Pourquoi l'utilisation de la vapeur pour faire tourner une turbine est-elle plus efficace?

Par exemple, j'ai un tuyau d'échappement avec de l'air très chaud provenant de la combustion de biocarburant, et j'ai une turbine à l'extrémité de l'échappement qui tourne et génère de l'électricité.

Pourquoi est-il plus efficace d'utiliser la chaleur pour faire bouillir l'eau puis d'utiliser la vapeur produite pour faire tourner les turbines? Comme pour pourquoi plus d'électricité est-elle produite en utilisant de la vapeur pour faire tourner les turbines plutôt que de ne pas utiliser de vapeur lors de la combustion de la même quantité de biocarburant?

La raison principale est qu'une turbine nécessite une chute de pression pour extraire l'énergie du fluide de travail. La baisse de température qui est observée dans une turbine est le résultat de l'expansion du fluide; la turbine n'a pas de moyen d'extraire l'énergie thermique directement du fluide.

Le travail total effectué par le fluide est généralement exprimé comme un changement d'enthalpie, qui est la somme de l'énergie interne (chaleur) et du travail effectué par expansion (chute de pression): . Si la pression d'échappement de votre chambre de combustion n'est pas beaucoup plus élevée que la pression ambiante, alors il n'y aura pas beaucoup de chute de pression à travers la turbine et donc peu de travail sera effectué par le gaz. Le gaz sortira de la turbine à une température relativement élevée, ce qui indique qu'il a encore beaucoup d'énergie qui n'a pas été extraite par la turbine.$\Delta H = \Delta U + \Delta (PV)$

La solution pour capturer cette énergie gaspillée consiste plutôt à prendre une partie de cette énergie thermique et à la convertir en énergie sous pression en faisant bouillir de l'eau - vous avez maintenant un fluide de travail à haute pression qui est beaucoup plus utile pour entraîner une turbine. La turbine est maintenant capable d'extraire beaucoup plus de l'énergie thermique d'origine sous forme de pression, d'où un rendement plus élevé.

Le chauffage de l'eau pour produire de la vapeur n'est pas nécessairement plus efficace, mais beaucoup plus pratique. Ce que vous décrivez, c'est le fonctionnement des moteurs à combustion interne, par exemple, c'est donc un concept valable. Cependant, ils le font en rafales et utilisent du carburant liquide et soigneusement conçu, ce qui rend la mise en œuvre plus pratique.

Dans un système continu comme vous le décrivez, le carburant est brûlé à haute pression. Considérez la difficulté mécanique d'ajouter plus de carburant dans le système tout en scellant contre cette pression. Vous devez également éliminer les déchets non brûlés d'une manière ou d'une autre.

Bien que la physique de base n'empêche pas ce que vous décrivez, l'ingénierie pratique le fait. Il est plus simple de brûler le carburant à la pression ambiante et d'utiliser la chaleur pour faire de la haute pression à l'intérieur d'un récipient sous pression spécialement conçu. Autrement dit, il est beaucoup plus facile de faire passer de la chaleur à travers un joint sous pression que des solides aux formes et tailles quelque peu imprévisibles.

Vous décrivez presque un moteur à turbine à gaz. Ceux-ci sont utilisés pour produire de l'énergie électrique, mais aussi pour propulser des avions. Mais, dans une turbine à gaz, la sortie de la chambre de combustion est à haute pression, et cela est utilisé pour faire tourner une turbine. Et, c'est un cycle de combustion différent d'un cycle à vapeur.

Vous comparez un moteur à combustion interne avec un moteur à combustion externe. Les deux ont des avantages et des compromis. L'efficacité pratique est limitée par la conception de base du moteur et les matériaux de construction. Vous décrivez une turbine entraînée par des gaz d'échappement de turbine à gaz qui a un rapport puissance / poids élevé, ce qui est bon pour les avions, mais nécessite beaucoup de maintenance. La combustion externe dans une chaudière pour alimenter une centrale à vapeur est beaucoup plus fiable mais nécessite des machines lourdes, ce qui est bien pour une centrale électrique de base - dans ce cas, vous voulez de la fiabilité et la capacité facile d'augmenter la production d'électricité en brûlant plus de combustible la charge de base change.

Une chimie en deux phases qui crée une pression utilisant la chaleur est nécessaire.

Un autocuiseur avec seulement de l'air fait beaucoup moins de pression qu'avec un litre d'eau.

L'eau est en effet une pression potentielle stockée à froid.

Les fluides supercritiques sont en fait plus efficaces que la vapeur mais nécessitent des réservoirs à pression plus élevée et beaucoup de CO2 de glace. et d'autres substances exotiques.