¿Por qué es más eficiente usar vapor para hacer girar una turbina?

Por ejemplo, tengo un tubo de escape con aire muy caliente por la quema de biocombustible, y tengo una turbina al final del escape que gira y genera electricidad.

¿Por qué es más eficiente usar el calor para hervir agua y luego usar el vapor producido para rotar las turbinas? ¿Por qué se genera más electricidad al usar vapor para rotar las turbinas en lugar de no usar vapor al quemar la misma cantidad de biocombustible?

La razón principal es que una turbina requiere una caída de presión para extraer energía del fluido de trabajo. La caída de temperatura que se observa en una turbina es el resultado de la expansión del fluido; La turbina no tiene una forma de extraer la energía térmica directamente del fluido.

$\Delta H = \Delta U + \Delta (PV)$

La solución para capturar esta energía desperdiciada es tomar algo de esa energía térmica y convertirla en energía de presión hirviendo agua; ahora tiene un fluido de trabajo de alta presión que es mucho más útil para conducir una turbina. La turbina ahora puede extraer mucha más energía calorífica original en forma de presión, por lo tanto, mayor eficiencia.

Calentar agua para hacer vapor no es necesariamente más eficiente, sino mucho más práctico. Lo que describe es cómo funcionan los motores de combustión interna, por ejemplo, por lo que es un concepto válido. Sin embargo, hacen esto en ráfagas y usan combustible líquido y cuidadosamente diseñado, lo que hace que la implementación sea más práctica.

En un sistema continuo como usted describe, el combustible se quema a alta presión. Considere la dificultad mecánica de agregar más combustible al sistema mientras se sella contra esa presión. También tienes que sacar los residuos no quemados de alguna manera.

Si bien la física básica no impide lo que usted describe, la ingeniería práctica sí. Es más sencillo quemar el combustible a presión ambiente y utilizar el calor para generar alta presión dentro de un recipiente a presión especialmente diseñado. Dicho de otra manera, es mucho más fácil calentar a través de un sello de presión que los sólidos con formas y tamaños algo impredecibles.

Casi estás describiendo un motor de turbina de gas. Estos se utilizan para generar energía eléctrica, y también para alimentar aviones. Pero, en una turbina de gas, la salida de la cámara de combustión es a alta presión, y eso se utiliza para hacer girar una turbina. Y, ese es un ciclo de combustión diferente de un ciclo de vapor.

Está comparando un motor de combustión interna con un motor de combustión externa. Ambos tienen beneficios y compensaciones. Las eficiencias prácticas están limitadas por el diseño básico del motor y los materiales de construcción. Está describiendo una turbina de gas impulsada por escape que tiene una alta relación potencia / peso que es buena para los aviones, pero requiere mucho mantenimiento. La combustión externa en una caldera para alimentar una planta de vapor es mucho más confiable, pero requiere máquinas pesadas, lo cual está bien para una planta de generación de energía eléctrica con carga base; en ese caso, desea confiabilidad y la capacidad fácil de aumentar la producción de energía al quemar más combustible. La carga base cambia.

Es necesaria una química de dos fases que haga presión usando calor.

Una olla a presión con solo aire ejerce mucha menos presión que con un litro de agua.

En efecto, el agua tiene una presión potencial almacenada en estado frío.

Los fluidos supercríticos son en realidad más eficientes que el vapor, pero requieren recipientes de mayor presión y mucho hielo CO2. y otras sustancias exóticas.