Turbina

Una turbina è un dispositivo rotante che converte parzialmente l' energia interna di un fluido , liquido (come l' acqua ) o gassoso ( vapore , aria , gas di combustione), in energia meccanica mediante palette disposte su un albero rotante ad alta velocità .

L'energia che entra nel fluido è caratterizzata in particolare dalla sua velocità , pressione ed entalpia . L'energia meccanica che esce dalla turbina aziona un altro meccanismo rotante come un alternatore , un compressore , una pompa o qualsiasi altro ricevitore (es. un generatore ). Il gruppo viene quindi chiamato rispettivamente turboalternatore , turbocompressore , turbopompa , ecc.

Turbina a vapore

Principi operativi generali

La turbina a vapore è un motore a combustione esterna , funzionante secondo il ciclo termodinamico noto come Clausius - Rankine . Questo ciclo si distingue per il cambio di stato che interessa il fluido motore che generalmente è vapore acqueo .

Questo ciclo comprende almeno le seguenti fasi:

Non appena questo vapore deve essere utilizzato, esegue i seguenti passaggi:

Il fluido utilizzato è lo stesso della macchina a vapore a pistoni , ma la turbina è un'evoluzione operatore dei principali vantaggi delle turbomacchine tra cui:

La turbina a vapore è il culmine di un tipo di motore termico introdotto dai motori a vapore a pistoni. I vincoli inerenti alla loro progettazione generalmente limitano il loro uso all'industria. In questo caso si ottiene energia elettrica a basso costo perché l' energia termica non viene “sprecata” in un condensatore . Queste turbine sono chiamate “turbine a contropressione”. Incontrato tale uso, in particolare nei dolci , tra l'altro, la canna da zucchero , in cui il combustibile è gratuito e sovrabbondante: la bagassa , la canna da zucchero frantumata che era lo zucchero estratto .

Realizzazione pratica

Una turbina è costituita da un rotore comprendente un albero su cui sono fissate le pale e da uno statore costituito da una carcassa portante deflettori fissi, generalmente costituiti da due parti assemblate in un piano assiale. Comprende inoltre un toroide di aspirazione segmentato e un deviatore di scarico diretto verso il condensatore. La funzione dei deflettori fissi è quella di assicurare in tutto o in parte l'espansione formando una rete di ugelli e di modificare la direzione del flusso uscendo dallo stadio precedente.

Una turbina a vapore ha uno o più stadi ciascuno dei quali svolge due funzioni:

Le turbine a vapore si dividono in due grandi categorie spesso combinate in un'unica macchina:

  1. Le turbine ad azione in cui l'espansione avviene solo nelle pale fisse. Ben si adattano a stadi ad alta pressione e si prestano meglio alla regolazione del flusso. La loro costruzione è più costosa e ne riserva l'utilizzo ai primi stadi della turbina.
  2. Turbine a reazione in cui l'espansione è distribuita tra le pale fisse e mobili. Il grado di reazione è definito dalla distribuzione del rilassamento tra le lame. Sono più adatti per stadi a bassa pressione e il loro costo è inferiore. Quando il grado di reazione di uno stadio è del 50%, la forma delle pale fisse e mobili è la stessa, il che riduce il numero di stampi necessari per la fabbricazione. D'altra parte, per ottenere la stessa espansione, la turbina a reazione richiederà più stadi, il che aumenta la lunghezza della linea d'asse.

La produzione di turbine richiede l'utilizzo di acciai altolegati (Cr-Ni-V) per resistere a sollecitazioni termiche, meccaniche (forza centrifuga) e chimiche ( corrosione da vapore), si veda l'utilizzo di superleghe a base di Ni. I primi due vincoli limitano il diametro e quindi la portata ammissibile negli ultimi stadi. Così lame di lunghezza superiore al metro pongono già seri problemi di produzione. Inoltre, l'eterogeneità radiale delle velocità impone un'incidenza variabile della paletta che ha quindi una forma a sinistra la cui lavorazione è complessa e le cui sollecitazioni meccaniche ne limitano il buon comportamento.

