Motores de Combustión Externa: Turbinas y Máquinas de Vapor

Turbina de Vapor (Motor Rotativo de Combustión Externa)

El vapor pasa a través de unas toberas donde pierde presión y gana velocidad, de forma que el flujo se orienta tangencialmente sobre la turbina. Esta gira gracias a un conjunto de álabes (paletas) que absorben la energía de la corriente de vapor, produciendo la rotación del eje. En otras palabras, el vapor de agua actúa directamente sobre los álabes de la rueda, haciéndola girar muy rápido.

Estas máquinas tienen la ventaja de que carecen de cilindro y de órganos de transformación del movimiento; por ello, su rendimiento es mayor. Actualmente, se emplean en centrales eléctricas, propulsión de buques y diversas industrias. Su uso se está extendiendo.

Elementos de una Turbina de Gas

Los principales elementos de una turbina son:

• Compresor: Comprime, a través de diferentes etapas, el aire, transformando la energía cinética en energía de presión.
• Cámara de combustión: Es el lugar adonde llega el aire comprimido, al que se le inyecta combustible pulverizado mediante inyectores. El diseño de las cámaras impide que en la combustión se utilice todo el aire, para que una parte se caliente con los gases (o, mejor dicho, éstos se enfrían) y así ser lanzado contra los álabes de la turbina a través de las toberas, que transforman la energía de presión en cinética.
• Turbina: El “gas”, mezcla de aire con productos de la combustión, es lanzado con energía cinética contra los álabes del rotor y, en diferentes etapas, pierde su energía cinética para transformarse en mecánica, que es aprovechada para mover el propio compresor y, por ejemplo, un alternador que genera energía eléctrica.

Ciclo Termodinámico de la Turbina de Gas

El ciclo que sigue una turbina de gas es el ciclo Brayton o Joule.

1. 1 a 2 (Compresor): Entra aire en el compresor, donde aumenta su presión y temperatura.
2. 2 a 3 (Cámara de combustión): La presión se mantiene constante, pero el aire entra en contacto con el combustible que entra por los inyectores, elevándose la temperatura. En este paso se absorbe calor.
3. 3 a 4 (Turbina): Los gases se expanden, disminuyendo su temperatura y presión. En esa expansión se realiza trabajo en la turbina.
4. 4 a 1 (Atmósfera): Los gases ceden calor al ambiente, disminuyendo su temperatura.

Una forma de mejorar el rendimiento de una turbina es aprovechar parte de los gases de salida para calentar el aire que sale del compresor. Esta variante se denomina “ciclo regenerativo”.

Máquina de Vapor (Motor Alternativo de Combustión Externa)

Utilizan agua en sus estados líquido y gaseoso como fluidos de trabajo. En el hogar, exterior a la máquina, se realiza la combustión. El agua, que proviene de una bomba, entra en la caldera en estado líquido a alta presión. En la caldera, el agua absorbe calor y hierve, obteniendo vapor saturado que sigue calentándose en el sobrecalentador hasta los 600 ºC, pasando a los cilindros que transforman la energía térmica en mecánica.

Posteriormente, el vapor pasa al condensador, donde va bajando su temperatura y vuelve al estado líquido. Después, el vapor ya licuado va hasta la bomba, donde se eleva su presión antes de entrar de nuevo en la caldera. Si el circuito no es cerrado, el vapor pasa a la atmósfera y se suprime el condensador, con lo que se precisa un gran depósito de agua.