Perché usare il vapore per ruotare una turbina è più efficiente?

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Ad esempio, ho un tubo di scarico con aria molto calda proveniente dalla combustione di biocarburanti e ho una turbina all'estremità dello scarico che ruota e genera elettricità.

Perché è più efficiente usare il calore per far bollire l'acqua e poi usare il vapore prodotto per ruotare le turbine? Come mai perché viene generata più elettricità usando il vapore per ruotare le turbine anziché non usare il vapore quando si brucia la stessa quantità di biocarburante?

electrical-engineering turbines steam

— Mohdak
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— Paul,

Se si dispone di un combustibile liquido o gassoso piacevole e coerente, potrebbe essere meglio bruciarlo in un motore a combustione interna (ICE) o in una turbina a gas per generare lavoro meccanico, anziché utilizzarlo per riscaldare il vapore in un ciclo di Rankine. I cicli del vapore sono generalmente scelti per carburanti che sarebbero difficili da usare per ICE o turbine a gas, come combustibili solidi, nucleari o altri combustibili a combustione lenta.

— Carlton,

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Il motivo principale è che una turbina richiede una caduta di pressione per estrarre energia dal fluido di lavoro. Il calo di temperatura che si osserva in una turbina è il risultato dell'espansione del fluido; la turbina non ha un modo per estrarre l'energia termica direttamente dal fluido.

Il lavoro totale svolto dal fluido è generalmente espresso come un cambiamento nell'entalpia, che è la somma dell'energia interna (calore) e del lavoro svolto dall'espansione (caduta di pressione): . Se la pressione di scarico del tuo combustore non è molto più alta della pressione ambiente, allora non ci sarà una grande caduta di pressione attraverso la turbina e quindi il gas non farà molto lavoro. Il gas uscirà dalla turbina a una temperatura relativamente elevata, indicando che ha ancora molta energia che non è stata estratta dalla turbina. $\Delta H = \Delta U + \Delta (PV)$

La soluzione per catturare questa energia sprecata è invece prendere parte di quell'energia termica e convertirla in energia in pressione facendo bollire l'acqua - ora hai un fluido di lavoro ad alta pressione che è molto più utile per guidare una turbina. La turbina è ora in grado di estrarre molta più energia del calore originale sotto forma di pressione, quindi maggiore efficienza.

— Carlton
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È la caduta entalpica, non la caduta di pressione, che produce lavoro utile in una turbina

— Zaid,

@Zaid per estrarre energia da un flusso, una turbina ha bisogno di una caduta di pressione attraverso di essa. La caduta di entalpia corrisponde alla differenza di energia termica a pressione costante (che per un sistema a vapore è effettivamente l'energia totale, poiché il riferimento è l'acqua che ha essenzialmente lo stesso volume a tutte le pressioni). Per legge di conservazione dell'energia, la goccia di entalpia corrisponde al lavoro prodotto (trascurando l'efficienza). Ma non "produce" lavoro utile. Se osserviamo invece una turbina ad acqua, vediamo che tutta l'energia proviene dalla caduta di pressione e l'entalpia non ha nulla a che fare con essa.

— Level River St,

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@Zaid ha ragione. C'è un cambiamento sia nella pressione che nella temperatura del fluido di lavoro attraverso la turbina e possiamo esprimere la combinazione dei due con l'entalpia. Modificherò la mia risposta per renderlo più chiaro.

— Carlton,

@steveverrill - Penso che stai mescolando tra fluidi comprimibili e fluidi incomprimibili; i due scenari sono molto diversi.

— Zaid,

@Carlton - grazie per quello ... Cercherò di pubblicare una mia risposta se ne avrò l'opportunità

— Zaid,

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Il riscaldamento dell'acqua per produrre vapore non è necessariamente più efficiente, ma molto più pratico. Quello che descrivi è come funzionano i motori a combustione interna, ad esempio, quindi è un concetto valido. Tuttavia, lo fanno a raffica e usano carburante liquido e attentamente progettato, il che rende l'attuazione più pratica.

In un sistema continuo come descritto, il carburante viene bruciato ad alta pressione. Considera la difficoltà meccanica di aggiungere più carburante al sistema durante la tenuta contro quella pressione. Devi anche eliminare i rifiuti incombusti in qualche modo.

Mentre la fisica di base non impedisce ciò che descrivi, l'ingegneria pratica lo fa. È più semplice bruciare il carburante a pressione ambiente e utilizzare il calore per fare alta pressione all'interno di un recipiente a pressione appositamente progettato. In altre parole, è molto più facile ottenere calore attraverso una tenuta a pressione rispetto ai solidi con forme e dimensioni piuttosto imprevedibili.

— Olin Lathrop
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I tuoi commenti sulla praticità sono molto utili. Le centrali a vapore in genere usano carburanti come carbone, immondizia e materiale radioattivo, carburanti che non sarebbero pratici per i motori a ciclo Otto o Brayton.

— Carlton,

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Stai quasi descrivendo un motore a turbina a gas. Questi sono usati per generare energia elettrica e anche per alimentare aerei. Ma, in una turbina a gas, l'uscita del combustore è ad alta pressione e viene utilizzata per girare una turbina. E questo è un ciclo di combustione diverso da un ciclo a vapore.

— Adamo
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Stai confrontando un motore a combustione interna con un motore a combustione esterna. Entrambi hanno vantaggi e compromessi. Le efficienze pratiche sono limitate dalla progettazione di base del motore e dai materiali di costruzione. Stai descrivendo una turbina a gas di scarico con turbina a gas che ha un elevato rapporto potenza / peso che è buono per gli aeroplani, ma richiede una manutenzione intensiva. La combustione esterna in una caldaia per alimentare un impianto a vapore è molto più affidabile ma richiede macchine pesanti che vanno bene per un impianto di generazione di energia elettrica caricato in base - in tal caso si desidera l'affidabilità e la facile capacità di aumentare la produzione di energia bruciando più carburante come il carico di base cambia.

— Quel ragazzo
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È necessaria una chimica a due fasi che fa pressione usando il calore.

Una pentola a pressione con solo aria fa molta meno pressione rispetto a un litro di acqua.

L'acqua è in effetti una potenziale pressione immagazzinata in uno stato freddo.

I fluidi supercritici sono in realtà più efficienti del vapore ma richiedono recipienti a pressione più elevata e molta CO2 ghiacciata. e altre sostanze esotiche.

— comprensibile
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