A turbinát erőműben (ill. járműben) hőből tengelyteljesítmény létrehozására általában úgy használjuk, hogy
- tömegáramot hozunk létre
- gázturbinában kompresszorral (Brayton ciklus, akár 50% körüli hatásfok)
- GozTurbina -ban folyadékszivattyúval. A Rankine ciklus, általában 35% körüli hatásfok, fizikai égetéses ("atom") szilárd üzemanyagú PWR-ben valamivel kisebb ~32%, kémiai égetéses ill. Nap-erõmûben nagyobb ~38%
- a fenti 2 kombinációja a "kombinált ciklusú", akár 60% körüli hatásfokkal
- DetonációsCiklusúGázturbina esetében (kvázi-)isochor égés emeli meg a nyomást. Szabaddugattyús légsûrítõvel kombinálva hideg és tiszta levegõre (vagy zárt ciklus esetén He-ra lehet átjátszani a nyomást, ez további lehetõségeket nyújt: további komprimálás, vagy újabb égetés, isochor hevítés).
- hőközléssel adott tömegáram nagyobb térfogatáramú gázárammá alakul.
- tehát nem kell hozzá kerozin, lásd FaGázTurbina de még éghető anyag sem. Lásd: NapKollektor ill. FolyékonyFluorideSóolvadékosThoriumReaktor
- (A közhiedelemmel ellentétben) a nyomás nem növekszik, csak a(dott tömegű gáz) "térfogata", a sebessége (térfogatárama)
- ezért a turbinán leadott tengelyteljesítmény nagyobb tud lenni, mint a tömegáramot létrehozó szivattyú által igényelt teljesítmény
Legfontosabb felhasználása, hogy hõbõl tengelyteljesítményt, ill. NagyFordulatuGenerator -ral elekrtomos energiát állít elõ.
Míg a StirlingMotor -ok fajlagos teljesítménye általában 20W/kg körüli, a 4 körüli nyomásviszonyú Phantom F4 indítóturbinának tengelyteljesítménye kb 7400W / kg (70 Le / 7kg). A repülõgépek turbináinak minden egyes lapátja kb akkora teljesítményt ad, mint az autó egész Otto motorja (~60kW).
Sok megawatt esetén ezt a magas fajlagos teljesítményt a gázturbinák már igen jó hatásfokkal tudják. De nem olcsón, és az üzemanyagra kényesek: a gázban alkáli elemek, kén, hamu, kátrány, stb...-re. De még mindig nem annyira kényes, mint az ismert üzemanyagcellák. Alkalmas kialakítással szinte bármit elégethetünk (lásd FaGázTurbina).
Hatásfok
Gyakori tévhit, hogy a gázturbina általában jobb hatásfokú, mint a dugattyús motor. Kifejezetten javítható a hatásfok már azzal is, ha dugattyús légsűrítőt használnak. Sokáig a 30% feletti hatásfokú gázturbinák mind ilyenek voltak (pl. többfokozatú szabaddugattyús légsűrítővel, közteshűtéssel). Viszont ha a súly drága (repülőn) akkor adott alacsony súlykorláttal tényleg jobb a turbókompresszoros (eleinte radiálkompresszoros, ma a legkisebbeket leszámítva axiálkompresszoros) megoldás. A földön a dugattyúnak (vagy más térfogatkiszorításos megoldásnak) is van létjogosultsága, pláne 1 MW alatt. A nagy gépekben is a legjobb hatásfokú dugattyús motorok (nagy tengeri dízelek 54%-al) jobb hatásfokúak, mint a turbinák (~52%), 1MW alatt pedig pláne jobbak. 10 kW alatt meg még inkább. Az expanzió is megvalósítható turbina első fokozattal (ma akár 1070C-s gázzal is, amit az Ericsson ciklusú dugattyús gép forró dugattyúja nem bírna), és térfogatkiszorításos további fokozatokkal (igaz, erre nem ismerek példát).
Volt idõ, amikor még sokan gondolkodtak (ma már inkább "eleve tudnak"). Számos megoldást kidolgoztak. A jó hatásfok titka:
- forgó regenerátor (vagy rekuperátor, de az terjedelmesebb, nehezebb)
- kompresszor-fokozatok között közteshûtés
- turbina-fokozatok közötti újrafûtés (nem annyira fontos, mint a közteshûtés)
- térfogatkiszorításos légsűrítő (ha lehet), pl. szabaddugattyús
és természetesen a jó turbinahatásfok, és kompresszorhatásfok, egyéb veszteségek csökkentése.
