Steam Engine vs Steam Turbine
Enquanto a máquina a vapor e a turbina a vapor usam o grande calor latente de vaporização do vapor para a energia, a principal diferença é a rotação máxima por minuto dos ciclos de energia que ambas poderiam fornecer. Existe um limite para o número de ciclos por minuto que poderia fornecer um pistão alternativo movido a vapor, inerente ao seu design.
Os motores a vapor nas locomotivas, normalmente possuem pistões de dupla ação que funcionam com vapor acumulado em ambas as faces alternativamente. O pistão é apoiado por uma haste conectada por uma cruzeta. A cabeça cruzada é ainda presa à haste de controle da válvula por uma ligação. As válvulas são para abastecimento do vapor, bem como, para exaustão do vapor utilizado. A potência do motor gerada com o pistão alternativo é convertida em um movimento rotativo e transferida para as hastes de acionamento e as hastes de acoplamento que acionam as rodas.
Nas turbinas, existem desenhos de palhetas com aços para dar um movimento giratório com o fluxo de vapor. É possível identificar três grandes avanços tecnológicos, que tornam as turbinas a vapor mais eficientes para os motores a vapor. Eles são a direção do fluxo do vapor, as propriedades do aço que é usado para fabricar as palhetas da turbina e o método de produção de “vapor supercrítico”.
A tecnologia moderna usada para direção e padrão de fluxo de vapor é mais sofisticada em comparação com a antiga tecnologia de fluxo periférico. A introdução do golpe direto do vapor com pás em um ângulo que produz pouca ou quase nenhuma resistência traseira dá o máximo de energia do vapor ao movimento giratório das pás da turbina.
O vapor supercrítico é produzido pela pressurização do vapor normal de tal forma que as moléculas de água do vapor são forçadas a um ponto que se torna mais como um líquido novamente, enquanto retém as propriedades do gás; isto tem excelente eficiência energética em comparação com o vapor quente normal.
Esses dois avanços tecnológicos foram realizados com o uso de aços de alta qualidade para fabricar as palhetas. Assim, era possível operar as turbinas em velocidades muito altas suportando a alta pressão do vapor supercrítico pela mesma quantidade de energia que a força a vapor tradicional sem quebrar ou mesmo danificar as pás.
As desvantagens das turbinas são: pequenas taxas de turndown, que são a degradação do desempenho com a redução da pressão do vapor ou taxas de fluxo, tempos de inicialização lentos, que evitam choques térmicos em lâminas de aço finas, grande custo de capital e alto qualidade do vapor que exige tratamento de água de alimentação.
A principal desvantagem da máquina a vapor é a limitação da velocidade e o baixo rendimento. A eficiência normal do motor a vapor é em torno de 10-15% e os motores mais novos são capazes de operar com uma eficiência muito maior, cerca de 35% com a introdução de geradores de vapor compactos e mantendo o motor em uma condição livre de óleo, aumentando assim a vida útil do fluido.
Para sistemas pequenos, a máquina a vapor é preferível às turbinas a vapor, uma vez que a eficiência das turbinas depende da qualidade do vapor e da alta velocidade. A exaustão das turbinas a vapor está em temperatura muito alta e, portanto, também com baixa eficiência térmica.
Com o alto custo do combustível usado nos motores de combustão interna, o renascimento dos motores a vapor é visível atualmente. Os motores a vapor são muito bons em recapturar a energia residual de muitas fontes, incluindo o escapamento das turbinas a vapor. O calor residual da turbina a vapor é usado em usinas de ciclo combinado. Além disso, permite descarregar o vapor residual como exaustão em temperaturas muito baixas.
