Adiabatická turbína: co, jak, několik typů, příklady

Tento článek pojednává o adiabatické turbíně. V oblasti termodynamiky se často používá termín adiabatický. Označuje systém nebo hranici, která neumožňuje přenos tepla.

Turbína je základní zařízení používané v elektrárnách, které pomáhá při výrobě elektřiny. Obsahuje prvky, které se otáčejí. Tato rotace se přenáší na generátor, který vyrábí elektřinu. Více o adiabatických turbínách budeme studovat v tomto článku.

Co je adiabatický systém?

Systém, ze kterého je přenos tepla omezen, se nazývá adiabatický systém. To znamená, že teplo nemůže být přenášeno do okolí a teplo nemůže vstoupit do systému z okolí.

Čistý přenos tepla je nulový. Je to proto, že stěny systému jsou adiabatické. Teplo se ze systému nesmí přenášet. Celý obsah tepla zůstává pouze uvnitř systému, který se stává vnitřní energie systému.

Co je to turbína?

Mechanické zařízení, které se používá k přeměně hydraulické energie na mechanickou energii, se nazývá turbína. Hydraulická energie přichází ve formě pohybující se vody/páry, která naráží na vrtule turbíny.

Pohyb tekutiny, který je kinetickou energií tekutiny, se přenáší na vrtule turbíny. Z tohoto důvodu se hřídel turbíny začne otáčet. Tímto způsobem dochází k přeměně energie z hydraulické na mechanickou. Další části nám řeknou více o turbíně podrobně. 

Provoz turbíny

Po diskusi ve výše uvedené části nyní víme, že turbína přeměňuje kinetickou energii kapalina až mechanická energie.

V elektrárnách se jako pracovní tekutina používá pára a v přehradách se jako pracovní tekutina používá voda. Pracovní tekutina zde označuje tekutinu, která je zodpovědná za rotaci hřídele. Hřídel se otáčí po dopadu pracovní kapaliny na povrch vrtule. Rotující hřídel je připojen ke generátoru, který vyrábí elektřinu.

Co je adiabatická turbína?

Nyní známe významy jak adiabatického systému, tak turbíny. Podívejme se, co je adiabatická turbína.

Adiabatická turbína je turbína, jejíž stěny jsou adiabatické. Tyto stěny to nedovolují přenos tepla jejich prostřednictvím. Z turbíny tak nemůže uniknout žádné množství tepla. Čistý přenos z turbíny je tedy nulový. Do turbíny se nepřidává žádné teplo a žádné teplo z turbíny neuniká, když je turbína adiabatická.

Adiabatická turbína pracuje

Víme, co je adiabatická turbína. Vidíme, že mezi normální turbínou a turbínou není žádný fyzikální rozdíl adiabatická turbína, jediný rozdíl mezi nimi je ten, že adiabatická turbína neumožňuje přenos tepla se bude konat.

Podobně i činnost adiabatické turbíny je stejná jako u normální turbíny. Téměř ve všech případech jsou stěny turbíny udržovány adiabatické. Proto je činnost adiabatické turbíny stejná jako u normální turbíny, o které jsme hovořili výše.

Adiabatická plynová turbína

Jak jsme studovali o přehradách používaných turbínami, používají vodu jako pracovní tekutinu, která otáčí hřídelem vrtule v turbínách.

Když je použitou pracovní tekutinou plyn, pak se turbína nazývá plynová turbína. Plynové turbíny se většinou používají v leteckých elektrárnách a tepelných elektrárnách používaných k výrobě elektřiny. Materiály použité v obou turbínách se liší, protože se liší typ použité pracovní kapaliny.

Adiabatická parní turbína

Adiabatický parní turbína je turbína, ve které se jako pracovní tekutina používá pára. Pára, jak všichni víme, je plynná forma vody.

Pára obsahuje vysokou kinetickou energii, která se přenáší na vrtuli turbíny. Rotor turbíny se začne pohybovat, když vysokoenergetická pára narazí na povrch vrtule. Tlak pokles bude probíhat uvnitř turbíny, přičemž pára vstupuje pod vysoký tlak. Tento tlak klesá a pára se po průchodu turbínou stává nízkotlakou párou. 

Adiabatická reverzibilní turbína

Termín reverzibilní označuje turbínu, ve které jsou všechny procesy ideální. Ztráty třením nebo úniky energie se u reverzibilních procesů nevyskytují.

Když mluvíme o adiabatické reverzibilní turbíně, znamená to, že proces expanze probíhající uvnitř turbíny je téměř ideální. Obvykle je vícestupňová turbína považována za reverzibilní turbínu. Když jsou stěny adiabatické, stává se tato turbína adiabatickou reverzibilní turbínou.

Rovnice adiabatické turbíny

Rovnice používaná v adiabatické turbíně je uvedena níže -

Práce turbíny je dána -

Hmotnost = h2-h1

Kde,

h2 je entalpie v bodě 2

h1 je entalpie v bodě 1

Účinnost adiabatické turbíny

Projekt účinnost je definován jako výstup získaný ze systému nebo zařízení po načerpání nějakého vstupu.

Účinnost adiabatické turbína je dáno jako-

Účinnost = výstup/vstup = Wt/Qa

Kde,

Wt je práce vykonaná turbínou

Qa je množství tepla přidaného do systému

Je turbína reverzibilní?

Již jsme diskutovali ve výše uvedené části, že turbína je považována za vratnou, když je proces expanze v turbíně ideální.

Ve skutečnosti nelze žádné zařízení považovat za ideální, ale turbína může být téměř ideální zvýšením počtu stupňů expanzního procesu. Tento typ turbíny se nazývá vícestupňová turbína. Proces použití více turbín se nazývá přihřívání.

Je parní turbína adiabatická?

Když je přenos tepla zcela omezen, lze parní turbínu označit za adiabatickou.

Pára po průchodu kondenzátorem změní svou fázi na kapalnou. V turbíně dochází pouze k poklesu tlaku páry. Pára přicházející s vysokým tlakem se na výstupu přemění na páru s nízkou energií.

Obrazový kredit: Siemens Pressebild, Montáž vodní turbíny01, CC BY-SA 3.0

Proč jsou turbíny adiabatické?

Turbíny jsou adiabatické, protože veškerá energie je spotřebována na pohon hřídele turbíny.

Žádná energie se neztrácí ve formě tepla nebo žádná energie nevstupuje do turbíny ve formě tepla. Jedinou energií, která se účastní procesu přenosu energie, je kinetická energie tekutiny a kinetická energie rotoru turbíny.

Entropie adiabatické turbíny

Než budeme diskutovat o entropii adiabatické turbíny, budeme znát význam entropie. Široce přijímaná definice entropie říká, že jde o míru náhodnosti v systému.

Ve skutečných turbínách se hodnota entropie zvyšuje. Kdežto pro reverzibilní adiabatický proceses je hodnota generované entropie nulová. Je to proto, že entropie je stavová funkce a pro reverzibilní proces jsou koncové body stejné a protože proces je adiabatický, kvůli žádnému přenosu tepla je změna entropie nulová.