Kis nyomás vagy nagy nyomás ?
Ha nagy fajlagos teljesítmény kell, ráadásul muszáj nyílt körfolyamatút, mint pl. kerozin vagy H2 (nem atom-) meghajtású repülõben akkor nagy (7..30) nyomásviszony a szokásos. A General Electric CF-6 repülõ-gázturbina 14 fokozatú axiálkompresszora 24 (egyes modellekben 30) -as nyomásviszonnyal dolgozik (a fokozatok között nincs közteshûtés). Repülésre gazdaságos PW és Rolls-Royce gázturbinák adatai ?
Ha lehet zárt körfolyamatú (mint pl.
- NapKollektor
- vagy nukleáris energia (pl. LFTR) esetén
- vagy (földi alkalmazásban) nem fontos a nagy fajlagos teljesítmény, viszont fontos a jó hatásfok, akkor:
AlacsonyNyomásviszonyúGázTurbina (rekuperátorral). De többfokozatban (mindegyikben csak 1.5-3 nyomásviszony) közteshűtéssel és (az expanziós fokozatok között) köztesfűtéssel hasonlóan jó hatásfokot lehet elérni MAGASABB fajlagos teljesítmény mellett.
Az egyik fontos felhasználása, a szilárd biomasszából (pl. lombnyesedék, faipari hulladékból) elektromos energia elõállítása: FaGázTurbina
A kompresszor és turbina hatásfoka
Amennyiben
- egységesen 67% (adott üzemállapotban),
- a kompresszor elõtt p*V
- a turbina elõtt mondjuk 3*p*V
akkor
- a turbina 3*p*V helyett 2*p*V teljesítményegységet ad (egységnyi t idõ alatt ! az idõ szerinti deriválást jelzõ felsõ pont "nyomdatechnikai okokból" nem látszik)
- és a kompresszor 1*p*V helyett 1.5*p*V-t igényel
- azaz 0.5*p*V mechanikai teljesítmény áll rendelkezésre a generátor (vagy egyéb hasznos fogyasztó) számára
- ami 1/4 annyi, mint ha nem 67% hanem 100% lett volna az adiabatikus hatásfok
57% hatásfok alatt pedig már semennyi plusz teljesítményt nem kapunk, a kompresszor felemészti a turbina leadott tengelyteljesítményét (1.73 * p * V).
Vagyis roppant érzékeny a jó hatásfokra. Csak egy viszonylag szûk teljesítménytartományban gazdaságos. Ezért van az, hogy a Braytont, az Ericsson ciklust történetileg elõbb dugattyús géppel sikerült megcsinálni, csak jóval utána turbinával, és (kis szivattyúteljesítményt igénylõ) Rankine GozTurbina is elõbb volt, mint gázturbina. Szóba sem jöhet olyan megoldás, ahol a turbina nem tengellyel, hanem elektromos generátoron és motoron keresztül hajtja a kompresszort (legfeljebb mérési célra, ahol a karakterisztikák felvétele a cél).
Biomassza (faipari hulladék, esetleg szemét) példa: (a gáz útja). Áttenni: FaGázTurbina oldalra
- FaGázosító + szûrõ
- opcionális: gáz - víz hõcserélõvel a városi gázunkat (CO + H2 + CH4 + egyéb) lehûtjük a kompresszor elõtt: melléktermék hideg víz => langyos víz
- szûrt hideg levegõt keverünk hozzá a kívánt arányban (stoichometrikusnál szegényebb, 1.1 .. 2 lambda körül)
- 4. radiálkompresszor.
- 5. rekuperátor: elõmelegíti a gázáramot
- égéstér (flameholder): lyukas lemez vagy rács, ami a folyamatos égést fenntartja
- a gázáram itt a felmelegedés miatt azonos tömegáram mellett 3..4-szeres sebességre (térfogatáramra) gyorsul
- 8. turbina: jellemzõen a 4. kompresszorral közös tengelyen
- opcionális: áramfejlesztõ turbinája. Nem feltétlenül szükséges, ha az 8. turbina tengelye is hajt NagyFordulatuGenerator -t
- ha nincs újrafûtés, maximum 2..3 turbinát érdemes egymás után sorbakötve használni egy kompresszor áramában. Újrafûtéssel akár többet is. De radiálturbinákat legjobb párhuzamosan kötni (a kompresszor hatásfoka így jobb lesz).
