Turbina a Gás vs Turbina a Vapor
Turbinas são uma classe de turbomáquinas usadas para converter a energia em um fluido que flui em energia mecânica pelo uso de mecanismos de rotor. As turbinas, em geral, convertem a energia térmica ou cinética do fluido em trabalho. Turbinas a gás e turbinas a vapor são máquinas turbo térmicas, onde o trabalho é gerado a partir da variação da 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 trabalho mecânico pela diminuição da pressão, que é a operação oposta do compressor. Este artigo se concentra no 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 constituídos por pás angulares montadas em um disco giratório preso ao eixo. Entre cada disco do rotor são montadas lâminas estacionárias, que atuam como bicos e guias para o fluxo de fluido.
Mais sobre turbina a vapor
Embora o conceito de usar o vapor para fazer trabalhos mecânicos tenha sido usado por muito tempo, a moderna turbina a vapor foi projetada pelo engenheiro inglês Sir Charles Parsons em 1884.
A turbina a vapor usa vapor pressurizado de uma caldeira como fluido de trabalho. O vapor superaquecido que entra na turbina perde sua pressão (entalpia) movendo-se pelas pás dos rotores, e os rotores movimentam 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 do que a de um motor alternativo. A operação da turbina a vapor é ideal em estados de RPM mais altos.
Restritamente, a turbina é apenas um único componente da operação cíclica utilizada para geração de energia, que é modelada idealmente 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 20 as turbinas a vapor eram usadas como usina de energia para navios e motores de locomotivas. Como exceção, em alguns sistemas de propulsão marítima onde os motores a diesel são impraticáveis, como porta-aviões e submarinos, os motores a vapor ainda são usados.
Mais sobre Turbina a Gás
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 modelado idealmente pelo ciclo Brayton.
Motor de turbina a gás, ao contrário da turbina a vapor, consiste em vários componentes principais; são o compressor, a câmara de combustão e a turbina, que são montados ao longo de um eixo giratório, para realizar as diferentes tarefas de um motor de combustão interna. A entrada de gás da entrada é primeiro comprimida 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 bocal 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. Este gás então passa pela seção da turbina e, ao passar, produz movimento rotacional 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.
Turbinas a gás podem ser usadas para produzir torque (pelo eixo rotativo), empuxo (pelo escape de gás de alta velocidade) ou ambos em combinação. No primeiro caso, como na turbina a vapor, o trabalho mecânico entregue pelo eixo é meramente uma transformação da entalpia (pressão) do gás de alta temperatura e pressão. Parte do trabalho do eixo é usado para acionar o compressor através de um mecanismo interno. Esta forma de turbina a gás é usada principalmente para geração de energia elétrica e como usinas de energia 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 bocal convergente para aumentar a velocidade, e o empuxo é gerado pelo gás de exaustão. Este tipo de turbina a gás é frequentemente chamado de motor a jato ou motor turbojato, que alimenta os aviões de combate militares. O turbofan é uma variante avançada do acima, e a combinação de geração de empuxo e trabalho é usada em motores turboélice, onde o trabalho do eixo é usado para acionar uma hélice.
Existem muitas variantes de turbinas a gás projetadas para tarefas específicas. Eles são preferidos em relação 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 escape. Na geração de energia elétrica, essa energia térmica residual é usada para ferver água para acionar uma turbina a vapor. O processo é conhecido como geração de energia em ciclo combinado.
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 que executa uma operação cíclica para fornecer trabalho como torque ou empuxo.
• A turbina a vapor é apenas um componente que executa uma etapa do ciclo Rankine, enquanto a turbina a gás executa todo o ciclo Brayton.
• As turbinas a gás podem fornecer torque ou empuxo como saída de trabalho, enquanto turbinas a vapor quase sempre fornecem torque como saída de trabalho.
• A eficiência das turbinas a gás é muito maior do que a turbina a vapor devido às temperaturas de operação 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 da turbina a vapor, pois 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 todos os lugares (ar). As turbinas a vapor, por outro lado, requerem grandes quantidades de água para o funcionamento e tendem a causar problemas em temperaturas mais baixas devido à formação de gelo.
