Efficienza della turbina a gas: 5 fatti interessanti da sapere

Formula di efficienza della turbina a gas

Le turbine sono macchine che sfruttano l'energia cinetica di qualsiasi fluido e aiutano a convertirla in un'altra forma di energia (principalmente elettrica).

Le turbine che utilizzano il gas come fluido di lavoro sono chiamate turbine a gas. Le turbine a gas normalmente funzionano su Ciclo di Brayton per ottenere risultati desiderabili.

Per un ciclo Brayton ideale (mostrato nella figura sotto), l'efficienza è calcolata come:

Turbina a gas 1
Immagine: ciclo della turbina a gas (il processo 3-4(s) rappresenta la turbina)
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Dove, h rappresenta il entalpia e pedice rappresentano lo stato nel ciclo di Brayton.

Efficienza della turbina è dato da-

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Dove,
Il pedice s denota lo stato attuale.

Curva di efficienza della turbina a gas

Ciclo turbina a gas l'efficienza aumenta in modo esponenziale fino a raggiungere un valore ottimale del rapporto di pressione, dopodiché non vi è alcuna variazione significativa nell'efficienza. I fattori su cui il efficienza della turbina a gas dipende dalla temperatura di ingresso, dal rapporto di pressione e dal rapporto di calore specifico del fluido di lavoro.

La curva di efficienza della turbina a gas invece aumenta lentamente. Con una temperatura di ingresso più elevata, l'efficienza della turbina a gas aumenta. Il grafico sottostante mostra la relazione tra la temperatura di ingresso e l'efficienza della turbina-

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Rendimento della turbina a gas 1
Immagine: efficienza della turbina a gas rispetto alla temperatura di ingresso

Efficienza della turbina a gas idrogeno

La necessità di una turbina a idrogeno nasce a causa di preoccupazioni ambientali. L'idrogeno come combustibile è molto rispettoso dell'ambiente. Queste turbine riducono le emissioni di CO2.

L'idrogeno viene miscelato con il fluido di lavoro e questa combinazione di miscela idrogeno-carburante offre una migliore efficienza rispetto all'utilizzo del solo carburante. Usare l'idrogeno in grandi quantità è un problema a causa del suo immagazzinamento. I governi e le aziende private stanno elaborando una via d'uscita per un trasporto e uno stoccaggio più sicuri del carburante a idrogeno.

Come calcolare l'efficienza della turbina a gas

Le perdite meccaniche portano a un certo calo delle prestazioni delle macchine. Secondo la seconda legge della termodinamica, nessuna macchina può dare il 100% di efficienza.

L'efficienza delle turbine a gas può essere calcolata utilizzando i seguenti passaggi:

  1. Calcolare l'entalpia in tutti i punti del ciclo della turbina a gas.
  2. Calcola il lavoro effettivo svolto da turbina usando la formula-

    Lavoro svolto= h4-h3
  3. Calcola reale lavoro svolto dalla turbina utilizzando i valori effettivi di entalpia dopo perdite meccaniche.
  4. Calcola l'efficienza usando la relazione-
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Efficienza della turbina a gas a ciclo aperto

Un ciclo aperto è un ciclo in cui il fluido di lavoro non viene riportato alle condizioni iniziali. Piuttosto, viene scartato nel lavandino. La formula dell'efficienza di tali cicli non cambia ma i valori cambiano a causa della variazione del valore di variabili ovvero temperatura e pressioni.

Di seguito è mostrato un esempio di ciclo aperto di una turbina a gas:

apric 1
Immagine: Turbina a gas a ciclo aperto

Domande pratiche

Cosa influenza l'efficienza della turbina a gas?

L'efficienza della turbina a gas dipende principalmente da tre fattori:

  • Temperatura di ingresso-
    L'aumento della temperatura di ingresso della turbina ne aumenta l'efficienza. In aggiunta a ciò, la diminuzione della temperatura del pozzo aumenta anche l'efficienza delle turbine a gas, ma può essere ridotta solo fino alle condizioni ambientali in modo da non creare molto effetto sull'efficienza.
  • Rapporto di pressione-
    Il rapporto di pressione P2/P1 è una caratteristica importante che influenza l'efficienza della turbina a gas.
  • Rapporto di calore specifico-
    Il rapporto di calore specifico per i gas ideali è di circa 1.4, i gas reali hanno valori intorno a 1.2-1.3. Un buon fluido di lavoro dovrebbe avere un rapporto di calore specifico più vicino al valore isoentropico che è 1.4.

