- Formula di efficienza della turbina a gas
- Curva di efficienza della turbina a gas
- Efficienza della turbina a gas idrogeno
- Come calcolare l'efficienza della turbina a gas
- Efficienza della turbina a gas a ciclo aperto
- Domande pratiche
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:
Dove, h rappresenta il entalpia e pedice rappresentano lo stato nel ciclo di Brayton.
Efficienza della turbina è dato da-
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-
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:
- Calcolare l'entalpia in tutti i punti del ciclo della turbina a gas.
- Calcola il lavoro effettivo svolto da turbina usando la formula-
Lavoro svolto= h4-h3 - Calcola reale lavoro svolto dalla turbina utilizzando i valori effettivi di entalpia dopo perdite meccaniche.
- Calcola l'efficienza usando la relazione-
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:
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-
- 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-
- 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
Ciao .... Sono Abhishek Khambhata, ho perseguito B. Tech in ingegneria meccanica. Durante i miei quattro anni di ingegneria, ho progettato e pilotato veicoli aerei senza pilota. Il mio forte è la meccanica dei fluidi e l'ingegneria termica. Il mio progetto del quarto anno era basato sul miglioramento delle prestazioni dei veicoli aerei senza pilota utilizzando la tecnologia solare. Mi piacerebbe entrare in contatto con persone che la pensano allo stesso modo.