Effizienz von Gasturbinen: 5 interessante Fakten, die Sie wissen sollten

Formel für den Gasturbinenwirkungsgrad

Turbinen sind Maschinen, die die kinetische Energie jeder Flüssigkeit nutzen und dabei helfen, sie in eine andere Energieform (meist elektrische) umzuwandeln.

Die Turbinen, die Gas als Arbeitsmedium verwenden, werden als Gasturbinen bezeichnet. Gasturbinen arbeiten normalerweise auf Brayton-Zyklus gewünschte Leistung zu erzielen.

Für einen idealen Brayton-Zyklus (siehe Abbildung unten) wird der Wirkungsgrad berechnet als

Gasturbine 1
Bild: Gasturbinenzyklus (Prozess 3-4(s) repräsentiert Turbine)
gif

Wobei h für die steht Enthalpie und Index repräsentieren den Zustand im Brayton-Zyklus.

Turbinenwirkungsgrad wird gegeben durch-

gif

Woher,
Das tiefgestellte s bezeichnet den aktuellen Zustand.

Wirkungsgradkurve der Gasturbine

Gasturbinenzyklus Der Wirkungsgrad steigt exponentiell an, bis ein optimaler Wert des Druckverhältnisses erreicht ist, danach gibt es keine signifikante Änderung des Wirkungsgrads. Die Faktoren, auf denen die Wirkungsgrad einer Gasturbine abhängig sind Eintrittstemperatur, Druckverhältnis und spezifisches Wärmeverhältnis des Arbeitsmediums.

Die Wirkungsgradkurve der Gasturbine steigt dagegen langsam an. Mit höherer Eintrittstemperatur steigt der Wirkungsgrad der Gasturbine. Die folgende Grafik zeigt die Beziehung zwischen Einlasstemperatur und Turbinenwirkungsgrad.

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Wirkungsgrad von Gasturbinen 1
Bild: Gasturbinenwirkungsgrad vs. Eintrittstemperatur

Wirkungsgrad der Wasserstoffgasturbine

Der Bedarf an Wasserstoffturbinen entsteht aufgrund von Umweltbedenken. Wasserstoff als Kraftstoff ist sehr umweltfreundlich. Diese Turbinen reduzieren den CO2-Ausstoß.

Wasserstoff wird mit dem Arbeitsfluid vermischt und diese Kombination aus Wasserstoff-Kraftstoff-Gemisch ergibt eine bessere Effizienz als die alleinige Verwendung von Kraftstoff. Die Verwendung von Wasserstoff in großen Mengen ist aufgrund seiner Speicherung problematisch. Regierungen und private Unternehmen arbeiten an einem Ausweg für einen sichereren Transport und eine sicherere Lagerung von Wasserstoffkraftstoff.

So berechnen Sie den Gasturbinenwirkungsgrad

Mechanische Verluste führen zu einem gewissen Leistungsabfall von Maschinen. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann keine Maschine einen Wirkungsgrad von 100 % erreichen.

Der Wirkungsgrad von Gasturbinen kann mit folgenden Schritten berechnet werden:

  1. Berechnen Sie die Enthalpie an allen Punkten im Gasturbinenzyklus.
  2. Berechnen Sie die tatsächlich geleistete Arbeit von Turbine mit der Formel-

    Geleistete Arbeit = h4-h3
  3. Tatsächlich berechnen von der Turbine verrichtete Arbeit unter Verwendung der Ist-Werte der Enthalpie nach mechanischen Verlusten.
  4. Berechnen Sie die Effizienz mit der Beziehung-
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Wirkungsgrad von Gasturbinen mit offenem Kreislauf

Ein offener Kreislauf ist ein Kreislauf, bei dem das Arbeitsfluid nicht in seinen Anfangszustand zurückgebracht wird. Stattdessen wird es in die Spüle geworfen. Die Effizienzformel solcher Zyklen ändert sich nicht, aber die Werte ändern sich aufgrund der Wertänderung der Variablen Temperatur und Drücke.

Ein Beispiel für einen offenen Gasturbinenzyklus ist unten gezeigt:

openc 1
Bild: Gasturbine mit offenem Kreislauf

Fragen zum Üben

Was beeinflusst den Wirkungsgrad von Gasturbinen?

Der Wirkungsgrad der Gasturbine hängt hauptsächlich von drei Faktoren ab:

  • Einlasstemperatur-
    Eine Erhöhung der Eintrittstemperatur der Turbine erhöht deren Wirkungsgrad. Darüber hinaus erhöht eine sinkende Senkentemperatur auch den Wirkungsgrad von Gasturbinen, kann jedoch nur bis auf Umgebungsbedingungen verringert werden, sodass er keinen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat.
  • Druckverhältnis-
    Das Druckverhältnis P2/P1 ist ein wichtiges Merkmal, das den Wirkungsgrad einer Gasturbine beeinflusst.
  • Spezifisches Wärmeverhältnis-
    Das spezifische Wärmeverhältnis für ideale Gase beträgt etwa 1.4, reale Gase haben Werte von etwa 1.2-1.3. Ein gutes Arbeitsfluid sollte einen spezifischen Wärmeverhältniswert haben, der näher am isentropischen Wert liegt, der 1.4 ist.

