Le turbine a vapore

MEMBRI DEL GRUPPO

 

• Cavaliere Angela 
• D'Amato Nicoletta
• Forestieri Marta
• Maiorano Antonella
• Silvestri Federica

COSA SONO?

Le turbine a vapore sono macchine termiche che hanno il compito di trasformare l'energia potenziale termodinamica contenuta nel vapore ad alta pressione e temperatura in lavoro meccanico.

CLASSIFICAZIONE TURBINE

Si distinguono in idrauliche, a gas e a vapore.

Possono essere a ciclo aperto o a ciclo chiuso. Nel primo caso utilizzano gas naturali o nafta pesante come combustibile e sono azionate dai gas che si sviluppano nella camera di combustione. Nel secondo caso vengono azionate dall'aria che viene riscaldata in uno scambiatore di calore, fatta espandere nella turbina e quindi raffreddata nel refrigerante.

STRUTTURA

 Le turbine a vapore sono costituite:

• DAL DISTRIBUTORE costituito da una serie di tubi ed ugelli che inviano il fluido sulla girante
• DALLA GIRANTE che rappresenta la parte mobile, collegata all'albero motore, azionata dall'energia del fluido
• DAL DEVIATORE costituito da una serie di palette che ricevono il fluido all'uscita della girante e lo convogliano in una precisa direzione.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Osservando la figura si può facilmente comprendere il principio di funzionamento di una turbina a vapore

Nella caldaia, l'acqua riscaldata produce vapore ad alta pressione che passa nel condotto del distributore della turbina. Quest'ultimo termina con una serie di ugelli di diametro molto piccolo. Il vapore, uscendo, aumenta la sua velocità e si espande. Successivamente viene spinto dagli ugelli ad alta velocità contro le palette della turbina che, comunicando con l'albero, ne conferiscono un movimento rotatorio. Si è prodotto quindi lavoro attraverso la trasformazione della sua energia cinetica.

Uscito dalla turbina il vapore risulta raffreddato e a bassa pressione.

A questo punto viene convogliato nel condensatore, costituito da una serie di tubicini attorno ai quali circola aria fredda. A contatto con esse, il vapore condensa ottenendo acqua tiepida, inviata nuovamente nella caldaia, attraverso una pompa. Può ora ricominciare un nuovo ciclo, recuperando così l'energia termica ancora disponibile.

RIFERIMENTI ALLA TERMODINAMICA

Il funzionamento della turbina a vapore è basato sui principi della termodinamica: il vapore che si espande subisce un abbassamento di temperatura e quindi una diminuzione di energia interna. Quest'ultima si trasforma in energia meccanica, sotto forma di accelerazione delle particelle che lo compongono. Tale trasformazione rende direttamente disponibile una grande quantità di energia meccanica.

IL CICLO DI RANKINE

Il ciclo che viene svolto dalle turbine a vapore che prende il nome di ciclo di Rankine, è simile al ciclo di Carnot poichè è caratterizzato da un'espansione e una successiva condensazione del vapore. La differenza sta nel fatto che quello di Carnot è caratteristico delle macchine ideali e sfrutta due trasformazioni adiabatiche e due isoterme, il ciclo di Rankine riguarda una sostanza reale (gas-acqua-vapore) e le turbine nn sono dotate nè di cilindro, nè di stantuffo.

LE TRASFORMAZIONI

Nel ciclo di Rankine, durante la trasformazione dell'acqua in vapore (tratto AB), i valori della temperatura e della pressione rimangono costanti, ma aumenta notevolmente il volume.

Quando il vapore si espande nella turbina (tratto BC) si ha una trasformazione considerata adiabatica (non c'è il tempo per uno scambio di calore con l'ambiente), la pressione diminuisce passando da P1 a P2, il volume aumenta e l'energia interna diminuisce, esce quindi dalla turbina a temperatura T2<T1.

Durante la condensazione del vapore (tratto CD) si ha una trasformazione isobara con diminuzione di volume.

Infine, quando la pompa rimanda l'acqua alla caldaia, si osserva una trasformazione isocora (a volume costante), che comporta un'aumento di pressione.

LA CENTRALE DI LARDERELLO (TOSCANA)

L'Italia e' stato il primo paese al mondo a sfruttare l'energia geotermica, con il primo impianto di generazione realizzato nel 1913 a Larderello. Le centrali geotermiche sfruttano il calore delle profondita' terrestri, infatti la caldaia  che produce vapore è un serbatoio naturale situato al di sotto della crosta terrestre.

Il vapore portato in superficie per mezzo di trivellazioni più o meno profonde, viene convogliato in tubazioni, chiamate vapordotti, e inviato alla turbina, dove la sua energia viene trasformata in energia meccanica di rotazione, che a sua volta viene convertita in energia elettrica. 

Il vapore uscente dalla turbina viene recuperato e riconvertito in una condensatore e riportato alla stato liquido per essere smaltito nel terreno, mentre i gas di scarico vengono raffreddati e dispersi nell’atmosfera mediante una torre di refrigerazione.

Attualmente sono attive centrali geotermiche a Larderello, Travale e Monte Amiata (in Toscana) e forniscono attualmente circa l’1,5% della produzione totale dell’energia elettrica nazionale