Ericsson / Brayton ciklusú GázTurbina, ami napraforgószárral, szalmával, faipari hulladékkal (akár előzetes szárítás nélkül), lombnyesedékkel megy: FaGázosító -val összeházasítás révén.
Rengeteg elõnye van az Otto motoros megoldáshoz képest
- az elérhetõ égéshõ kb. 90% jut el hasznos helyre, nem csak 70-80% (az Otto esetében vissza kell hûteni a gázt a komprimálás elõtt, ez nagyrészt elvesztett hõ: bár kisrészét GazGazHocserelo-vel vissza tudjuk nyerni: elomelegiti az égés elõtt a levegõt)
- a Brayton hőerőgép hatásfoka 30-60% az Otto motor 20-25%-val szemben. Lásd TermoDinamikaiKorfolyamatok
- vagyis a Braytonnál kb. 0.9 * 0.5 = 45% tengelyteljesítmény (az üzemanyag elérhetõ égéshõjéhez képest) Otto-nál 0.8*0.25=20% - számottevõ különbség. Nyáron a Brayton messze jobb. (télen értékesebb a hulladékhõ, mint nyáron, persze az áram akkor is jobb, mint a hõ)
- magasabb fajlagos teljesítmény (a Brayton javára)
- a Brayton szélesebb lambda tartományt tolerál: 1.1 - 1.7 az Otto 0.7-1.1 szemben. Könnyebb a szabályzás. A tranziensekre érzéketlenebb lehet.
- a Brayton kevésbé érzékeny a tökéletlen visszaredukálásra. Ha nem az égéstérben ég el a szekunderlevegõ hatására, hanem már elõbb, akkor is hozzájárul a folyamathoz (akár teljesen egy térben is lehet az elgázosítás és az égéstér, ez a Velox kazán. Lásd "NT6 wood burning turbine". Az Ottónál csak a szívószelep zárása után (vagy még inkább a felsõ holtpont után) felszabaduló kémiai energia számít.
- a magasabb frekvenciájú (akusztikus) zaj jobban árnyékolható
- a magasabb fordulatszám kisebb NagyFordulatuGenerator -t enged, a fajlagos teljesítményt és a költségeket tovább javítva
- ez hátrány is lehet, ha pl. kerék vagy malom hajtására alacsony fordulatszám a kívánatos. A hajtómû RPMin=30000 / perc mellett nem éppen triviális (gyakran bolygómû. Tribológiai kihívás ilyen fordulatszám mellett a tartósság).
A (magában alkalmazott, nem kombinált) rankine ciklushoz képest is sok az előnye:
- a rengeteg tápvízkezelési bizbasz helyett itt egy egyszerű légszűrő és radiálkompresszor van.
- még radiálkompresszorral is (ami több energiát eszik, mint a víz tápszivattyú) a hatásfok magasabb a gőzturbinánál, pláne hővisszanyerővel (35% helyett akár 50-60%).
- a radiálkompresszor elhagyható! Vagy detonációs ciklussal, vagy pedig a BWG fagáz eljárással: a forró kokszágyra felváltva alulról levegőt (exoterm) ill. felülről vízpermetet (endoterm) fúvunk. Utóbbi fázisban akár nagynyomású magas kalóriaértékű (H2-ben gazdag) gázt kapunk: előbb hagyományos turbinán expandáltatjuk majd üzemanyagcellában elégetjük (halk). Vagy levegőt keverünk hozzá és detonációs ciklusú turbinán expandáltatjuk (hangos).
- a nyomás az egész rendszerben nagyon barátságosan alacsony, 1-1.6 bar (atmoszféra felett).
Fagáz - Brayton elemei
- légszûrõ
- kompresszor. Javasolt viszonylag alacsony, 2-2.6 nyomásviszony.
- opcionális: hõvisszanyerõ GazGazHocserelo
- a kísérletekhez nem kell. Jól becsülhetõ, hogy mennyivel csökkenti a fogyasztást / javítja a hatásfokot (milyen költség mellett). A rendszer egyéb paramétereire minimális hatással van (a nyomáseséspersze számít)
- elágazás (folytószelep nélkül):
- a légáram egy része megy a fagázfejlesztõbe. "primer levegõ"
- a "bypass" része megy az égéstérbe. "szekunder levegõ"
- fagáz tûzcsõ
- keverés és ÉgésTér. Tulajdonképpen lehet egy térben a fagázgenerálással ("Velox kazán"), ezáltal jobban égve marad. A szekunder levegõ bevezetési helye és a lángtartó dönti el, hol van ez a téren belül.
- elágazás (pl. folytószeleppel ! Azért ide kerül (nem a korábbi elágazásba), hogy gyorsabb legyen a reakciója).
