Differenza tra turbina a gas e turbina a vapore

Turbina a gas vs Turbina a vapore

Le turbine sono una classe di macchine turbo utilizzate per convertire l'energia in un fluido che scorre in energia meccanica mediante l'uso di meccanismi del rotore. Le turbine, in generale, convertono l'energia termica o cinetica del fluido in lavoro. Le turbine a gas e le turbine a vapore sono macchine a turbo termico, in cui il lavoro viene generato dal cambiamento di entalpia del fluido di lavoro; cioè l'energia potenziale del fluido sotto forma di pressione viene convertita in energia meccanica.

Sulla base della direzione del flusso del fluido, le turbine sono classificate in turbine a flusso assiale e turbine a flusso radiale. Tecnicamente una turbina è un espansore, che eroga il lavoro meccanico in uscita dalla diminuzione della pressione, che è l'operazione opposta del compressore. Questo articolo si concentra sul tipo di turbina a flusso assiale, che è più comune in molte applicazioni di ingegneria.

La struttura di base di una turbina a flusso assiale è progettata per consentire un flusso continuo di fluido durante l'estrazione dell'energia. Nelle turbine termiche, il fluido di lavoro, ad alta temperatura e pressione, viene diretto attraverso una serie di rotori costituiti da pale inclinate montate su un disco rotante fissato all'albero. Tra ciascun disco del rotore sono montate pale fisse, che fungono da ugelli e guide per il flusso del fluido.

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Anche se il concetto di usare il vapore per eseguire lavori meccanici fu usato per molto tempo, la moderna turbina a vapore fu progettata dall'ingegnere inglese Sir Charles Parsons nel 1884.

La turbina a vapore utilizza il vapore pressurizzato da una caldaia come fluido di lavoro. Il vapore surriscaldato che entra nella turbina perde la sua pressione (entalpia) che si muove attraverso le pale dei rotori, ei rotori spostano l'albero a cui sono collegati. Le turbine a vapore forniscono potenza a una velocità regolare e costante e l'efficienza termica di una turbina a vapore è superiore a quella di un motore alternativo. Il funzionamento della turbina a vapore è ottimale a stati RPM più alti.

Rigorosamente, la turbina è solo un singolo componente dell'operazione ciclica utilizzata per la produzione di energia, che è idealmente modellata dal ciclo Rankine. Anche le caldaie, gli scambiatori di calore, le pompe e i condensatori sono componenti dell'operazione, ma non sono parti della turbina.

Nei giorni moderni, l'uso principale delle turbine a vapore è per la generazione di energia elettrica, ma all'inizio del 20 ° secolo le turbine a vapore sono state utilizzate come centrali per le navi e per i motori di locomotive. Come eccezione, in alcuni sistemi di propulsione marina in cui i motori diesel sono poco pratici, come le portaerei e i sottomarini, i motori a vapore sono ancora utilizzati.

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Il motore a turbina a gas o semplicemente una turbina a gas è un motore a combustione interna, che utilizza gas come l'aria come fluido di lavoro. L'aspetto termodinamico del funzionamento della turbina a gas è idealmente modellato dal ciclo di Brayton.

Il motore a turbina a gas, a differenza della turbina a vapore, è costituito da diversi componenti chiave; quelli sono il compressore, la camera di combustione e la turbina, che sono assemblati lungo un albero rotante, per eseguire diversi compiti di un motore a combustione interna. L'aspirazione del gas dall'ingresso viene prima compressa utilizzando un compressore assiale; che esegue esattamente l'opposto di una semplice turbina. Il gas pressurizzato viene quindi diretto attraverso uno stadio diffusore (un ugello divergente), in cui il gas perde la sua velocità, ma aumenta la temperatura e la pressione ulteriormente.

Nella fase successiva, il gas entra nella camera di combustione in cui un combustibile viene miscelato con il gas e acceso. Come risultato della combustione, la temperatura e la pressione del gas salgono ad un livello incredibilmente alto. Questo gas passa quindi attraverso la sezione della turbina e quando passa attraverso produce movimento rotatorio sull'albero. Una turbina a gas di dimensioni medie produce velocità di rotazione dell'albero pari a 10.000 RPM, mentre le turbine più piccole possono produrre 5 volte di più.

Le turbine a gas possono essere utilizzate per produrre coppia (tramite l'albero rotante), spinta (per scarico gas ad alta velocità) o entrambe in combinazione. Nel primo caso, come nella turbina a vapore, il lavoro meccanico fornito dall'albero è semplicemente una trasformazione dell'entalpia (pressione) del gas ad alta temperatura e pressione. Una parte del lavoro dell'albero viene utilizzata per guidare il compressore attraverso un meccanismo interno. Questa forma della turbina a gas è utilizzata principalmente per la generazione di energia elettrica e come centrali elettriche per veicoli come carri armati e persino auto. Il serbatoio US M1 Abrams utilizza un motore a turbina a gas come centrale elettrica.

Nel secondo caso, il gas ad alta pressione viene diretto attraverso un ugello convergente per aumentare la velocità e la spinta viene generata dal gas di scarico. Questo tipo di turbina a gas è spesso chiamato motore Jet o motore a turbogetto, che alimenta l'aereo da caccia militare. Il turbofan è una variante avanzata di cui sopra, e la combinazione di spinta e generazione di lavoro è utilizzata nei motori a turboelica, dove il lavoro dell'albero è utilizzato per azionare un'elica.

Esistono molte varianti delle turbine a gas progettate per compiti specifici. Sono preferiti rispetto ad altri motori (principalmente motori alternativi) a causa del loro elevato rapporto potenza / peso, meno vibrazioni, alte velocità di funzionamento e affidabilità. Il calore residuo è dissipato quasi interamente come lo scarico. Nella produzione di energia elettrica, questa energia termica di scarto viene utilizzata per far bollire l'acqua per far funzionare una turbina a vapore. Il processo è noto come generazione di energia a ciclo combinato.

Qual è la differenza tra Steam Turbine e Gas Turbine?

• La turbina a vapore utilizza il vapore ad alta pressione come fluido di lavoro, mentre la turbina a gas utilizza l'aria o altri gas come fluido di lavoro.

• La turbina a vapore è fondamentalmente un expander che eroga una coppia come uscita di lavoro, mentre una turbina a gas è un dispositivo combinato di compressore, camera di combustione e turbina che esegue un'operazione ciclica per fornire il lavoro come coppia o spinta.

• La turbina a vapore è solo un componente che esegue una fase del ciclo Rankine, mentre il motore a turbina a gas esegue l'intero ciclo di Brayton.

• Le turbine a gas sono in grado di erogare coppia o spinta come potenza di lavoro, mentre le turbine a vapore producono quasi sempre coppia come potenza di lavoro.

• L'efficienza delle turbine a gas è molto più elevata della turbina a vapore a causa delle temperature di esercizio più elevate delle turbine a gas. (Turbine a gas ~ 1500 0C e turbine a vapore ~ ​​550 0C)

• Lo spazio richiesto per le turbine a gas è molto inferiore a quello della turbina a vapore, poiché la turbina a vapore richiede caldaie e scambiatori di calore, che devono essere collegati esternamente per l'aggiunta di calore.

• Le turbine a gas sono più versatili, perché molti carburanti possono essere utilizzati e il fluido di lavoro, che deve essere alimentato continuamente, è facilmente disponibile ovunque (aria). Le turbine a vapore, d'altra parte, richiedono grandi quantità di acqua per il funzionamento e tendono a causare problemi a temperature più basse a causa della formazione di ghiaccio.