Turbină cu gaz vs Turbină cu abur
Turbinele sunt o clasă de mașini turbo utilizate pentru a converti energia dintr-un fluid care curge în energie mecanică prin utilizarea mecanismelor rotorului. Turbinele, în general, transformă fie energia termică, fie energia cinetică a fluidului în lucru. Turbinele cu gaz și turbinele cu abur sunt mașini turbo termice, unde munca este generată din modificarea entalpiei fluidului de lucru; adică energia potențială a fluidului sub formă de presiune este convertită în energie mecanică.
În funcție de direcția fluxului de fluid, turbinele sunt clasificate în turbine cu flux axial și turbine cu flux radial. Din punct de vedere tehnic, o turbină este un expandator, care furnizează un lucru mecanic prin scăderea presiunii, care este operarea opusă a compresorului. Acest articol se concentrează pe tipul de turbină cu flux axial, care este mai comun în multe aplicații de inginerie.
Structura de bază a unei turbine cu flux axial este concepută pentru a permite un flux continuu de fluid în timp ce extrage energie. În turbinele termice, fluidul de lucru, la o temperatură ridicată și o presiune, este direcționat printr-o serie de rotoare formate din palete unghiulare montate pe un disc rotativ atașat de arbore. Între fiecare disc de rotor sunt montate pale staționare, care acționează ca duze și ghidaje pentru fluxul de fluid.
Mai multe despre turbina cu abur
Chiar dacă conceptul de utilizare a aburului pentru a efectua lucrări mecanice a fost folosit mult timp, turbina modernă cu abur a fost proiectată de inginerul englez Sir Charles Parsons în 1884.
Turbina cu abur folosește ca fluid de lucru abur sub presiune dintr-un cazan. Aburul supraîncălzit care intră în turbină își pierde presiunea (entalpia) deplasându-se prin paletele rotoarelor, iar rotoarele mută arborele la care sunt conectate. Turbinele cu abur furnizează putere la o rată lină, constantă, iar eficiența termică a unei turbine cu abur este mai mare decât cea a unui motor cu piston. Funcționarea turbinei cu abur este optimă la stări de turație mai mare.
Strict, turbina este doar o singură componentă a funcționării ciclice utilizate pentru generarea de energie, care este modelată în mod ideal de ciclul Rankine. Cazanele, schimbătoarele de căldură, pompele și condensatoarele sunt, de asemenea, componente ale funcționării, dar nu sunt părți ale turbinei.
În zilele moderne, utilizarea principală a turbinelor cu abur este pentru generarea de energie electrică, dar la începutul secolului al XX-lea turbinele cu abur erau folosite ca centrală electrică pentru nave și locomotive. Ca o excepție, în unele sisteme de propulsie marină în care motoarele diesel sunt nepractice, cum ar fi portavioanele și submarinele, motoarele cu abur sunt încă utilizate.
Mai multe despre turbina cu gaz
Motor cu turbină cu gaz sau pur și simplu o turbină cu gaz este un motor cu ardere internă, care utilizează gaze precum aerul ca fluid de lucru. Aspectul termodinamic al funcționării turbinei cu gaz este modelat în mod ideal de ciclul Brayton.
Motorul cu turbină cu gaz, spre deosebire de turbina cu abur, este format din mai multe componente cheie; acestea sunt compresorul, camera de ardere și turbina, care sunt asamblate de-a lungul unui arbore rotativ, pentru a îndeplini diferite sarcini ale unui motor cu ardere internă. Admisia de gaz de la intrare este mai întâi comprimată folosind un compresor axial; care realizează exact opusul unei turbine simple. Gazul sub presiune este apoi direcționat printr-o treaptă de difuzor (o duză divergentă), în care gazul își pierde viteza, dar crește temperatura și presiunea în continuare.
