Diferencia entre la turbina de gas y la turbina de vapor

Turbina de gas vs turbina de vapor

Las turbinas son una clase de maquinaria turbo utilizada para convertir la energía de un fluido que fluye en energía mecánica mediante el uso de mecanismos de rotor. Las turbinas, en general, convierten la energía térmica o cinética del fluido en trabajo. Las turbinas de gas y las turbinas de vapor son máquinas turbo térmicas, donde el trabajo se genera a partir del cambio de entalpía del fluido de trabajo; es decir, la energía potencial del fluido en forma de presión se convierte en energía mecánica.

Según la dirección de las turbinas de flujo de fluido, se clasifican en turbinas de flujo axial y turbinas de flujo radial. Técnicamente, una turbina es un expansor, que proporciona una salida de trabajo mecánico por la disminución de la presión, que es la operación opuesta del compresor. Este artículo se centra en el tipo de turbina de flujo axial, que es más común en muchas aplicaciones de ingeniería.

La estructura básica de una turbina de flujo axial está diseñada para permitir un flujo continuo de fluido mientras extrae la energía. En las turbinas térmicas, el fluido de trabajo, a alta temperatura y presión, se dirige a través de una serie de rotores que consisten en cuchillas en ángulo montadas en un disco giratorio unido al eje. Entre cada disco de rotor se montan palas estacionarias, que actúan como boquillas y guías para el flujo de fluido..

Más sobre la turbina de vapor

A pesar de que el concepto de usar vapor para hacer trabajos mecánicos se usó durante mucho tiempo, la moderna turbina de vapor fue diseñada por el ingeniero inglés Sir Charles Parsons en 1884..

La turbina de vapor utiliza vapor presurizado de una caldera como fluido de trabajo. El vapor sobrecalentado que ingresa a la turbina pierde su presión (entalpia) al moverse a través de las cuchillas de los rotores, y los rotores mueven el eje al que están conectados. Las turbinas de vapor suministran potencia a una velocidad uniforme y constante, y la eficiencia térmica de una turbina de vapor es mayor que la de un motor alternativo. El funcionamiento de la turbina de vapor es óptimo en estados de RPM más altos.

Estrictamente, la turbina es solo un componente de la operación cíclica utilizada para la generación de energía, que es idealmente modelada por el ciclo de Rankine. Las calderas, los intercambiadores de calor, las bombas y los condensadores también son componentes de la operación, pero no son parte de la turbina..

En los tiempos modernos, el uso principal de las turbinas de vapor es para la generación de energía eléctrica, pero a principios del siglo 20 se utilizaron las turbinas de vapor como la planta de energía para los barcos y motores de locomotoras. Como excepción, en algunos sistemas de propulsión marina donde los motores diésel no son prácticos, como los portaaviones y los submarinos, los motores de vapor todavía se utilizan..

Más sobre la turbina de gas

El motor de turbina de gas o simplemente una turbina de gas es un motor de combustión interna, que utiliza gases como el aire como fluido de trabajo. El aspecto termodinámico del funcionamiento de la turbina de gas está modelado idealmente por el ciclo de Brayton.

El motor de turbina de gas, a diferencia de la turbina de vapor, consta de varios componentes clave; esos son el compresor, la cámara de combustión y la turbina, que se ensamblan a lo largo de un eje giratorio, para realizar diferentes tareas de un motor de combustión interna. La entrada de gas de la entrada se comprime primero utilizando un compresor axial; que realiza exactamente lo contrario de una simple turbina. El gas presurizado se dirige luego a través de una etapa de difusor (boquilla divergente), en la que el gas pierde su velocidad, pero aumenta la temperatura y la presión aún más..

En la siguiente etapa, el gas ingresa a la cámara de combustión donde se mezcla un combustible con el gas y se enciende. Como resultado de la combustión, la temperatura y la presión del gas aumentan a un nivel increíblemente alto. Este gas luego pasa a través de la sección de la turbina, y cuando pasa produce un movimiento de rotación hacia el eje. Una turbina de gas de tamaño promedio produce velocidades de rotación del eje de hasta 10,000 RPM, mientras que las turbinas más pequeñas pueden producir 5 veces más.

Las turbinas de gas se pueden utilizar para producir par (por el eje giratorio), empuje (por escape de gas a alta velocidad), o ambos en combinación. En el primer caso, como en la turbina de vapor, el trabajo mecánico realizado por el eje es simplemente una transformación de la entalpía (presión) del gas de alta temperatura y presión. Parte del trabajo del eje se utiliza para impulsar el compresor a través de un mecanismo interno. Esta forma de la turbina de gas se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica y como plantas de energía para vehículos como tanques e incluso automóviles. El tanque US Abrams M1 utiliza un motor de turbina de gas como planta de energía.

En el segundo caso, el gas a alta presión se dirige a través de una boquilla convergente para aumentar la velocidad, y el empuje es generado por el gas de escape. Este tipo de turbina de gas a menudo se llama motor a reacción o turborreactor, que alimenta a los aviones de combate militares. El turbofan es una variante avanzada de la anterior, y la combinación de empuje y generación de trabajo se utiliza en los motores turbohélices, donde se utiliza el trabajo de eje para impulsar una hélice..

Existen muchas variantes de las turbinas de gas diseñadas para tareas específicas. Se prefieren a otros motores (principalmente motores recíprocos) debido a su alta relación potencia / peso, menos vibración, altas velocidades de operación y confiabilidad. El calor residual se disipa casi en su totalidad como escape. En la generación de energía eléctrica, esta energía térmica residual se utiliza para hervir agua para hacer funcionar una turbina de vapor. El proceso se conoce como generación de energía de ciclo combinado..

¿Cuál es la diferencia entre la turbina de vapor y la turbina de gas??

• La turbina de vapor utiliza vapor de alta presión como fluido de trabajo, mientras que la turbina de gas usa aire o algún otro gas como fluido de trabajo..

• La turbina de vapor es básicamente un expansor que entrega par de torsión como salida de trabajo, mientras que una turbina de gas es un dispositivo combinado de compresor, cámara de combustión y turbina que ejecuta una operación cíclica para entregar trabajo como par o empuje.

• La turbina de vapor es solo un componente que ejecuta un paso del ciclo Rankine, mientras que el motor de la turbina de gas ejecuta todo el ciclo Brayton..

• Las turbinas de gas pueden entregar un par de torsión o empuje como salida de trabajo, mientras que las turbinas de vapor casi todo el tiempo ofrecen par de torsión como salida de trabajo.

• La eficiencia de las turbinas de gas es mucho mayor que la de la turbina de vapor debido a las altas temperaturas de funcionamiento de las turbinas de gas. (Turbinas de gas ~ 1500 0C y turbinas de vapor ~ 550 0C)

• El espacio requerido para las turbinas de gas es mucho menor que el funcionamiento de la turbina de vapor, ya que la turbina de vapor requiere calderas e intercambiadores de calor, que deben conectarse externamente para agregar calor..

• Las turbinas de gas son más versátiles, porque se pueden usar muchos combustibles y el fluido de trabajo, que debe alimentarse continuamente, está disponible en todas partes (aire). Las turbinas de vapor, por otro lado, requieren grandes cantidades de agua para la operación y tienden a causar problemas en temperaturas más bajas debido a la formación de hielo..