Machine à vapeur vs turbine à vapeur
Alors que la machine à vapeur et la turbine à vapeur utilisent la grande chaleur latente de vaporisation de la vapeur pour la puissance, la principale différence est la révolution maximale par minute des cycles de puissance que les deux pourraient fournir. Il y a une limite pour le nombre de cycles par minute qui pourrait fournir un piston alternatif entraîné par vapeur, inhérent à sa conception.
Les moteurs à vapeur des locomotives ont normalement des pistons à double effet fonctionnant avec de la vapeur accumulée alternativement sur les deux faces. Le piston est soutenu par une tige de piston reliée à une tête transversale. La tête transversale est en outre fixée à la tige de commande de soupape par une liaison. Les vannes sont destinées à l'alimentation de la vapeur, ainsi qu'à l'évacuation de la vapeur utilisée. La puissance du moteur générée avec le piston alternatif est convertie en un mouvement rotatif et transférée aux tiges d'entraînement et aux tiges d'accouplement qui entraînent les roues.
Dans les turbines, il existe des conceptions d'aubes avec des aciers pour donner un mouvement de rotation avec le flux de vapeur. Il est possible d'identifier trois avancées technologiques majeures, qui rendent les turbines à vapeur plus efficaces pour les moteurs à vapeur. Il s'agit du sens d'écoulement de la vapeur, des propriétés de l'acier utilisé pour fabriquer les aubes de turbine et du procédé de production de «vapeur supercritique».
La technologie moderne utilisée pour la direction et le schéma d'écoulement de la vapeur est plus sophistiquée que l'ancienne technologie d'écoulement périphérique. L'introduction de la frappe directe de vapeur avec des aubes à un angle qui produit peu ou presque pas de résistance au dos donne l'énergie maximale de la vapeur au mouvement de rotation des aubes de la turbine.
La vapeur supercritique est produite en pressurisant la vapeur normale de telle sorte que les molécules d'eau de la vapeur sont forcées à un point tel qu'elle redevient un liquide, tout en conservant les propriétés du gaz; cela a une excellente efficacité énergétique par rapport à la vapeur chaude normale.
Ces deux avancées technologiques ont été réalisées grâce à l'utilisation d'aciers de haute qualité pour la fabrication des aubes. Ainsi, il était possible de faire fonctionner les turbines à des vitesses beaucoup plus élevées en résistant à la haute pression de la vapeur supercritique pour la même quantité d'énergie que la vapeur traditionnelle sans casser ni même endommager les aubes.
Les inconvénients des turbines sont: de faibles taux de rotation, qui sont la dégradation des performances avec la réduction de la pression de vapeur ou des débits, des temps de démarrage lents, ce qui permet d'éviter les chocs thermiques dans les pales en acier minces, un coût en capital élevé et le qualité du traitement de l'eau d'alimentation exigeant de la vapeur.
Le principal inconvénient de la machine à vapeur est sa limitation de la vitesse et son faible rendement. L'efficacité normale des moteurs à vapeur est d'environ 10 à 15% et les moteurs les plus récents sont capables de fonctionner à un rendement beaucoup plus élevé, environ 35% avec l'introduction de générateurs de vapeur compacts et en maintenant le moteur dans un état sans huile, augmentant ainsi la durée de vie du fluide.
Pour les petits systèmes, la machine à vapeur est préférée aux turbines à vapeur car le rendement des turbines dépend de la qualité de la vapeur et de la vitesse élevée. L'échappement des turbines à vapeur est à très haute température et donc à faible rendement thermique également.
Avec le coût élevé du carburant utilisé pour les moteurs à combustion interne, la renaissance des moteurs à vapeur est visible à l'heure actuelle. Les moteurs à vapeur sont très efficaces pour récupérer l'énergie résiduelle provenant de nombreuses sources, y compris les gaz d'échappement des turbines à vapeur. La chaleur résiduelle de la turbine à vapeur est utilisée dans les centrales à cycle combiné. Il permet en outre d'évacuer la vapeur résiduelle sous forme d'échappement à des températures très basses.