În următoarea etapă, gazul intră în camera de ardere unde un combustibil este amestecat cu gazul și aprins. Ca urmare a arderii, temperatura și presiunea gazului cresc la un nivel incredibil de ridicat. Acest gaz trece apoi prin secțiunea turbinei și, atunci când trece, produce mișcare de rotație către arbore. O turbină cu gaz de dimensiune medie produce viteze de rotație a arborelui de până la 10.000 rpm, în timp ce turbinele mai mici pot produce de 5 ori mai mult.
Turbinele cu gaz pot fi folosite pentru a produce cuplu (prin arborele rotativ), tracțiune (prin evacuarea gazelor de mare viteză) sau ambele în combinație. În primul caz, ca și în turbina cu abur, lucrul mecanic furnizat de arbore este doar o transformare a entalpiei (presiunii) a gazului de temperatură și presiune ridicată. O parte din lucrul arborelui este utilizată pentru a antrena compresorul printr-un mecanism intern. Această formă de turbină cu gaz este utilizată în principal pentru generarea de energie electrică și ca centrale electrice pentru vehicule precum rezervoare și chiar mașini. Tancul american M1 Abrams folosește un motor cu turbină cu gaz ca centrală electrică.
În al doilea caz, gazul de în altă presiune este direcționat printr-o duză convergentă pentru a crește viteza, iar forța este generată de gazul de eșapament. Acest tip de turbină cu gaz este adesea numit motor cu reacție sau motor turboreactor, care alimentează aeronavele de luptă militare. Turboventilatorul este o variantă avansată a celor de mai sus, iar combinația dintre forța și generarea de lucru este utilizată la motoarele cu turbopropulsoare, unde lucrul cu arborele este folosit pentru a antrena o elice.
Există multe variante de turbine cu gaz concepute pentru sarcini specifice. Sunt preferate față de alte motoare (în principal motoare cu piston) datorită raportului lor mare putere/greutate, vibrații mai puține, viteze mari de funcționare și fiabilitate. Căldura reziduală este disipată aproape în întregime ca evacuare. În generarea de energie electrică, această energie termică reziduală este folosită pentru a fierbe apa pentru a rula o turbină cu abur. Procesul este cunoscut sub numele de generare de energie cu ciclu combinat.
Care este diferența dintre turbina cu abur și turbina cu gaz?
• Turbina cu abur folosește abur de în altă presiune ca fluid de lucru, în timp ce turbina cu gaz folosește aer sau alt gaz ca fluid de lucru.
• Turbina cu abur este practic un expandator care furnizează un cuplu ca rezultat de lucru, în timp ce o turbină cu gaz este un dispozitiv combinat de compresor, cameră de ardere și turbină care execută o operațiune ciclică pentru a furniza lucru fie ca cuplu, fie ca forță.
• Turbina cu abur este doar o componentă care execută o etapă a ciclului Rankine, în timp ce motorul cu turbină cu gaz execută întregul ciclu Brayton.
• Turbinele cu gaz pot furniza fie cuplu, fie tracțiune ca rezultat de lucru, în timp ce turbinele cu abur oferă aproape tot timpul cuplu ca rezultat de lucru.
• Eficiența turbinelor cu gaz este mult mai mare decât a turbinei cu abur datorită temperaturilor de funcționare mai ridicate ale turbinelor cu gaz. (Turbine cu gaz ~1500 0C și turbine cu abur ~550 0C)
• Spațiul necesar pentru turbinele cu gaz este mult mai mic decât funcționarea turbinei cu abur, deoarece turbina cu abur necesită cazane și schimbătoare de căldură, care ar trebui conectate extern pentru adăugarea de căldură.
• Turbinele cu gaz sunt mai versatile, deoarece pot fi utilizați mulți combustibili, iar fluidul de lucru, care trebuie alimentat continuu, este ușor disponibil peste tot (aer). Turbinele cu abur, pe de altă parte, necesită cantități mari de apă pentru funcționare și tind să provoace probleme la temperaturi mai scăzute din cauza înghețului.