In pratica, la temperatura è limitata a 550  a  580  ° C e la massima implementato è di 650  ° C . La pressione è dell'ordine di 180  bar e raggiunge i 250  bar per installazioni supercritiche.

Di conseguenza, le turbine ad alta potenza generalmente includono sullo stesso asse (disposizione composta in tandem):

È così possibile raggiungere potenze superiori a 1000  MW con un rendimento di ciclo di poco superiore al 40%.

All'altra estremità dello spettro, le turbine più piccole hanno potenze di poche decine di kilowatt. Sono generalmente costituiti da un unico stadio e vengono utilizzati per azionare macchine nell'industria o sulle navi. Tra le due, c'è tutta una gamma di turbine più o meno complesse e adatte a specifici usi industriali (a prelievo, contro pressione, ecc.).

Ma ci sono anche tante piccole turbine montate sui turbocompressori dei veicoli. Le turbine più piccole sono sicuramente le turbine dentali .

Vantaggi e svantaggi

Il vantaggio principale delle turbine a vapore è che sono un motore a combustione esterna . Di conseguenza, tutti i combustibili (gas, olio combustibile, carbone, rifiuti, calore residuo) e in particolare i più economici possono essere utilizzati per alimentarlo con vapore. Il riscaldamento può essere effettuato anche con l'energia solare . La resa può raggiungere valori abbastanza elevati, con conseguente riduzione dei costi di esercizio.

D'altro canto, il costo e la complessità degli impianti li riservano più spesso ad impianti di grande potenza per poter beneficiare di economie di scala. Salvo casi particolari, le turbine a gas ei motori sono più adatti al di sotto di circa 10  MW .

Il raffreddamento del condensatore richiede anche un grande flusso d'acqua o ingombranti aerorefrigeratori , che ne limitano immediatamente il campo di utilizzo alle installazioni fisse o navali.

Nei paesi nordici, ma anche in alcune grandi città francesi (Parigi, Lione, Nantes, ecc.), il calore residuo viene regolarmente utilizzato per costruire una rete di riscaldamento (vedi Cogenerazione ). Le condutture convogliano acqua riscaldata da 80  a  90  °C nei comuni vicini alla centrale e privati ​​o aziende possono allacciarsi a questa rete per riscaldare gli edifici.

dare la precedenza

La resa aumenta con la pressione del vapore e la temperatura di surriscaldamento . Tuttavia, l'aumento di queste caratteristiche è limitato dal contenuto di liquido del vapore a fine espansione. Infatti, la curva di espansione può raggiungere la curva di saturazione con la formazione di goccioline che influiscono negativamente sull'efficienza degli ultimi stadi di espansione ma anche sulla sua resistenza meccanica. Il contenuto di acqua liquida della miscela deve essere limitato al 15 o 30% . In definitiva , è la pressione nel condensatore che stabilisce le pressioni e le temperature limite ammissibili.

Come ogni altro ciclo termodinamico, il ciclo Rankine implementato dalle turbine a vapore è inferiore al ciclo di Carnot , e quindi sono stati escogitati miglioramenti per tendere ad esso. Il postriscaldamento dell'acqua, tra condensatore e caldaia, mediante vapore prelevato in diversi stadi della turbina, consente quindi di far tendere la fase di riscaldamento isobarica ad una trasformazione termodinamicamente equivalente ad un'isoterma . L'efficienza del dispositivo ma anche il suo costo aumenta con il numero degli stadi di prelievo e dei relativi scambiatori; pertanto, il numero di piani raramente supera le sette unità. Il guadagno di efficienza è dell'ordine del 5% . Questo dispositivo richiede anche l'installazione di un riscaldatore d'aria sulla caldaia.

Viceversa, per consentire l'aumento della pressione e della temperatura nonostante il problema dell'umidità al termine dell'espansione, è possibile riportare il vapore espanso alla pressione di vapore saturo verso la caldaia per procedere alla riaccensione. surriscaldamento in uno scambiatore di calore aggiuntivo. Questi passaggi possono essere moltiplicati per far tendere la fase di surriscaldamento ad un'isoterma e quindi avvicinarsi ad un ciclo di Carnot. In pratica gli impianti prevedono generalmente un unico risurriscaldamento. Il guadagno di efficienza può raggiungere il 5% .