- 5. rekuperátor: igen, az 5. hõcserélõ másik oldalán vagyunk
- gáz-víz hõcserélõ vízmelegítõ: melegvíz / forróvíz háztartási, fûtési vagy egyéb célra
- kémény
A velox kazán bizonyos szempontból jobb:
- nem kell a városi gázt lehûteni (a kompresszor a friss, hideg, szûrt levegõt fújja)
- nem kényes arra, ha nem redukálódik vissza a gáz
- az égéstér kialakítása egyszerûbb
A velox kazán hátránya a szilárd üzemanyag (szakaszos) adagolási nehézsége.
Naptükrös példa:
- radiálkompresszorral (esetleg acéllemezes TeslaTurbina -t légsûrítõnek használva) 400K-es He (hélium) -ot mozgatunk
- az axiálkompresszor sokkal kényesebb, pl. a lapáthézagra. Földi gázturbinába (ahol a hely, súly nem számít annyira, mint repülõgépen) radiálkompresszor javasolt. Kicsiben szóba se nagyon jön más.
- opcionális a turbina kimenete segítségével elõmelegítjük (rekuperáció)
- NapKollektor segítségével a He-ot feketére eloxált Cr -csövekben 1900 K körülire melegítjük
- a nagyobb sebességû gázt Cr -lemezes TeslaTurbina -ra vezetjük
- a He-ot visszahûtjük atmoszferikus (vagy kisnyomású) vizes hõcserélõvel, a hulladékhõt HoTarolas -al eltároljuk
Megjegyzések:
- Cr helyett W -ot is használhatunk, esetleg valamilyen hõálló acélt. Az 1900 K helyett az anyagok alapján választjuk meg az üzemi hõmérsékletet.
- ez a cikk a szilícium-nitrid-et isteníti ("silicon-nitride"), mint hõálló szerkezeti anyagot (én még nem is hallottam róla korábban)
- a Carnot körfolyamat elvi maximális hatásfoka megközelítheti a 80%-ot. A gyakorlatban persze már 50..60%-os hatásfok is nagyon jó lenne (az erõmûvekben, igaz jóval kisebb delta-T-vel, de 35..40% is jónak számít).
- He helyett H2 használata sem elképzelhetetlen. Olcsóbb pótolni, de lehet, hogy beépül a fémbe (a nikkelbe például biztosan), ami nemkívánatos. Ennek utána lehet nézni. Az természetes, hogyha a H2 kifúj valahol, akkor ott szúrólánggal kiolvaszt bármit. A 2g/mol -hoz képest nehezebb gázok rosszabb hõvezetõk. H2O (18g) N2 (28g) CO2 (44g) mindnek megvannak a hátrányai. Alighanem érdemes héliumot beszerezni (Linde árulja palackban ?). Levegõvel is lehet: a volker cikk 15 bar, 1100C-os gázturbinát említ, aminek hulladékhõje gõzturbinát hajt (50%-ot meghaladó hatásfok 35% helyett).
Gázturbina Turbo-ból - kompromisszumos megoldás, csak kis tartományban üzemképes, hangos, stb...
Tényleg így kell csinálni, de a 2.5kW mintha túl szép lenne - persze nem tudjuk, mekkora turbókat használt:
http://biodiesel.infopop.cc/eve/forums/a/tpc/f/869605551/m/751601202 Posted 14 May 2006 10:47 PM
To make power I used a second larger turbo and removed the compressor wheel... and placed it on the exhaust of the small turbo... I had a 2 pole magnet made of Samarium-cobalt and pushed it into an aluminum sleeve to keep it from shattering at high RPM... I mounted it on the shaft and ballanced the assembly... I used a stator from a small 110 volt motor wand secured to the housing... it made over 400 volts and turned over 150,000 RPM.. output was 2.5kW at arround 70K RPM... ball bearrings and a recuperator would have made a big improvement in efficiency...
If it was more fun everyone would be doing it! USA
KKK K28-as turbinája:
img src="http://vems.hu/files/MembersPage/MarcellGal/GasMotor/K28_Turbine_dsci2631_l.jpg"
Az osztott ház nem biztos, hogy optimális.
A Repülőgépek és Hajók Tanszék (KSK) -en van egy autó turbofeltöltőből épített (hangos) gázturbina. Mérésekre használják. Tudtommal sem munkaturbinával (pl. áramfejlesztésre) sem hővisszanyerővel nem rendelkezik. Ezeket szívesen megfinanszíroznánk. Növelnék a mérési lehetőségek számát. Beneda Károly (J épület 4. emelet 426. (doktoranduszszoba) az illetékes.
