Gasturbine-efficiëntie: 5 interessante feiten om te weten

• Formule voor gasturbine-efficiëntie:
• Gasturbine-efficiëntiecurve
• Waterstof Gasturbine-efficiëntie
• Hoe de efficiëntie van een gasturbine te berekenen?
• Open cyclus gasturbine efficiëntie
• Oefenvragen

Formule voor gasturbine-efficiëntie:

Turbines zijn machines die kinetische energie van elke vloeistof benutten en helpen deze om te zetten in een andere vorm van energie (meestal elektrisch).

De turbines die gas als werkvloeistof gebruiken, worden gasturbines genoemd. Gasturbines werken normaal gesproken op Brayton-cyclus gewenste output te bereiken.

Voor een ideale Brayton-cyclus (weergegeven in onderstaande afbeelding), wordt de efficiëntie berekend als:

Waar, h staat voor de enthalpie en subscript vertegenwoordigt de staat in de Brayton-cyclus.

Turbine efficiëntie is gegeven door-

Waar,
Subscript s geeft de werkelijke toestand aan.

Gasturbine-efficiëntiecurve

Gasturbine cyclus: efficiëntie stijgt exponentieel totdat een optimale waarde van de drukverhouding is bereikt, daarna is er geen significante verandering in de efficiëntie. De factoren waarop de efficiëntie van gasturbine: hangt af van de inlaattemperatuur, de drukverhouding en de soortelijke warmteverhouding van de werkvloeistof.

De efficiëntiecurve van de gasturbine neemt daarentegen langzaam toe. Met een hogere inlaattemperatuur neemt de efficiëntie van de gasturbine toe. Onderstaande grafiek toont de relatie tussen inlaattemperatuur en turbinerendement-

Efficiëntie van waterstofgasturbine

De behoefte aan waterstofturbines ontstaat vanwege zorgen over het milieu. Waterstof als brandstof is zeer milieuvriendelijk. Deze turbines verminderen de CO2-uitstoot.

Waterstof wordt gemengd met de werkvloeistof en deze combinatie van waterstof-brandstofmengsel geeft een beter rendement dan het gebruik van alleen brandstof. Het gebruik van waterstof in grote hoeveelheden is een probleem vanwege de opslag ervan. Overheden en particuliere bedrijven werken aan een uitweg voor veiliger transport en opslag van waterstofbrandstof.

Hoe de efficiëntie van een gasturbine te berekenen?

Mechanische verliezen leiden tot een zekere daling van de prestaties van machines. Volgens de tweede wet van de thermodynamica kan geen enkele machine 100% efficiëntie geven.

Het rendement van gasturbines kan worden berekend met behulp van de volgende stappen-

1. Bereken enthalpie op alle punten in de gasturbinecyclus.
2. Bereken de werkelijke hoeveelheid werk gedaan door turbine met behulp van de formule-
   
   Werk gedaan = h4-h3
   
3. Bereken werkelijke werk gedaan door turbine met behulp van de werkelijke waarden van enthalpie na mechanische verliezen.
4. Bereken efficiëntie met behulp van de relatie-

Open cyclus gasturbine efficiëntie

Een open cyclus is een cyclus waarbij de werkvloeistof niet in zijn oorspronkelijke toestand wordt teruggebracht. In plaats daarvan wordt het weggegooid in de gootsteen. De efficiëntieformule van dergelijke cycli verandert niet, maar de waarden veranderen als gevolg van een verandering in de waarde van variabelen, namelijk temperatuur en druk.

Een voorbeeld van een open cyclus van een gasturbine wordt hieronder weergegeven:

Oefenvragen

Wat beïnvloedt de efficiëntie van de gasturbine?

Het rendement van een gasturbine hangt voornamelijk af van drie factoren:

• Inlaattemperatuur-
  Het verhogen van de inlaattemperatuur van de turbine verhoogt het rendement. Daar komt nog bij dat het verlagen van de gootsteentemperatuur ook de efficiëntie van gasturbines verhoogt, maar het kan alleen worden verlaagd tot de omgevingsomstandigheden, zodat het niet veel effect op de efficiëntie heeft.
• Drukverhouding-
  De drukverhouding P2/P1 is een belangrijke eigenschap die het rendement van een gasturbine beïnvloedt.
• Specifieke warmteverhouding-
  Specifieke warmteverhouding voor ideale gassen is ongeveer 1.4, echte gassen hebben waarden rond 1.2-1.3. Een goede werkvloeistof zou een specifieke warmteverhoudingswaarde moeten hebben die dichter bij de isentropische waarde ligt, namelijk 1.4.
  

