Central nuclear d'Isar, Alemanya

Piscina de combustible nuclear gastat

Turbina d'una central nuclear

Turbina de vapor

Turbina de vapor

Una turbina de vapor és una màquina que explota l'energia tèrmica del vapor sota pressió, convertint-la en energia mecànica útil a través d'una transformació termodinàmica d'expansió. Concretament, la turbina de vapor converteix l'energia interna del vapor en energia cinètica de rotació.

La turbina de vapor, gràcies a l'eficiència tèrmica més alta i la millor relació potència / pes, ha reemplaçat per complet a la màquina de vapor, que va ser un motor alternatiu inventat per Thomas Newcomen i després millorat significativament per James Watt.

Des d'un punt de vista termodinàmic, l'eficiència màxima es produeix quan l'expansió del vapor és un procés ideal (transformació reversible) en el qual la pressió de vapor disminueix, convertint-se en treball mecànic, en un nombre infinit d'etapes. La màquina alternativa de Watt era d'una sola etapa, i els refinaments posteriors es van usar en la majoria de les dues o tres etapes (expansió doble i triple). En canvi, les turbines de vapor modernes aconsegueixen una alta eficiència tèrmica gràcies a la presència d'un major nombre d'etapes en sèrie.

Les turbines de vapor són cares i requereixen processos de fabricació avançats i materials d'alta qualitat. A més, tenen una alta eficiència quan operen a velocitats de milers de rpm, de manera que, si la càrrega gira a velocitats més baixes, es necessita una caixa de canvis. No obstant això, si la potència instal·lada és alta, els alts costos d'inversió es compensen pel fet que la turbina de vapor consumeix menys combustible, requereix menys manteniment i és de menor grandària en comparació amb un motor tèrmic alternatiu de la mateixa potència.

Aplicacions de les turbines de vapor

Les turbines de vapor poden usar-se per a produir electricitat, acoblades a generadors, sovint sense la necessitat de caixes d'engranatges. En aquest cas, funcionen en règims ideals, ja que els generadors han de girar a una velocitat constant (3000 rpm per a xarxes de 50 Hz i 3600 rpm per a xarxes de 60 Hz, en alguns casos, especialment en plantes nuclears, utilitzen generadors de 4 pols que giren a la meitat de la velocitat). A més, la turbina de vapor, en ser una màquina rotativa, és avantatjosa com a motor d'un generador elèctric, ja que no requereix cap membre mecànic que transformi el moviment alternatiu en un rotatiu.

Un altre camp d'aplicació típic per turbines de vapor és en plantes com refineries, fàbriques de paper, plantes de dessalinització i altres plantes on es requereixen alts nivells de vapor de procés. La planta pot dissenyar-se de tal manera que faci ús de la turbina de vapor per obtenir una sinèrgia entre la producció de vapor i la d'energia elèctrica o treball mecànic.

Les turbines de vapor també s'utilitzen com a motors marins en els vaixells, on les limitades dimensions són un avantatge. També es van construir locomotores de turbina de vapor propulsores, però la seva difusió va ser molt limitada.

Generació d'electricitat

Les centrals elèctriques basades en la producció de vapor a alta temperatura (centrals tèrmiques, centrals nuclears, centrals d'energia geotèrmica, algunes plantes solars tèrmiques, etc.) utilitzen turbines de vapor connectades a generadors elèctrics per produir prop del 80% de l'electricitat del planeta.

 

Les turbines per a producció elèctrica solen estar acoblades directament al seu generador.

Com els generadors han de rotar a velocitats síncrones que fa a la freqüència del sistema elèctric les velocitats de rotació més habituals són de 3.000 rpm per a sistemes de 50 Hz i 3.600 rpm per a sistemes de 60 Hz.

Com els reactors nuclears operen a temperatures més baixes i amb menys pressió de gas que les centrals tèrmiques solen operar a la meitat de velocitat de rotació, però amb generadors de 4 pols.

Propulsió marina

En els vaixells la propulsió basada en turbines de vapor té múltiples avantatges respecte als motors tèrmics d'explosió: mida i pes menor per a la mateixa potència, menys manteniment i menys vibracions. No obstant això, una turbina de vapor només és eficient a altes velocitats de rotació (de l'ordre de milers de revolucions per minut), mentre que la majoria d'hèlixs estan dissenyades per operar a menys de 100 rpm. Per això són necessàries transmissions precises i complexes (i amb un cost elevat).

Una alternativa és l'ús de propulsió turbo-elèctrica, en la qual les turbines generen energia elèctrica com en una central energètica i aquesta és utilitzada per alimentar motors elèctrics que mouen les hèlixs. Tot i que el cost de fabricació és més gran aquest és rendible, ja que els costos de consum energètic i de manteniment són menors al d'un motor de combustió de potència equivalent.

Cal dir que els motors dièsel són capaços d'una major eficiència: les turbines a vapor encara no arriben a una eficiència d'un 50%, mentre que els motors de cicle dièsel superen sovint aquest nivell (sobretot en sistemes de propulsió marina).

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 21 de novembre de 2018

Tornar