Il ciclo comprende essenzialmente due cambi di stato ( evaporazione e condensazione ). Il diagramma di fase dell'acqua permette di prevedere un ciclo con un unico cambio di stato mediante l'utilizzo di una caldaia supercritica. Infatti, oltre il punto critico (intorno a 220  bar e 350  °C ) non si verifica alcun cambiamento di stato e non si possono più distinguere le fasi liquida e gassosa. I cicli supercritici richiedono generalmente un doppio riscaldamento per limitare l'umidità alla fine del ciclo. Il guadagno di rendimento è ancora del 2-3% ed è più facilmente giustificabile con l'aumento dei carburante .

Generazione elettrica

Per le loro caratteristiche, le turbine a vapore sono ampiamente utilizzate nelle centrali termiche di media e alta potenza, comprese quelle nucleari . Nella fascia di potenza da 1 a 10  MW circa , trovano impiego nelle applicazioni di cogenerazione (inceneritore di rifiuti e teleriscaldamento, processo industriale). Da segnalare anche il loro utilizzo in cicli combinati dove consentono di utilizzare il calore di scarico delle turbine a gas in energia elettrica .

Le turbine a vapore sono utilizzate anche nel campo della propulsione marittima , soprattutto per le navi più grandi (petroliere, portaerei e sottomarini nucleari) ma sono sempre più sostituite da motori diesel o turbine a gas. Anche la funzione di guida delle macchine sta scomparendo a favore dei motori elettrici.

Ad oggi, non hanno trovato alcuna applicazione nella propulsione stradale o ferroviaria se non per alcuni tentativi falliti.

Specificità dei cicli nucleari

Il ciclo del vapore delle centrali nucleari è speciale. Infatti, nei reattori ad acqua pressurizzata (PWR) attualmente diffusi, il calore della fissione viene sottratto al cuore da un circuito primario ad acqua surriscaldata a circa 150  bar e 300  °C . Questo calore produce vapore saturo nel circuito secondario. All'uscita dello stadio di alta pressione, il vapore subisce essiccamento (separazione delle goccioline di liquido) e moderato surriscaldamento (mediante vapore all'uscita del generatore di vapore). A causa della limitata temperatura della sorgente calda, e quindi del vapore creato, l'efficienza del ciclo rimane bassa intorno al 30%. Le centrali nucleari hanno gruppi turboalternatori molto potenti fino a 1.450  MW .

Il miglioramento delle prestazioni è al centro di riflessioni sulla progettazione di reattori 4 °  generazione . Ma ha anche portato alla costruzione di altri tipi di reattori rispetto PWR nei primi giorni dell'energia nucleare ( UNGG , CANDU ,  etc. ) con altri di trasferimento di calore fluidi in particolare. Tuttavia, la sicurezza e l'affidabilità dei PWR attualmente li rendono essenziali.

Turbina a gas di combustione

Una turbina a gas , detta anche turbina a combustione , è una macchina rotante termodinamica appartenente alla famiglia dei motori a combustione interna il cui ruolo è quello di produrre energia meccanica attraverso la rotazione di un albero, dotato di alette , che vengono messe in moto grazie al movimento cinetico energia generata dal movimento del gas legato alla rapida combustione dei suoi costituenti.

Aeronautica

Le turbine sono una parte fondamentale dell'aviazione:

Turbina idraulica

Questa turbina, inventata da Benoît Fourneyron , è alimentata dal flusso d'acqua. Installato a valle di una diga idroelettrica , aziona un alternatore che produce energia elettrica . Può utilizzare principalmente la pressione dell'acqua ( turbina Francis ), la velocità dell'acqua ( turbina Pelton ) o anche un flusso elevato (tipo gruppo bulbo o turbina Kaplan ). Queste turbine vengono utilizzate in base all'altezza di caduta della diga.

Le turbine idrauliche si distinguono principalmente dai mulini ad acqua per la loro immersione completa e permanente nella corrente, che ne aumenta notevolmente l'efficienza.

