Turboexpansores

Turboexpansores.

El turboexpansor es una turbo máquinas térmica que en forma continua expande gas desde una presión alta a un valor más bajo mientras se produce trabajo. Gracias a ello como efectos principales se obtiene un significativo enfriamiento del fluido y por otro la producción de potencia en un eje.

En general la palabra turboexpansor o simplemente expansor es utilizada para referir al sistema completo formado por la turbina en si donde se produce la expansión propiamente dicha del fluido y el compresor asociado sobre el mismo eje que es la carga, utilizado para comprimir algún fluido del proceso.

Cuando la potencia a extraer no es significativa suele usarse directamente un freno hidráulico como carga, en ese caso la energía se disipa en aeroenfriadores perdiéndose al medio.

Hay distintos tipos de expansores pero los que más se usan son los radiales de reacción, turbina centrípeta que ha permitido cubrir una extensa gama de aplicaciones vedadas hasta ese entonces en otro tipo de turbinas, en particular en el caso de la criogenia.

Fundamentos de criogenia.

Este régimen comprende las temperaturas por debajo de -100 °F, están temperaturas se obtienen por la evaporación rápida de los líquidos más volátiles o por la expansión de gases confinados a presiones de 350 a 200 atmosferas, este tipo de expansiones pueden darse a través de una región de menor presión.

Hay muchos procesos que han desarrollado y de tal manera han servido para licuar gases. Los procesos de refrigeración están constituidos de manera muy parecida, aunque difieren en los procesos de licuefacción en que estos son cíclicos y el fluido de trabajo en la mayoría de veces permanece a una temperatura mucho más baja que su temperatura critica.

Todos estos sistemas están compuestos por compresores, intercambiadores y expansores, sin embargo hay 2 métodos básicos para producir frio ambos son procesos que manejan gases y hacen uso de que el calor del compresor transfiera al ambiente y el gas es enfriado y expandido.

Proceso de refrigeración.

El proceso más directo para la recuperación de líquidos, es la refrigeración ya sea externa o mecánica ya que es proporcionada por un ciclo de expansión –compresión de vapor en donde generalmente es usado el propano de manera de refrigerante.

Tenemos la refrigeración mecánica o externa, también llamada como ciclo de propano.

 Expansión JOULE- THOMPSON:

En esta expansión el gas pasa primero por un intercambiador de valor para recibir un pre- enfriamiento y posteriormente a través de una válvula de expansión o también como un estrangulador. De esta forma la expansión resulta un proceso isoentálpico que resulta la caída de presión la cual genera una disminución de temperatura provocando una separación de los líquidos condensables. Este tipo de procesos requiere que el gas sea comprimido para así alcanzar su presión necesaria para su transporte.

Expansor-Compresor.

Conjunto Expansor-compresor con equipos, instrumentos, accesorios, sistemas auxiliares, de lubricación, de control y operación, y todo componente o dispositivo requerido como paquete integrado e interconectado para su operación en condiciones que se especifican.

 Expansor: es un procesador de dinámica del audio. Hace el proceso inverso de un compresor, ya que aumenta el rango dinámico de la señal de audio. Tiene varios parámetros a controlar, uno es el umbral o threshold que es el que determina el nivel en el cual comienza a actuar el expansor, otro es el tiempo de ataque que es el tiempo que se demora en comenzar a actuar el expansor desde que la señal pasa por debajo del umbral, el tiempo de relajación o de decaimiento que es el tiempo que tarda en dejar de actuar cuando la señal vuelve a estar por encima del umbral, el ratio que es la relación de atenuación o expansión que es el que dice cuánto va a ser expandida la señal después de que pase del umbral.

 Compresor: es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

Evaluación Termodinámica sobre los Turbo Expansores.

Todos los procesos reales de gases, sean estos ideales o no, son irreversibles hasta cierto punto. Sin embargo, es necesario suponer la reversibilidad para poder ilustrar un proceso de expansión en un diagrama termodinámico. En la figura 4 se ilustra un ejemplo típico de expansión, tanto en forma de diagrama de presión y temperatura como expresado como un diagrama de temperatura y entropía. En estos diagramas, se puede suponer que el gas se encuentra en un estado definido por el punto 1, con una presión P1,un volumen especifico V1, una temperatura T1, una entalpia H1, y una isentropica S1, todo ello corresponde al estado 1. El punto 2 representa el punto final o terminal en una expansión isentropica, y la trayectoria de 1 a 2 representa la sucesión de etapas por la cual el gas pasara a dilatarse, sin que se registre una transmisión de calor en una maquina reversible. Una expansión irreversible real a partir del punto 1 concluirá en algún punto, como por ejemplo 2, que tiene la misma presión que prevalece en2; pero con temperatura, entalpia y entropía altas. Si la expansión a partir del punto 1 se extendiera hasta una presión inferior a P2, terminando en el punto 3, habría entrado en la región bifásica bajo la curva de saturación, dando como resultado una condensación parcial del gas. Si el gas es dilatante fuera una mezcla en lugar de un componente puro, también se registraría un cambio de composición como resultado de la condensación.

La relación de calor, trabajo y energía para un expansor se expresa, utilizando la primera ley termodinámica como sigue:

*H2 *- H*1*= Q – W

En donde:

H2: entalpia del fluido que entra al expansor

H1: entalpia del fluido que sale del expansor

Q: calor transferido al fluido

W: trabajo realizado por

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