Por que usar vapor para girar uma turbina é mais eficiente?

Por exemplo, eu tenho um tubo de escape com ar muito quente proveniente da queima de biocombustível, e tenho uma turbina no final do escapamento que gira e gera eletricidade.

Por que é mais eficiente usar o calor para ferver a água do que usar o vapor produzido para girar as turbinas? Como, por que mais eletricidade é gerada usando vapor para girar as turbinas, em vez de não usar vapor ao queimar a mesma quantidade de biocombustível?

A principal razão é que uma turbina requer uma queda de pressão para extrair energia do fluido de trabalho. A queda de temperatura que é observada em uma turbina é resultado da expansão do fluido; a turbina não tem como extrair a energia térmica diretamente do fluido.

O trabalho total feito pelo fluido é tipicamente expressa como uma alteração de entalpia, que é a soma da energia interna (calor) e o trabalho realizado por expansão (queda de pressão): . Se a pressão de exaustão do seu combustor não for muito maior que a pressão ambiente, não haverá muita queda de pressão na turbina e, portanto, pouco trabalho será feito pelo gás. O gás sairá da turbina a uma temperatura relativamente alta, indicando que ainda possui muita energia que não foi extraída pela turbina.$\Delta H = \Delta U + \Delta (PV)$

A solução para capturar essa energia desperdiçada é pegar uma parte dessa energia térmica e convertê-la em energia de pressão fervendo água - agora você tem um fluido de trabalho de alta pressão que é muito mais útil para acionar uma turbina. A turbina agora é capaz de extrair muito mais da energia térmica original sob a forma de pressão, portanto, maior eficiência.

Aquecer a água para produzir vapor não é necessariamente mais eficiente, mas muito mais prático. O que você descreve é ​​como os motores de combustão interna funcionam, por exemplo, por isso é um conceito válido. No entanto, eles fazem isso em rajadas e usam combustível líquido e cuidadosamente projetado, o que torna a implementação mais prática.

Em um sistema contínuo, como você descreve, o combustível é queimado a alta pressão. Considere a dificuldade mecânica de adicionar mais combustível ao sistema, vedando contra essa pressão. Você também precisa eliminar o desperdício não queimado de alguma forma.

Embora a física básica não impeça o que você descreve, a engenharia prática evita. É mais simples queimar o combustível à pressão ambiente e usar o calor para fazer alta pressão dentro de um vaso de pressão especialmente projetado. Em outras palavras, é muito mais fácil obter calor através de uma vedação de pressão do que sólidos com formas e tamanhos imprevisíveis.

Você está quase descrevendo um motor de turbina a gás. Eles são usados ​​para gerar energia elétrica e também para alimentar aeronaves. Mas, em uma turbina a gás, a saída do combustor está em alta pressão, e isso é usado para transformar uma turbina. E esse é um ciclo de combustão diferente de um ciclo de vapor.

Você está comparando um mecanismo de combustão interna com um mecanismo de combustão externa. Ambos têm benefícios e compensações. As eficiências práticas são limitadas pelo projeto básico do motor e pelos materiais de construção. Você está descrevendo uma turbina acionada por exaustão de uma turbina a gás que possui uma alta relação peso / potência, que é boa para aviões, mas exige muita manutenção. A combustão externa em uma caldeira para alimentar uma usina a vapor é muito mais confiável, mas requer máquinas pesadas, o que é bom para uma usina de geração de energia elétrica carregada com base - nesse caso, você deseja confiabilidade e capacidade fácil de aumentar a produção de energia queimando mais combustível. a carga básica muda.

É necessária uma química bifásica que faça pressão usando calor.

Uma panela de pressão apenas com ar faz muito menos pressão do que com um litro de água.

A água é, com efeito, a pressão potencial armazenada em estado frio.

Fluidos supercríticos são realmente mais eficientes que o vapor, mas requerem vasos de pressão mais altos e muito gelo CO2. e outras substâncias exóticas.