviera muy sobrecalentado, puede ser enfriado inyectando agua próxima a las condiciones de ebullición, que al vaporizarse enfría el vapor sobrecalentado. Por el contrario, si el vapor está parcialmente condensado, entonces hay que separar el agua condensada antes de emplear el vapor para calentar el proceso. En cualquier caso, siempre es conveniente que el vapor esté ligeramente sobrecalentado para que no se produzca la condensación del mismo debido a las pérdidas de calor.

Figura: Integración de una turbina de vapor con el proceso

En la figura se muestra una turbina de vapor integrada con el proceso. Vapor de alta presión aporta el calor $Q_{HP}$ al proceso. El calor $Q_{LP}$ lo aporta el vapor que abandona la turbina. El vapor se genera con el calor $Q_$FUEL aportado por el combustible. El balance de energía global es:

$$Q_ = Q_{HP} + Q_{LP} + W + Q_$$ (2.3)

El proceso requiere $Q_{HP}+Q_{LP}$, para satisfacer las necesidades de calefacción de las corrientes. Si no hubiera pérdidas en el horno, entonces se lograría la conversión de calor en trabajo con un rendimiento del 100%. Sin embargo, debido a las pérdidas por la chimenea, $Q_$LOSS, el rendimiento real es menor. Además, habría que tener en cuenta las pérdidas de calor en todo el circuito de vapor.

En la figura b se muestra como se puede emplear la curva grand compuesta para predimensionar el circuito de vapor^2.9.