¡Cómo podemos hablar de rotores en turbomáquinas sin una introducción adecuada!

(Recibí algo de ayuda de los ingenieros no registrados y sin licencia de la familia para crear estas tarjetas inspiradas en Pokémon para mis héroes de la termodinámica. ¡Gracias Gingui!)

Hoy me siento muy tonto. Empezamos este viaje hablando de API 687 y turbomáquinas, y no me tomé el tiempo de presentar adecuadamente a los equipos de los que estábamos hablando.

¡Espero que todas las turbinas, expansores y compresores me perdonen por no ser un buen anfitrión!

Vamos a hacer un breve paréntesis del API RP 687, y antes de continuar hablando de reparaciones de equipos rotativos permítanme presentar adecuadamente los temas de nuestro estudio.

API RP 687 presenta recomendaciones para:

• Turbinas de vapor para usos especiales (API 612)

• Engranajes para usos especiales (API 613)

• Compresores axiales y centrífugos y compresores expansores (API 617)

• Compresores de desplazamiento positivo de tipo rotativo (API 619)

• Expansores de gas caliente utilizados en unidades de craqueo catalítico de fluidos (FCCU), recuperación de energía y servicio de ácido nítrico

Estos equipos se pueden separar inmediatamente en dos grupos:

• Máquinas que convierten la energía de un fluido en potencia mecánica, como las turbinas de vapor y los expansores de gas caliente.

  Como estas máquinas toman energía de un fluido y la convierten en energía mecánica, se utilizan para impulsar otras máquinas como compresores y generadores.

  
  

• Máquinas que convierten la energía mecánica de un rotor y aumentan la presión de un fluido, como los compresores de flujo axial, los compresores centrífugos y los compresores de desplazamiento positivo de tipo tornillo.

Hablemos primero de las máquinas que generan energía.

¡Necesitamos mover cosas!

El mundo en el que vivimos hoy requiere que las cosas se muevan y realicen trabajo para nosotros.

Antes de utilizar vapor para mover máquinas o crear electricidad, teníamos fuentes limitadas de energía mecánica.

Podríamos intentar mover cosas con las manos; por ejemplo, si miran la clásica película original Ben-Hur, podrán ver cómo utilizabamos hombres para remar en los barcos.

O podríamos utilizar animales para tirar de carros o utilizar un molino tirado por caballos o burros para mover una gran piedra de molino.

Estas dos primeras fuentes de movimiento utilizan a los humanos o animales como motores que convierten alimentos en energía mecánica.

Luego nos volvimos inteligentes y aprovechamos la energía del viento o del agua, mediante molinos de viento y ruedas hidráulicas.

Estas dos máquinas convierten la energía disponible gratuitamente en la naturaleza, lo cual es muy bueno para el medio ambiente, pero ¿qué sucede cuando el viento no sopla o los ríos se congelan o no tienen suficiente caudal? ¿Y qué hacen las personas que no viven en lugares ventosos o que viven lejos de los ríos?

Necesitamos una manera de fabricar máquinas que se puedan usar en cualquier lugar, en cualquier momento. ¡Y ahí es donde recurrimos al agua!

¡Resulta que el agua, particularmente el vapor, es un medio excelente para la conversión de energía!

Se necesita mucho calor para convertir el agua líquida en vapor. Esto también significa que cuando el agua se vaporiza, almacena grandes cantidades de energía.

¡Esta energía puede liberarse cuando el vapor se expande! Esta propiedad casi mágica del agua se llama “calor latente de vaporización”.

El calor latente de vaporización es la cantidad de energía que absorbe un líquido cuando se convierte en gas. Resulta que el agua tiene el calor latente más alto que cualquier otro líquido. Esto significa que hay mucha energía almacenada en el vapor.

Luego, ese vapor se expande a través de una turbina de vapor y, a medida que el vapor viaja a través de la turbina, la energía se transfiere del vapor al rotor de la turbina.

Se podría decir mucho más sobre cómo se produce exactamente esta transferencia de energía, pero prometo hacerlo en otro momento. Ahora quiero volver a nuestra historia.

Hoy en día, utilizamos turbinas de vapor en diversas industrias. Las utilizamos para generar electricidad y las utilizamos en complejos petroquímicos para impulsar compresores.

