¿Cómo funciona un expansor Turbo?

Escrito por richard rowe | Traducido por juan ignacio ceviño
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¿Cómo funciona un expansor Turbo?
Los turbos utilizan expansores para aprovechar el potencial de un escape de energía. (turbo image by Elijahu from Fotolia.com)

Los expansores turbo son uno de los componentes menos conocidos pero más importantes en la manipulación de gas y sistemas de presurización. Los expansores turbo trabajan con una de las más simples leyes naturales para convertir líquido (o gas) a presión en movimiento mecánico. Estos dispositivos se pueden encontrar en muchas aplicaciones tales como turbocompresores, motores de aviones, centrales eléctricas, refrigeradores comerciales y son por lo menos una forma interesante de regeneración de energía.

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Conservación de la energía

También conocida como la "Primera Ley de la Termodinámica", esta ley establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Por ejemplo, cuando un motor quema combustible para mover tu coche, es esencialmente sólo la conversión de la energía almacenada en forma de un líquido (gasolina) en energía cinética (movimiento). Un turbo expansor funciona mediante el aprovechamiento de la presión y el calor del gas a presión para hacer girar un eje.

Partes y función

Un expansor turbo básico tiene dos partes: una carcasa exterior, que contiene el gas, y una turbina de expansión, que "captura" el gas a medida que pasa por ella. El gas ejerce presión sobre la turbina de expansión, causando que gire. Después de empujar en la turbina de expansión, el gas sale a través de un agujero en la carcasa. Debido a que ha gastado una cierta cantidad de su energía almacenada para girar el eje, el gas que sale del expansor turbo sale a una temperatura mucho menor de la que entró.

Forma de la turbina de expansión

Si alguna vez has visto el molinillo de un niño, entonces estás algo familiarizado con la forma en que una turbina de expansión trabaja. La forma de las aletas de la turbina de expansión captura el gas a presión que viene de al lado. Si estas aletas fueran completamente verticales (como una rueda de paletas), la mayor parte de la presión pasaría por encima de la parte superior. Para aumentar el flujo, los ingenieros "tuercen" la unidad entera en forma helicoidal. Esto permite que los gases pasen a través de ella rápidamente mientras que gastan la mayor fuerza posible en la turbina de expansión.

Aplicaciones de accionamiento del compresor

Los turbo expansores forman exactamente la mitad del cuerpo de un turbocompresor y una gran parte de cualquier motor a reacción. A pesar de que no podrían ejercer mucho torque (fuerza) por revolución, el gas presurizado puede ejercer un poder significativo una vez que la turbina de expansión levanta velocidad. En cuanto al accionamiento, la turbina de expansión del compresor se conecta a un compresor centrífugo (que funciona como expansor turbo, pero al revés) a través de un eje. El eje gira la rueda del compresor, que empuja el aire en la cámara de combustión del motor.

Enfriamiento

El gas que sale del expansor es más frío y tiene menos presión de la que tenía cuando ingresó. El descenso en la temperatura hace que los turbo expansores sean útiles en aplicaciones de refrigeración. El gas a presión entra a una cierta temperatura, sale frío y transfiere su frialdad recién descubierta hacia el aire con un intercambiador de calor (radiador).

Regeneración de energía

Cuando el gas natural sale de la planta de procesamiento, tiene que hacerlo a una enorme presión para recorrer los cientos o miles de kilómetros donde se va a utilizar. Antes de que llegue al usuario final, el gas debe pasar a través de una serie de válvulas y limitadores para reducir la presión, por lo que no llega a altas presiones al punto de uso, lo cual podría provocar un accidente. Estos requisitos de caída de presión presentan una oportunidad para recobrar energía con turbo expansores; el expansor turbo impulsa un generador eléctrico que devuelve energía a la red eléctrica.

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