Perché le turbine a gas hanno una bassa efficienza?

Le turbine a gas lavorano su cicli a volume costante. Poiché i gas hanno una densità inferiore, necessitano di lavoro extra per essere compressi, aumentando così il lavoro del compressore.

La formula per l'efficienza è data come efficienza = lavoro svolto/calore aggiunto

All'aumentare del lavoro svolto dal compressore, il lavoro netto svolto diminuisce, quindi l'efficienza complessiva diminuisce. L'efficienza delle turbine a gas può essere aumentata in diversi modi. I modi più comuni per migliorare l'efficienza delle turbine a gas sono il raffreddamento rigenerativo, l'intercooling e il riscaldamento.

Come aumentare l'efficienza della turbina a gas?

Esistono diversi modi per aumentare l'efficienza di una turbina a gas. I fattori che influenzano direttamente l'efficienza sono la temperatura, il rapporto di pressione e il rapporto specifico. La modifica di questi valori può influire direttamente sull'efficienza.

 Quindi, i modi proposti per aumentare l'efficienza includono l'alterazione di questi valori. Vari metodi utilizzati per aumentare l'efficienza delle turbine a gas sono:

  • Rigenerazione-

    In questo metodo, il gas di scarico viene utilizzato per riscaldare il fluido di lavoro al punto 2. Ciò si traduce in una diminuzione della temperatura dei gas di scarico e in un aumento dell'efficienza. Lo schema del ciclo rigenerativo della turbina a gas e la formula dell'efficienza è riportato di seguito-
HE rigenerativo 1
Immagine: ciclo rigenerativo della turbina a gas
  • Intercooler-
    In questo metodo, il lavoro del compressore viene ridotto comprimendo l'aria in due fasi. L'aria viene raffreddata prima di passare al secondo compressore. Questo raffreddamento dell'aria tra due stadi è chiamato intercooling. La riduzione del lavoro del compressore è direttamente associata all'aumento dell'efficienza.
  • Riscaldare-
    In questo metodo vengono utilizzate due turbine invece di una. Una turbina viene utilizzata per produrre lavoro e un'altra turbina aziona il compressore. Più calore viene aggiunto in questo processo. A causa della diminuzione del lavoro del compressore e dell'elevata temperatura di ingresso, l'efficienza aumenta. Il diagramma del ciclo della turbina a gas di riscaldamento è mostrato di seguito-
Riscaldare 1
Immagine: ciclo di riscaldamento della turbina a gas
  • Riscaldamento, intercooling e rigenerazione combinati-
    In questo metodo, tutti e tre i metodi sono combinati. I costi di installazione possono aumentare, ma l'efficienza complessiva aumenta combinando i tre metodi precedenti.

Efficienza del ciclo combinato della turbina a gas

Il ciclo combinato della turbina a gas utilizza più turbine a gas che lavorano in tandem per fornire più output.

Lo scarico del singolo ciclo della turbina a gas è ancora abbastanza caldo da poter eseguire un altro ciclo. Di solito un scambiatore di calore viene utilizzato tra lo scarico del primo motore e l'aspirazione del secondo motore in modo da utilizzare diversi fluidi di lavoro. L'uscita del secondo ciclo è inferiore a quella del primo ciclo, ma aumenta l'efficienza complessiva del ciclo combinato della turbina a gas.

Il primo ciclo è chiamato ciclo di topping e produce una maggiore efficienza. Il ciclo successivo è chiamato ciclo di fondo e può avere carburante diverso (a seconda della temperatura di scarico del primo ciclo) e produce un'efficienza inferiore rispetto al primo. Nel complesso il ciclo combinato può produrre il 50% in più di efficienza.

La formula per calcolare l'efficienza complessiva del ciclo combinato della turbina a gas è riportata di seguito

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