Waarom hebben gasturbines een laag rendement?

Gasturbines werken op constante volumecycli. Omdat gassen een lagere dichtheid hebben, hebben ze extra werk nodig om te worden gecomprimeerd, waardoor het compressorwerk toeneemt.

De formule voor efficiëntie wordt gegeven als efficiëntie = verrichte arbeid/toegevoegde warmte

Naarmate het werk van de compressor toeneemt, neemt het uitgevoerde nettowerk af, waardoor de algehele efficiëntie afneemt. Het rendement van gasturbines kan op verschillende manieren worden verhoogd. De meest gebruikelijke manieren om de efficiëntie van gasturbines te verbeteren, zijn regeneratieve koeling, interkoeling en opnieuw verwarmen.

Hoe de efficiëntie van de gasturbine te verhogen?

Er zijn een aantal manieren waarop het rendement van een gasturbine kan worden verhoogd. De factoren die het rendement direct beïnvloeden zijn temperatuur, drukverhouding en specifieke verhouding. Het wijzigen van deze waarden kan direct van invloed zijn op de efficiëntie.

 Daarom omvatten de manieren die worden voorgesteld om de efficiëntie te verhogen, het wijzigen van deze waarden. Verschillende methoden die worden gebruikt om de efficiëntie van gasturbines te verhogen zijn-

• regeneratie-
  
  Bij deze methode wordt uitlaatgas gebruikt om de werkvloeistof op punt 2 te verwarmen. Dit resulteert in een verlaging van de uitlaatgastemperatuur en een verhoging van de efficiëntie. Het diagram van de regeneratieve gasturbinecyclus en de efficiëntieformule wordt hieronder gegeven-
  

• Interkoeling-
  Bij deze methode wordt het compressorwerk verminderd door de lucht in twee fasen te comprimeren. De lucht wordt gekoeld voordat deze naar de tweede compressor gaat. Deze koeling van lucht tussen twee trappen wordt interkoeling genoemd. Het verminderen van het compressorwerk houdt direct verband met een verhoging van de efficiëntie.
• Opwarmen-
  Bij deze methode worden twee turbines gebruikt in plaats van één. Eén turbine wordt gebruikt om werk te produceren en een andere turbine drijft de compressor aan. Bij dit proces wordt meer warmte toegevoegd. Door de afname van het compressorwerk en de hoge inlaattemperatuur neemt de efficiëntie toe. Het diagram van de cyclus van de heropwarming van de gasturbine wordt hieronder getoond-
  

• Opwarmen, tussenkoeling en regeneratie gecombineerd-
  Bij deze methode worden alle drie de methoden gecombineerd. De installatiekosten kunnen stijgen, maar de algehele efficiëntie neemt toe door de bovenstaande drie methoden te combineren.

Efficiëntie gecombineerde gasturbinecyclus

Gecombineerde gasturbinecyclus maakt gebruik van meerdere gasturbines die samenwerken om meer output te leveren.

De uitlaatgassen van een enkele gasturbinecyclus zijn nog heet genoeg om nog een cyclus te kunnen uitvoeren. meestal een warmtewisselaar wordt gebruikt tussen de uitlaat van de eerste motor en de inlaat van de tweede motor om verschillende werkvloeistoffen te gebruiken. De output van de tweede cyclus is lager dan die van de eerste cyclus, maar de algehele efficiëntie van de gecombineerde gasturbinecyclus neemt toe.

De eerste cyclus wordt de topping-cyclus genoemd en zorgt voor een grotere efficiëntie. De volgende cyclus wordt de bodemcyclus genoemd en kan een andere brandstof hebben (afhankelijk van de uitlaattemperatuur van de eerste cyclus) en levert minder efficiëntie op dan de eerste. Over het algemeen kan de gecombineerde cyclus 50% meer efficiëntie opleveren.

De formule om de algehele efficiëntie van de gecombineerde gasturbinecyclus te berekenen, wordt hieronder gegeven: