Diferença entre turbina a gás e turbina a vapor

Turbina a Gás vs Turbina a Vapor

As turbinas são uma classe de máquinas turbo usadas para converter a energia de um fluido que flui em energia mecânica pelo uso de mecanismos de rotor. As turbinas, em geral, convertem energia térmica ou cinética do fluido em trabalho. Turbinas a gás e turbinas a vapor são máquinas de turbo térmico, onde o trabalho é gerado a partir da mudança de entalpia do fluido de trabalho; ou seja, a energia potencial do fluido na forma de pressão é convertida em energia mecânica.

Com base na direção do fluxo de fluido, as turbinas são categorizadas em turbinas de fluxo axial e turbinas de fluxo radial. Tecnicamente, uma turbina é um expansor, que fornece saída de trabalho mecânico pela diminuição da pressão, que é a operação oposta do compressor. Este artigo enfoca o tipo de turbina de fluxo axial, que é mais comum em muitas aplicações de engenharia.

A estrutura básica de uma turbina de fluxo axial é projetada para permitir um fluxo contínuo de fluido enquanto extrai a energia. Nas turbinas térmicas, o fluido de trabalho, a alta temperatura e pressão, é direcionado através de uma série de rotores que consistem em lâminas angulares montadas em um disco rotativo acoplado ao eixo. Entre os discos de cada rotor, são montadas lâminas estacionárias, que atuam como bicos e guias para o fluxo de fluido.

Mais sobre turbinas a vapor

Embora o conceito de usar vapor para realizar trabalhos mecânicos tenha sido usado por um longo tempo, a moderna turbina a vapor foi projetada pelo engenheiro inglês Sir Charles Parsons em 1884.

A turbina a vapor utiliza vapor pressurizado de uma caldeira como fluido de trabalho. O vapor superaquecido que entra na turbina perde sua pressão (entalpia) se movendo pelas pás dos rotores e os rotores movem o eixo ao qual estão conectados. As turbinas a vapor fornecem energia a uma taxa constante e suave, e a eficiência térmica de uma turbina a vapor é maior que a de um motor alternativo. A operação da turbina a vapor é ideal em estados de RPM mais altos.

Estritamente, a turbina é apenas um componente da operação cíclica usada para geração de energia, idealmente modelada pelo ciclo Rankine. As caldeiras, trocadores de calor, bombas e condensadores também são componentes da operação, mas não fazem parte da turbina.

Nos dias modernos, o uso primário das turbinas a vapor é para a geração de energia elétrica, mas no início do século XX as turbinas a vapor eram usadas como usina para navios e motores de locomotivas. Como exceção, em alguns sistemas de propulsão marítima nos quais os motores a diesel são impraticáveis, como porta-aviões e submarinos, os motores a vapor ainda são usados.

Mais sobre turbina a gás

O motor de turbina a gás ou simplesmente uma turbina a gás é um motor de combustão interna, usando gases como o ar como fluido de trabalho. O aspecto termodinâmico da operação da turbina a gás é idealmente modelado pelo ciclo de Brayton.

O motor de turbina a gás, diferentemente da turbina a vapor, consiste em vários componentes principais; esses são o compressor, a câmara de combustão e a turbina, montados ao longo de um eixo rotativo, para executar tarefas diferentes de um motor de combustão interna. A entrada de gás da entrada é compactada primeiro usando um compressor axial; que executa exatamente o oposto de uma turbina simples. O gás pressurizado é então direcionado através de um estágio difusor (um bico divergente), no qual o gás perde sua velocidade, mas aumenta ainda mais a temperatura e a pressão..

Na próxima etapa, o gás entra na câmara de combustão, onde um combustível é misturado com o gás e inflamado. Como resultado da combustão, a temperatura e a pressão do gás aumentam para um nível incrivelmente alto. Esse gás passa pela seção da turbina e, ao passar, produz movimento de rotação para o eixo. Uma turbina a gás de tamanho médio produz taxas de rotação do eixo de até 10.000 RPM, enquanto turbinas menores podem produzir 5 vezes mais.

As turbinas a gás podem ser usadas para produzir torque (pelo eixo rotativo), empuxo (pela exaustão do gás em alta velocidade) ou ambos em combinação. No primeiro caso, como na turbina a vapor, o trabalho mecânico entregue pelo eixo é apenas uma transformação da entalpia (pressão) do gás de alta temperatura e pressão. Parte do trabalho do eixo é usada para acionar o compressor através de um mecanismo interno. Esta forma da turbina a gás é usada principalmente para geração de energia elétrica e como usinas para veículos como tanques e até carros. O tanque US M1 Abrams usa um motor de turbina a gás como usina.

No segundo caso, o gás de alta pressão é direcionado através de um bico convergente para aumentar a velocidade, e o impulso é gerado pelos gases de escape. Esse tipo de turbina a gás é freqüentemente chamado de motor a jato ou turbojato, que aciona o avião de combate militar. O turbofan é uma variante avançada acima e a combinação de empuxo e geração de trabalho é usada em motores turboélice, onde o trabalho do eixo é usado para acionar uma hélice.

Existem muitas variantes das turbinas a gás projetadas para tarefas específicas. Eles são preferidos a outros motores (principalmente motores alternativos) devido à sua alta relação potência / peso, menos vibração, altas velocidades de operação e confiabilidade. O calor residual é dissipado quase inteiramente como exaustão. Na geração de energia elétrica, esse desperdício de energia térmica é usado para ferver água para acionar uma turbina a vapor. O processo é conhecido como geração combinada de energia em ciclo.

Qual é a diferença entre turbina a vapor e turbina a gás?

• A turbina a vapor usa vapor de alta pressão como fluido de trabalho, enquanto a turbina a gás usa ar ou algum outro gás como fluido de trabalho.

• A turbina a vapor é basicamente um expansor que fornece torque como saída de trabalho, enquanto uma turbina a gás é um dispositivo combinado de compressor, câmara de combustão e turbina executando uma operação cíclica para entregar o trabalho como torque ou impulso.

• A turbina a vapor é apenas um componente que executa uma etapa do ciclo Rankine, enquanto o motor da turbina a gás executa todo o ciclo Brayton.

• As turbinas a gás podem fornecer torque ou empuxo como saída do trabalho, enquanto as turbinas a vapor quase sempre fornecem torque como saída do trabalho.

• A eficiência das turbinas a gás é muito maior que a turbina a vapor devido às temperaturas operacionais mais altas das turbinas a gás. (Turbinas a gás ~ 1500 0C e turbinas a vapor ~ 550 0C)

• O espaço necessário para as turbinas a gás é muito menor do que a operação de turbinas a vapor, porque a turbina a vapor requer caldeiras e trocadores de calor, que devem ser conectados externamente para adição de calor.

• As turbinas a gás são mais versáteis, porque muitos combustíveis podem ser usados ​​e o fluido de trabalho, que deve ser alimentado continuamente, está prontamente disponível em qualquer lugar (ar). As turbinas a vapor, por outro lado, exigem grandes quantidades de água para a operação e tendem a causar problemas em temperaturas mais baixas devido ao gelo.