Motor de vapor vs turbina de vapor
Mientras que la máquina de vapor y la turbina de vapor utilizan el gran calor latente de vaporización del vapor para la energía, la principal diferencia es la revolución máxima por minuto de los ciclos de energía que ambos podrían proporcionar. Existe un límite para el número de ciclos por minuto que podría proporcionar un pistón alternativo impulsado por vapor, inherente a su diseño.
Los motores de vapor en las locomotoras, normalmente tienen pistones de doble acción que funcionan con vapor acumulado en ambas caras alternativamente. El pistón está sostenido por un vástago conectado con una cruceta. La cruceta se une además a la varilla de control de la válvula mediante un enlace. Las válvulas sirven para suministrar vapor, así como para expulsar el vapor usado. La potencia del motor generada con el pistón alternativo se convierte en un movimiento giratorio y se transfiere a las bielas de transmisión y las bielas de acoplamiento que impulsan las ruedas.
En turbinas, existen diseños de paletas con aceros para dar un movimiento rotatorio con el flujo de vapor. Es posible identificar tres avances tecnológicos importantes, que hacen que las turbinas de vapor sean más eficientes para las máquinas de vapor. Son la dirección del flujo de vapor, las propiedades del acero que se utiliza para fabricar las paletas de la turbina y el método de producción de “vapor supercrítico”.
La tecnología moderna utilizada para la dirección del flujo de vapor y el patrón de flujo es más sofisticada en comparación con la antigua tecnología de flujo periférico. La introducción del golpe directo del vapor con palas en un ángulo que produce un retroceso poco o casi nulo da la máxima energía del vapor al movimiento rotativo de las palas de la turbina.
El vapor supercrítico se produce presurizando el vapor normal de modo que las moléculas de agua del vapor se fuerzan a un punto en el que se vuelve más líquido de nuevo, conservando las propiedades del gas; esto tiene una excelente eficiencia energética en comparación con el vapor caliente normal.
Estos dos avances tecnológicos se realizaron mediante el uso de aceros de alta calidad para fabricar las paletas. Por lo tanto, fue posible hacer funcionar las turbinas a velocidades muy altas resistiendo la alta presión del vapor supercrítico por la misma cantidad de energía que la energía de vapor tradicional sin romper o incluso dañar las palas.
Las desventajas de las turbinas son: pequeñas relaciones de turndown, que son la degradación del rendimiento con la reducción de la presión del vapor o tasas de flujo, tiempos de arranque lentos, que es evitar choques térmicos en palas de acero delgadas, gran costo de capital y alta calidad del vapor que exige el tratamiento del agua de alimentación.
La principal desventaja de la máquina de vapor es su limitación de la velocidad y la baja eficiencia. La eficiencia normal del motor de vapor es de alrededor del 10-15% y los motores más nuevos son capaces de operar con una eficiencia mucho mayor, alrededor del 35% con la introducción de generadores de vapor compactos y manteniendo el motor en una condición libre de aceite, aumentando así la vida útil del fluido.
Para sistemas pequeños, se prefiere la máquina de vapor a las turbinas de vapor, ya que la eficiencia de las turbinas depende de la calidad del vapor y la alta velocidad. El escape de las turbinas de vapor tiene una temperatura muy alta y, por lo tanto, también una baja eficiencia térmica.
Con el alto costo del combustible utilizado para los motores de combustión interna, el renacimiento de las máquinas de vapor es visible en la actualidad. Los motores de vapor son muy buenos para recuperar la energía residual de muchas fuentes, incluido el escape de las turbinas de vapor. El calor residual de la turbina de vapor se utiliza en centrales eléctricas de ciclo combinado. Además, permite descargar el vapor residual como escape a temperaturas muy bajas.
