Turbina de gas vs turbina de vapor
Les turbines són una classe de maquinària turbo utilitzada per convertir l'energia d'un fluid que flueix en energia mecànica mitjançant l'ús de mecanismes de rotor. Les turbines, en general, converteixen l'energia tèrmica o cinètica del fluid en treball. Les turbines de gas i les turbines de vapor són maquinària turbo tèrmica, on el treball es genera a partir del canvi d'entalpia del fluid de treball; és a dir, l'energia potencial del fluid en forma de pressió es converteix en energia mecànica.
En funció de la direcció del flux de fluid, les turbines es classifiquen en turbines de flux axial i turbines de flux radial. Tècnicament, una turbina és un expansor, que proporciona treball mecànic per la disminució de la pressió, que és el funcionament contrari del compressor. Aquest article se centra en el tipus de turbina de flux axial, que és més comú en moltes aplicacions d'enginyeria.
L'estructura bàsica d'una turbina de flux axial està dissenyada per permetre un flux continu de fluid mentre s'extreu l'energia. En les turbines tèrmiques, el fluid de treball, a una temperatura i una pressió elevades, es dirigeix a través d'una sèrie de rotors formats per pales angulades muntades sobre un disc giratori unit a l'eix. Entre cada disc del rotor es munten unes pales estacionàries, que actuen com a broquets i guies per al flux de fluid.
Més sobre la turbina de vapor
Tot i que el concepte d'utilitzar vapor per fer treballs mecànics es va utilitzar durant molt de temps, la moderna turbina de vapor va ser dissenyada per l'enginyer anglès Sir Charles Parsons el 1884.
La turbina de vapor utilitza vapor a pressió d'una caldera com a fluid de treball. El vapor sobreescalfat que entra a la turbina perd la seva pressió (entalpia) movent-se per les pales dels rotors, i els rotors mouen l'eix al qual estan connectats. Les turbines de vapor ofereixen potència a un ritme suau i constant, i l'eficiència tèrmica d'una turbina de vapor és superior a la d'un motor alternatiu. El funcionament de la turbina de vapor és òptim en estats de RPM més alts.
Estrictament, la turbina és només un component únic de l'operació cíclica utilitzada per a la generació d'energia, que es modela idealment pel cicle Rankine. Les calderes, els intercanviadors de calor, les bombes i els condensadors també són components del funcionament, però no són parts de la turbina.
A l'actualitat, l'ús principal de les turbines de vapor és per a la generació d'energia elèctrica, però a principis del segle XX les turbines de vapor s'utilitzaven com a central elèctrica per a vaixells i màquines de locomotores. Com a excepció, en alguns sistemes de propulsió marítima on els motors dièsel no són pràctics, com ara portaavions i submarins, les màquines de vapor encara s'utilitzen.
Més sobre la turbina de gas
El motor de turbina de gas o simplement una turbina de gas és un motor de combustió interna, que utilitza gasos com l'aire com a fluid de treball. L'aspecte termodinàmic del funcionament de la turbina de gas està idealment modelat pel cicle de Brayton.
El motor de turbina de gas, a diferència de la turbina de vapor, consta de diversos components clau; aquests són el compressor, la cambra de combustió i la turbina, que es munten al llarg d'un eix giratori, per realitzar diferents tasques d'un motor de combustió interna. L'entrada de gas de l'entrada es comprimeix primer mitjançant un compressor axial; que fa exactament el contrari d'una simple turbina. Aleshores, el gas a pressió es dirigeix a través d'una etapa difusora (un broquet divergent), en la qual el gas perd la seva velocitat, però augmenta encara més la temperatura i la pressió.
A la següent etapa, el gas entra a la cambra de combustió on es barreja un combustible amb el gas i s'encén. Com a resultat de la combustió, la temperatura i la pressió del gas s'eleven a un nivell increïblement alt. Aquest gas després passa a través de la secció de la turbina i, en passar-hi, produeix moviment de rotació a l'eix. Una turbina de gas de mida mitjana produeix velocitats de rotació de l'eix de fins a 10.000 rpm, mentre que les turbines més petites poden produir 5 vegades més.
Les turbines de gas es poden utilitzar per produir parell (per l'eix giratori), empenta (per l'escapament de gas d' alta velocitat) o ambdues combinacions. En el primer cas, com en la turbina de vapor, el treball mecànic lliurat per l'eix és només una transformació de l'entalpia (pressió) del gas a alta temperatura i pressió. Una part del treball de l'eix s'utilitza per conduir el compressor a través d'un mecanisme intern. Aquesta forma de turbina de gas s'utilitza principalment per a la generació d'energia elèctrica i com a centrals elèctriques per a vehicles com tancs i fins i tot cotxes. El tanc M1 Abrams dels EUA utilitza un motor de turbina de gas com a central elèctrica.
En el segon cas, el gas d' alta pressió es dirigeix a través d'un broquet convergent per augmentar la velocitat i l'empenta és generada pel gas d'escapament. Aquest tipus de turbina de gas s'anomena sovint motor a reacció o motor turborreactor, que alimenta els avions de caça militars. El turboventilador és una variant avançada de l'anterior, i la combinació d'empenta i generació de treball s'utilitza en motors turbohèlix, on el treball de l'eix s'utilitza per accionar una hèlix.
Hi ha moltes variants de les turbines de gas dissenyades per a tasques específiques. Són preferits per sobre d' altres motors (principalment motors alternatius) a causa de la seva alta relació potència/pes, menys vibració, altes velocitats de funcionament i fiabilitat. La calor residual es dissipa gairebé per complet com l'escapament. En la generació d'energia elèctrica, aquesta energia tèrmica residual s'utilitza per bullir aigua per fer funcionar una turbina de vapor. El procés es coneix com a generació d'energia de cicle combinat.
Quina diferència hi ha entre la turbina de vapor i la turbina de gas?
• La turbina de vapor utilitza vapor d' alta pressió com a fluid de treball, mentre que la turbina de gas utilitza aire o algun altre gas com a fluid de treball.
• La turbina de vapor és bàsicament un expansor que proporciona un parell com a sortida de treball, mentre que una turbina de gas és un dispositiu combinat de compressor, cambra de combustió i turbina que executa una operació cíclica per oferir treball com a parell o empenta.
• La turbina de vapor és només un component que executa un pas del cicle Rankine, mentre que el motor de la turbina de gas executa tot el cicle Brayton.
• Les turbines de gas poden oferir parell o empenta com a sortida de treball, mentre que les turbines de vapor gairebé tot el temps ofereixen parell com a sortida de treball.
• L'eficiència de les turbines de gas és molt superior a la de la turbina de vapor a causa de les temperatures de funcionament més elevades de les turbines de gas. (Turbines de gas ~1500 0C i turbines de vapor ~550 0C)
• L'espai necessari per a les turbines de gas és molt inferior al funcionament de la turbina de vapor, perquè la turbina de vapor requereix calderes i intercanviadors de calor, que s'han de connectar externament per afegir calor.
• Les turbines de gas són més versàtils, perquè es poden utilitzar molts combustibles i el fluid de treball, que s'ha d'alimentar contínuament, està disponible a tot arreu (aire). Les turbines de vapor, en canvi, requereixen grans quantitats d'aigua per al seu funcionament i solen causar problemes a temperatures més baixes a causa de la formació de gel.
