Ha jó hatásfokú hő => tengely (vagy elektromos) energiaátalakítást akarunk (40..70%), akkor
- vagy GázTurbina és GozTurbina (kombinált ciklusú)
- vagy GázTurbina rekuperátorral.
- alacsony nyomású gázturbináknál különösen hatékony, mert a kompresszor ezeknel nem melegiti fel a gazt annyira. Valojaban a kompresszor kinetikus energiat ad a gaznak, gazsebesseget hoz letre, es a kompresszorhaz diffuzora alakitja ki a nagyobb nyomast, a keresztmetszet leszukitesevel. (Hocserelo a diffuzor elott megvalosithato lenne ? Nem szokasos kialakitas, az biztos, de elgondolkodtato).
Sajnos a rekuperátor mérete meghaladja a gázturbina méretét. Nagy gáz-gáz hőcserélőről van szó. Durván 2-szer akkora felület kell, mint ha ugyanazzal a delta-T -vel gőzt fejlesztünk (30..76..100 W / m2 / K). Viszont egyik oldalon sincs tul nagy nyomas, ez a falvastagsag, ezaltal a koltseg szempontjabol elonyos.
Végh Feri adatai:
- lemezes hőcserélő 1.9m2 felület (mindkét gáz ekkora felületet lát)
- deltaT=12..13C
- hőátadás: kb 6-8 kg víz kikondenzált (=2258kJ/kg) a belépő nedves meleg levegőből, és emellett levegőt is hűtött. Igaz, hogy 6-8 óra alatt, de a folyamatban a páratartalom-vezérlés miatt csak kb 2 órán át üzemelt a hőcserélő (folyamaton kívül sajnos nem mérték).
- vagyis 1.88 kW / 1.9m2 / 13C = 76W/m2/K de ez egy igen jó préselt-lemezes hőcserélő, a Danfoss-nál jobb
- keresztáramú, kamion intercooler 2..3 bar -t kibír. A fújt, +0.1 .. 1 bar (legkorhoz kepest) hideg levegő megy a cooler belsejébe.
- a turbina kimenete, 0.1 bar-os meleg kipufogógáz megy kívülre - valami dobot kell készíteni egyik oldalra, pl. valami fémhordóból vagy lemezből.
jobb lenne keresztáramú helyett ellenáramú hőcserélő. Vegh Ferenc keszit egyet anyagaron (csinalt mar sokat). A parametereket egyeztetni kell. Kb.
- 10kW / 100C
- a turbina kimeneten max EGT=700C
- a ket oldalan a nyomas es kezdeti ... veghomerseklet kb:
- turbina kimeneten 0.1 bar, 600C .. rol 300C
- kompresszor kimeneten 0.6 bar nyomas (de jo lenne, ha 1.5 bar-os "surge"ot is kibirna), 80C .. 380C Ez (mivel 380C > 300C) csak ellenaramu hocserelovel lehetseges !
- max 0.1 bar nyomaseses 80kg/h gazaramnal (a terfogataram becslesehez a nyomast, homersekleteket lasd fent!)
Kis, pár kW-os prototípusnál szoba jonnek nem optimalis, de könnyen elérhető cuccok, mint a levetett kamion cooler, vagy cső-a-csőben megoldás. Esetleg keresztaramubol tobbet úgy sorbakötni, hogy lényegében ellenáramú legyen. Sajnos a sorbakötés a nyomásesést rontja, úgyhogy meg kell találni az optimumot.
A 100 EUR / kWe -t alighanem meghaladja a gáz-gáz hőcserélő költsége, de ez jelenlegi elektromos energiaárak ( 100 EUR ~ 1000 kWh nagyságrend ... 1000 óra, naperőműnél ~1 év, nap+biomassza esetén pár hónap ) mellett hamar megtérülhet.
Forgó regenerátor
A legtöbb autós mikrogázturbina tervező arra a következtetésre jutott (Chrysler, VW), hogy forgó regenerátorral lenne a legjobb.
Mindenképpen óriási felület kell. Ez "separated-flow" rekuperátorral a kisnyomású (atmoszferikusnál alig nagyobb) forró és nagyobb nyomású (kb. 2..2.5 bar abszolute) kompresszor utáni, relatíve hideg gázok között van. A sérülése gázszivárgást okoz.
Regenerátor esetén "mixed-flow" van, vagyis pár csövet megtöltünk olcsó fémforgáccsal. Ezek egyszer az egyik, másszor a másik gázt látják, és hőcserét valósítanak meg. Ügyes kialakítás esetén még az ellenáramú hőcserélőt is lehet közelíteni. Ekkor olyan hosszú a gáz útja a regenerátoron belül, és ehhez képest olyan rövid ideig tart egy adott (hőfelvétel / hőleadás) funkció, hogy közben a hosszú regenerátoron belül termikus gradiens alakul ki. Vagyis nem melegszik fel teljesen végig, és nem hűl ki teljesen végig. A váltás után ellenáramot kap, és a hőmérsékleti lépcsőt kerüljük, nem növeljük feleslegesen az entrópiát.
Fagáz és Stirling összehasonlítása hőcserélő felület szempontjából
30% hatásfokot feltételezünk mindkét fajta hőrtőgépnél.
Fagáz
- 1kg levegő felmelegítése kb +500C-vel 500kJ (a fagáz lehűtése ugyanaz a művelet, úgyhoz ez nem fog számítani).
- Ebből 1.6 kg fagáz lesz 6.4 MJ (4MJ/kg) végül (30%-os hatásfok) 1900 kJ mechanikai munka
- 1.6kg fagáz lehűtése 650 C-vel: 1040kJ vagyis kb 550 W hőcsere / 1 kW motorteljesítmény
- a delta-T függvényében kb. 0.25 m2 / kW motorteljesítmény
Stirling:
- 1kW tengelyteljesítményhez kapásból 3.3kW hőt kell bevinni, és 2.3kW-ot elvonni (ami két külön művelet). Bár az elvonás történhet vízbefecskendezéssel (nem falon át).
- a regenerátorban 10-szer ennyit, de az könnyebb, olcsóbb (nem falon át történik)
- Ha nem napenergiával hajtjuk, és nem kipufogógázzal, hanem külsőégésű, akkor még a forró hőcserélő utáni meleg füstgázzal elő kell melegíteni a bejövő levegőt (ami az égetéshez az oxigént adja). Ez további 6-10 kW bár hasonló műveletet az autós gázturinákban (GM, Fiat Turbinia, stb...) általában forgó regenerátorral valósították meg (nem falon át).
- Vagyis összességében 3.3 - 15 kW -nyi hőt kell falon át cserélni ( hasonló deltaT mellett) 1kW tengelyteljesítményhez. A fagáz hőcserélőhöz képest legalább 6-szoros !
Vagyis ha biomasszából indulunk (és nem túl problémás, pl. szilíciumos), akkor érdemes előbb fagázmotorral kivenni a teljesítményt, majd a füstgázból Stirlinggel.