Warum haben Gasturbinen einen niedrigen Wirkungsgrad?

Gasturbinen arbeiten mit konstanten Volumenzyklen. Da Gase eine geringere Dichte haben, benötigen sie zusätzliche Arbeit, um komprimiert zu werden, wodurch die Kompressorarbeit erhöht wird.

Die Formel für den Wirkungsgrad lautet Wirkungsgrad = geleistete Arbeit / zugeführte Wärme

Wenn die vom Kompressor geleistete Arbeit zunimmt, nimmt die geleistete Nettoarbeit ab, so dass der Gesamtwirkungsgrad abnimmt. Der Wirkungsgrad von Gasturbinen kann auf verschiedene Weise gesteigert werden. Die gebräuchlichsten Methoden zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Gasturbinen sind regenerative Kühlung, Zwischenkühlung, Wiedererwärmung.

Wie kann man den Wirkungsgrad der Gasturbine erhöhen?

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, den Wirkungsgrad einer Gasturbine zu erhöhen. Die Faktoren, die den Wirkungsgrad direkt beeinflussen, sind Temperatur, Druckverhältnis und spezifisches Verhältnis. Eine Änderung dieser Werte kann sich direkt auf die Effizienz auswirken.

 Daher umfassen die vorgeschlagenen Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung die Änderung dieser Werte. Verschiedene Methoden zur Effizienzsteigerung von Gasturbinen sind

  • Regeneration-

    Bei diesem Verfahren wird Abgas verwendet, um das Arbeitsfluid an Punkt 2 zu erhitzen. Dies führt zu einer Verringerung der Abgastemperatur und einer Erhöhung des Wirkungsgrades. Das Diagramm des regenerativen Gasturbinenzyklus und der Wirkungsgradformel ist unten angegeben:
Regenerative HE 1
Bild: Regenerativer Gasturbinenkreislauf
  • Ladeluftkühlung-
    Bei diesem Verfahren wird die Kompressorarbeit verringert, indem die Luft in zwei Stufen komprimiert wird. Die Luft wird abgekühlt, bevor sie zum zweiten Kompressor geleitet wird. Diese Abkühlung der Luft zwischen zwei Stufen wird als Zwischenkühlung bezeichnet. Eine Verringerung der Kompressorarbeit ist direkt mit einer Effizienzsteigerung verbunden.
  • Aufwärm-
    Bei diesem Verfahren werden statt einer zwei Turbinen verwendet. Eine Turbine wird verwendet, um Arbeit zu erzeugen und eine andere Turbine treibt den Kompressor an. Bei diesem Vorgang wird mehr Wärme zugeführt. Aufgrund der Verringerung der Kompressorarbeit und der hohen Einlasstemperatur steigt die Effizienz. Das Diagramm des Zwischenüberhitzungs-Gasturbinenzyklus ist unten gezeigt:
Aufwärmen 1
Bild: Zwischenüberhitzungs-Gasturbinenkreislauf
  • Nacherwärmung, Ladeluftkühlung und Regeneration kombiniert-
    Bei dieser Methode werden alle drei Methoden kombiniert. Die Einrichtungskosten können in die Höhe schnellen, aber die Gesamteffizienz steigt durch die Kombination der drei oben genannten Methoden.

Wirkungsgrad des kombinierten Gasturbinenzyklus

Der kombinierte Gasturbinenzyklus verwendet mehrere Gasturbinen, die im Tandem arbeiten, um mehr Leistung bereitzustellen.

Das Abgas aus einem einzelnen Gasturbinenzyklus ist immer noch heiß genug, um einen weiteren Zyklus laufen zu lassen. Normalerweise a Wärmetauscher wird zwischen dem Auslass des ersten Motors und dem Einlass des zweiten Motors verwendet, um unterschiedliche Arbeitsfluide zu verwenden. Die Ausgangsleistung des zweiten Zyklus ist geringer als die des ersten Zyklus, aber der Gesamtwirkungsgrad des kombinierten Gasturbinenzyklus steigt.

Der erste Zyklus wird als Topping-Zyklus bezeichnet und erzeugt eine höhere Effizienz. Der nächste Zyklus wird als Bodenbildungszyklus bezeichnet und kann einen anderen Kraftstoff haben (abhängig von der Abgastemperatur des ersten Zyklus) und erzeugt eine geringere Effizienz als der erste. Insgesamt kann der kombinierte Zyklus 50 % mehr Effizienz erzielen.

Die Formel zur Berechnung des Gesamtwirkungsgrads des kombinierten Gasturbinenzyklus ist unten angegeben

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