Lehet, hogy veszünk egy ilyet Nádudvarról a kísérletekhez.
ígéretesebb a gázturbinát megcsinálni porszívó kompresszorból és axiális turbinából, ami egyébként megfelel a Kurt Shreckling topológiának.
DIY a Gas-Turbine Engine From an Autornobile Turbocharger Rules of Thumb nagyon tanulságos olvasmány. Kicsit megnehezíti az olvasást, hogy a régi Mezõ-Föld-Tanya (Mezopotania) mértékegységeket használja.
Detonációs ciklusú gázturbina
Itt kompresszor helyett blower-t használnak, de nem folyamatos égést, hanem periodikus detonációt használnak. Nagyon szellemes megoldás.
A detonációs ciklusú gázturbina nem használható önmagában csak napkoncentrátorral, kell valami éghetõ anyag is, pl. FaGázosító révén. Ha az égés mellett naphõt is beviszünk, félig StirlingMotor, félig gázturbina öszvér megoldást kapunk.
- Nem tudom, hogyan viszonyul a nem-kevert megoldásokhoz, de gyanítom, hogy az öszvérnél jobb a AlacsonyNyomásviszonyúGázTurbina és GazGazHocserelo ha a CentrifugalKompresszor (vagy axiálfúvót) -t sikerül jól megcsinálni.
- ha viszont fagázzal (vagy egyéb éghetõ gázzal vagy folyadékkal) üzemeltetjük, a detonációs ciklusú gázturbina igen figyelemreméltó, a kompresszoros megoldásnál akár jobb is lehet, pláne kicsiben.
- Véleményeket, modelleket, veszteségek kb. számszerûsítését, becslését várjuk...
A Turbocombustion engine -t lehet csak napkoncentrátorral hajtani, éghetõ anyag nélkül, méghozzá igen nagy felület áll rendelkezésre a hõátadásra ! Ha zárt ciklusúra csináljuk, akkor a StirlingMotor egy variációjává válik.
Linkek
- http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals2/index_e.html
- "Pressurized Air Receiver Concept" a kézenfekvõ és logikus megoldás.
- mivel csak elektromos energiában gondolkodik: "The minimum size of parabolic trough and solar tower power plants is in the range of 10 MWe."
- Nekünk a HoTarolas miatt már 2MW hõteljesítménynél is megéri (akár elektromos energiatermelés nélkül is !!!), és minden Joule elektromos energia ajándék. 2MW hõteljesítménynél 1 MWe a max ha nagy hõmérsékletû gázturbinát, vagy gázturbinát és gõzturbinát is használunk. 10..100 kW pedig a praktikus legkisebb elektromos generátor-rendszer, ez inkább "prototípus" méret.
- Chrysler gázturbinás autó forgó regenerátorral
- http://www.ee.kth.se/php/modules/publications/reports/2001/IR-EE-EME_2001_008.pdf mikrogázturbinás NagyFordulatuGenerator ~70000 RPM
- 100 kWe (30% elektromos) + 167 kW (50% hõ, pl. melegvíz) + 20% kipufogó hõveszteség
- nagyon profi, majdnem pontosan megegyezik a cell által kitalált koncepcióval, beleértve a frekvenciaátalakítást és a felpörgetést is. Csak (eleinte legalábbis) TeslaTurbina -t használnék és axial-gap generátort.
- biomasszával / NapKollektor -ral hajtott TeslaTurbina nyerõ termék lesz. Szerintem a 40-100kWe a legjobb piac
- gáz vagy GozTurbina esetleg gáz ÉS gõzturbina.
- Át kell gondolni, hogy az egyszerû "Recuperator" amit a svédek használnak megközelíti-e a gáz ÉS gõzturbina hatásfokát.
- ezeket össze kell vetni a legegyszerûbb megoldással, ami GozTurbina (mert ugyebár ott a kompresszor elmarad, helyette csak egy kis tápszivattyú van). A kimeneti fáradtgõz ellenáramú hõcserélõvel melegítheti a szivattyú után a vizet (= "economizer" + esetleg a boiler ? annyi energia biztos nem marad a fáradtgõzben, hogy a teljes mennyiség felforralásához elég legyen), a gõz túlhevítéséhez (=superheater) nyilvánvalóan mindenképpen energiát kell táplálni.
