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 di rotore. Le turbine, in generale, convertono in lavoro l'energia termica o cinetica del fluido. Le turbine a gas e le turbine a vapore sono macchine turbo termiche, dove il lavoro è generato dalla variazione di entalpia del fluido di lavoro; cioè l'energia potenziale del fluido sotto forma di pressione viene convertita in energia meccanica.
In base alla 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 fornisce il lavoro meccanico in uscita dalla diminuzione della pressione, che è il funzionamento opposto del compressore. Questo articolo si concentra sul tipo di turbina a flusso assiale, che è più comune in molte applicazioni ingegneristiche.
La struttura di base di una turbina a flusso assiale è progettata per consentire un flusso continuo di fluido mentre si estrae energia. Nelle turbine termiche, il fluido di lavoro, ad alta temperatura e pressione, viene convogliato attraverso una serie di rotori costituiti da pale angolate montate su un disco rotante fissato all'albero. Tra ogni disco rotore sono montate lame fisse, che fungono da ugelli e guidano il flusso del fluido.
Ulteriori informazioni sulla turbina a vapore
Anche se il concetto di utilizzare il vapore per eseguire lavori meccanici è stato utilizzato per molto tempo, la moderna turbina a vapore è stata progettata dall'ingegnere inglese Sir Charles Parsons nel 1884.
La turbina a vapore utilizza il vapore pressurizzato di una caldaia come fluido di lavoro. Il vapore surriscaldato che entra nella turbina perde la sua pressione (entalpia) muovendosi attraverso le pale dei rotori, ei rotori muovono 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 regimi più elevati.
Rigorosamente, la turbina è solo un singolo componente del funzionamento ciclico utilizzato per la generazione di energia, che è idealmente modellato dal ciclo di Rankine. Anche le caldaie, gli scambiatori di calore, le pompe e i condensatori sono componenti del funzionamento ma non fanno parte della turbina.
Nei giorni moderni, l'uso principale delle turbine a vapore è per la produzione di energia elettrica, ma all'inizio del 20° secolo le turbine a vapore erano usate come centrali elettriche per navi e motori di locomotive. In via eccezionale, in alcuni sistemi di propulsione marina in cui i motori diesel sono poco pratici, come portaerei e sottomarini, vengono ancora utilizzati i motori a vapore.
Ulteriori informazioni sulla turbina a gas
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; questi sono il compressore, la camera di combustione e la turbina, che sono assemblati lungo un albero rotante, per svolgere diversi compiti di un motore a combustione interna. L'aspirazione del gas dall'ingresso viene prima compressa mediante un compressore assiale; che esegue l'esatto opposto di una semplice turbina. Il gas pressurizzato viene quindi diretto attraverso uno stadio diffusore (un ugello divergente), in cui il gas perde velocità, ma aumenta ulteriormente la temperatura e la pressione.
Nella fase successiva, il gas entra nella camera di combustione dove un combustibile viene miscelato con il gas e acceso. Come risultato della combustione, la temperatura e la pressione del gas salgono a un livello incredibilmente alto. Questo gas passa quindi attraverso la sezione della turbina e quando passa attraverso produce movimento rotatorio all'albero. Una turbina a gas di dimensioni medie produce velocità di rotazione dell'albero fino a 10.000 giri/min, mentre turbine più piccole possono produrre 5 volte tanto.
Le turbine a gas possono essere utilizzate per produrre coppia (mediante l'albero rotante), spinta (mediante scarico del gas ad alta velocità) o entrambe in combinazione. Nel primo caso, come nella turbina a vapore, il lavoro meccanico erogato dall'albero è semplicemente una trasformazione dell'entalpia (pressione) del gas ad alta temperatura e pressione. Parte del lavoro dell'albero viene utilizzato per azionare il compressore attraverso un meccanismo interno. Questa forma di turbina a gas viene utilizzata principalmente per la produzione di energia elettrica e come centrali elettriche per veicoli come carri armati e persino automobili. Il carro armato statunitense 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 a reazione o motore a turbogetto, che alimenta gli aerei da combattimento militari. Il turbofan è una variante avanzata di quanto sopra e la combinazione di spinta e generazione di lavoro viene utilizzata nei motori turboelica, dove il lavoro sull'albero viene 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) per il loro elevato rapporto peso/potenza, vibrazioni ridotte, velocità di funzionamento elevate e affidabilità. Il calore di scarto viene dissipato quasi interamente come 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 turbina a vapore e turbina a gas?
• La turbina a vapore utilizza vapore ad alta pressione come fluido di lavoro, mentre la turbina a gas utilizza aria o altro gas come fluido di lavoro.
• La turbina a vapore è fondamentalmente un espansore che fornisce 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 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 Brayton.
• Le turbine a gas possono fornire coppia o spinta come output di lavoro, mentre le turbine a vapore forniscono quasi sempre coppia come output di lavoro.
• L'efficienza delle turbine a gas è molto superiore a quella 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 rispetto al funzionamento della turbina a vapore, perché la turbina a vapore richiede caldaie e scambiatori di calore, che dovrebbero essere collegati esternamente per l'aggiunta di calore.
• Le turbine a gas sono più versatili, perché possono essere utilizzati molti combustibili e il fluido di lavoro, che deve essere alimentato continuamente, è facilmente disponibile ovunque (aria). Le turbine a vapore, invece, richiedono grandi quantità di acqua per il funzionamento e tendono a causare problemi alle basse temperature a causa della formazione di ghiaccio.