Uno podría preguntarse, ¿por qué no utilizar motores eléctricos? La respuesta es que para el tipo de trabajo que se requiere en una planta petroquímica, el uso de vapor es versátil y puede resultar más rentable que el uso de electricidad para motores eléctricos.

Aún nos falta mucho para encontrar formas de producir electricidad con efectos verdaderamente neutros en emisiones de carbono. Por ahora, en aplicaciones industriales a gran escala que requieren mucha energía, las turbinas de vapor son mejores que los motores.

Ahora casi cerramos el círculo: el hecho de que las turbinas de vapor se utilicen en aplicaciones petroquímicas es la razón por la que existen API 611, API 612 y API RP 687.

API 611 es el documento que describe los requisitos de diseño y fabricación para turbinas de vapor de uso general.

API 612 es el documento que describe los requisitos para turbinas de vapor para propósitos especiales.

Ahora bien, ¿cómo podemos saber si una turbina de vapor es de propósito general o de propósito especial?

Esta tabla resume las dos categorías de turbinas de vapor por API.

Independientemente del propósito, todas las turbinas de vapor utilizan vapor.

Hablemos un poco sobre cómo se produce y se utiliza el vapor en una turbina.

De la descripción del equipo anterior, entendemos que las turbinas de vapor requieren vapor a alta temperatura y presión.

Otro dato interesante es que en una central eléctrica o planta industrial, el vapor se utiliza en ciclo cerrado, es decir, el agua utilizada, en teoría, no debería perderse ni consumirse.

El ciclo comienza con agua, se presuriza y luego se convierte en vapor. El vapor pasará por la turbina convirtiendo/transfiriendo energía al rotor y luego se condensará nuevamente en agua para que pueda comenzar el ciclo nuevamente.

A esto lo llamamos ciclo de vapor y lo hicieron famoso varios hombres con barba, uno de ellos de apellido Rankine. En los libros de texto de ingeniería y termodinámica modernos, el ciclo de vapor se llama ciclo Rankine.

Los tres amigos de la termodinámica

Un escocés, un inglés y un alemán entran en 100.000 pascales... ¿entienden?

¡100.000 pascales! ¡Un bar!

Hay un conjunto de reglas o leyes que hemos creado para describir cómo funcionan los sistemas termodinámicos.

Un sistema termodinámico es una manera en que los científicos e ingenieros estudian cómo las cosas interactúan con su entorno en términos de transferencia o intercambio de calor y energía.

Al igual que hemos descubierto otras leyes o reglas en la naturaleza, como el F=ma de Sir Isaac Newton, o el V=IR de Ohm, el o E=mc2 de Einstein, tenemos reglas útiles para la termodinámica.

Conozcamos a estos tres amigos:

El escocés

William John Macquorn Rankine

Además de tener una barba envidiable, Rankine fue un matemático, físico e ingeniero escocés.

Junto con otros dos amigos que pronto conocerán, desarrolló la teoría de la máquina de vapor.

Este hombre estaba tan involucrado en la termodinámica que también creó una escala que define la temperatura de cero absoluto, que es la temperatura más baja posible que se puede alcanzar en la escala termodinámica. Básicamente, tan fría que los átomos casi dejan de moverse.

Rankine murió a los 52 años de edad.

El inglés

Lord Kelvin nació originalmente como William Thomson.

Era una auténtica estrella de rock de la ciencia, tanto que lo nombraron caballero y le dieron el título de “Barón Kelvin de Largs”. Al parecer, no le gustaba su título y lo más probable es que dijera: “Mis amigos me llaman Lord… Lord Kelvin”.

Kelvin también jugó mucho con las temperaturas, al igual que Rankine, y creó otra famosa escala de temperatura que define una temperatura de cero absoluto.

El alemán

Rudolf Clausius, otro destacado hombre barbudo.

Contribuyó formulando la 1ª y 2ª Ley de la Termodinámica.

Así que, aunque era ingeniero, técnicamente podríamos decir que era el abogado o primer juez de la termodinámica. También es el padre de la entropía.

Me parece que tal vez fue el mas callado o tranquilo del grupo, pero sin duda hizo contribuciones inconmensurables.

Les debemos mucho a estos hombres y a sus magníficas barbas.

Lord Kelvin, señor Rankine, señor Clausius, ¡les agradecemos y los honoramos!

Juntos sentaron las bases de cómo se utiliza el vapor en las turbinas de vapor, que es lo que aprenderemos en mi próxima publicación.