Riduzione o eliminazione degli effetti negativi sull'ambiente

La legge ambientale americana impone agli impianti idroelettrici di ridurre la mortalità dei pesci che transitano nelle turbine. Per questo, il Laboratorio Nazionale dell'Idaho ha messo a punto un programma "Hydropower" per lo sviluppo di turbine "verdi" con tecnologie avanzate ( Advanced Turbine Systems e Advanced Technology Turbines , o ATT), con l'obiettivo di massimizzare l'utilizzo delle turbine. risorse idroelettriche "migliorandone i vantaggi tecnici, sociali e ambientali" , riducendone i costi e, per quanto tecnicamente possibile, gli effetti sull'ambiente. Questo programma mirava a ridurre le lesioni e la mortalità dei pesci che passano attraverso le turbine al 2% o meno (rispetto al 5-10% per le migliori turbine esistenti all'inizio del programma) e tassi che raggiungono il 30% o più con altre turbine. Questo laboratorio è quindi specializzato nella modellazione degli effetti delle centrali elettriche sui pesci, in particolare utilizzando una "fish probe" (una sorta di simulacro di pesce contenente sensori che misurano le sollecitazioni subite durante il passaggio attraverso diversi tipi di turbine, in varie condizioni di velocità della turbina, portata e pressione dell'acqua). Il laboratorio sta anche conducendo test in situ sulla sopravvivenza cumulativa di salmonidi o anguille che passano attraverso più turbine. Il feedback alimenta gli studi di configurazione di nuovi tipi di turbine volti a eliminare gli impatti delle turbine sui pesci e a produrre elettricità in caso di cadute da un'altezza inferiore.

Così nel 2000-2005 sono stati proposti modelli di "turbine fish-friendly" , con una sopravvivenza dall'83 al 93% dopo 96  ore per la trota iridea, dal 90 al 100% per le altre specie secondo ALDEN nel 2009 (e testato nel 2006), chiamato "bassissima prevalenza " (VLH®2) e "ichthyophile®2" , che ha il vantaggio di ridurre notevolmente la necessità di ingegneria civile e quindi i costi di lavoro, per un'efficienza che consente di equipaggiare cadute molto basse (da 2 a 3  m ); pur consentendo il passaggio dei pesci senza danni attraverso la turbina (anguille in particolare) grazie ad una progettazione che integra i risultati degli studi di compatibilità delle turbine con la vita del pesce, realizzati dal Corpo degli Ingegneri dell'Esercito degli Stati Uniti , pubblicato nel 1995 Il il primo prototipo di turbina VLH costruito in Francia è stato inmarzo 2007(sul Tarn , al Moulin de Troussy a Millau ). Le prese d'acqua di queste turbine possono anche essere dotate dei cosiddetti dispositivi di ittiocompatibilità (ad esempio in Francia testati a Navarrenx sul Gave d'Oloron ) e migliorate con ONEMA . (Larinier, Thévenet, & Travade, 2008), e ad essi può essere associata una scala per pesci per facilitare la salita (come nella centrale di Saint-Géry (2  MW ) nel Lot, rinnovata nel 2015). Nelle condizioni peggiori, gli impatti in termini di mortalità immediata e/o ritardata sono divisi da 2 a 3 rispetto ad una turbina Kaplan convenzionale operante nelle stesse condizioni. Le anguille sono le più vulnerabili a causa della loro lunghezza e quando vengono uccise, spesso escono dalla turbina.

Turbina ad aria

Una turbina ad aria è un sistema di alette in cui l'aria compressa viene a rilassarsi e guadagnare velocità. L'energia sviluppata da questa turbina è correlata all'equazione:

o :

Questo tipo di turbina viene utilizzato, tra gli altri, in strumenti come cacciaviti o trapani ad aria compressa.

Note e riferimenti

  1. Benoit Fourneyron inventore della turbina - Le Monde , 4 ottobre 2011
  2. Firenze HACHEZ-LEROY, “  Fourneyron Benoit: Turbine and industrial theorist  ” , su universalis.fr (consultato il 13 novembre 2019 )
  3. Laboratorio Nazionale dell'Idaho; presentazione del programma Idroelettrico (la versione consultata è quella aggiornata il21 novembre 2014
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Vedi anche

Articoli Correlati

Link esterno

Bibliografia

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