- turbina - a generátor hajtására
- turbina2 - a kompresszor hajtására. Párhuzamos a másik turbinával
- nem soros ! A soros kapcsoláshoz magasabb nyomásviszony és ezáltal rosszabb hatásfok tartozik
A turbinákat külön kell mérni. A kompresszort is (a kompresszoroknak elég jó "compressor map"-jei vannak általában). Csak akkor lehet összeintegrálni, ha a turbina viselkedését mérések alapján ismerjük.
Kémiai reakció - a gázmolekulák számának növekedése
A hozzávetõleges (a molekulák számának becsléséhez használt) kémiai reakció: 2 H2 + CO + 1.5 O2 = CO2 + 2 H2O (4g+28g + 48g =44g+2*18g)
Természetesen a valóságban ennél bonyolultabb, de a lényeget ez is jól közelíti. Pontosabb képlet CyHx-re a fossile fuel power plant oldalon Már majdnem örülünk, hogy
- csak 1.5 molekula (300K-es O2-t) kell bejuttatni
- a szilárd ill. folyadék üzemanyag térfogata hasonló tömegû gázéhoz képest aránytalanul kicsi, lényegében elhanyagolható
- ha a CO oxigénje nem a szilárd/folyékony üzemanyagból származik, hanem a beszívott levegõbõl (a valóságban részben innen, részben onnan), akkor 2=>3
- és cserébe kapunk 3 molekula (1 széndioxid és 2 víz) akár 1500K-es égésterméket (1900-2000C az elméleti maximum, de ezt nem tudnánk elérni, és nem is nagyon akarjuk).
- Ez imádnivaló dolog volna (kis kompresszorteljesítmény a nagy turbinateljesítményhez képest).
- Sajnos megvalósítási okokból (friss levegõt a légkörbõl szívunk) az oxigén mellé 4x annyi (pontosabban 3.76x ?) nitrogénmolekulát kell cipelnünk, vagyis 7.5 => 9 molekula az arány. Azért ez is segíthet valamicskét (nem csak a T miatt növekszik a V), azaz 1.5 / 7.5 = 1/5 (20%). 1.0 lambda felett még kisebb a nyereség
- 1.2 lambda esetén 20%/1.2= 16.7% ( 7.5 * 1.2 => 7.5 * 1.2 + 1.5 ) bár ilyet nem szokás csinálni, mert leolvad a turbina. A felesleges (káros) hõt vagy légfelesleggel vonjuk el, vagy pl. gõz túlhevítésére használjuk (ez utóbbi lehet, hogy nem túl praktikus ? Ha a kompresszort ez a kiegészítõ gõzturbina hajtaná, az mind a turbina beindítására mind a szabályzására jó lehetõségeket adna).
- 1.7 lambda esetén 20%/1.7= 11.8% ( 7.5 * 1.7 => 7.5 * 1.7 + 1.5 )
- az üzemanyag jellegétõl persze függ a dolog. Folyékony bután vagy propán-bután üzemanyag (viszonylag sok a hidrogén, amihez kevesebb oxigénmolekula kell, mint a szénhez. Igaz, ebben meg nincs oxigén) esetén talán jobb is lehetne az arány, az alkohol és a cellulóz tartalmaz oxigént is ami szintén segít. Szén esetén valszeg kicsit rosszabb.
- a lényeg, hogy kb. 10% molekulaszám-növekedéssel nyugodtan számolhatunk. Nem kell félni Carnot bácsitól - itt sem érvényes (ha kémiai reakció van vagy halmazállapoitváltozás, akkor nem érvényes - mint ahogy a gyakorlatban általában nem).
wikipedia combustor: No slightly lean mixtures are used because they would produce the hottest exhaust and large number of NOx molecules.
Turbina védelme
CyHx (pl. kerozin) levegõben égetésekor 1900C körül van az elméleti maximum, fagáznál 2000C körül. Ez a turbinát tönkretenné (a wolfram nem túl jó szerkezeti anyag, jelenlegi csekély tudásunk mellett). A gázhõmérséklet kordában tartására több módszert vegyünk számításba:
- légfelesleg. Lambda > 2.0 felhigítja a gázokat. A leggagyibb, egyúttal a leggyakrabban használt eljárás. A turbinateljesítmény szempontjából elõnytelen, hogy a gázmolekulák száma emiatt nem +16%-al, hanem csak +10%-al növekszik.
- kombinált ciklussal a rankine túlhevítõje hûti az égésterünket (a turbina kimeneti hulladékhõje már elõmelegítette a vizet és felforralta).
- MHD_generator Inkább széntüzelésnél jön szóba, de hiba lenne kifelejteni a lehetőségek közül
- Vízbejuttatás. Ez nemhogy rontaná a gázmolekulaszám-növekedést (mint a légfelesleg), hanem javítja !
- Vízbefecskendezés
- vagy nedves üzemanyag. Akár 50% víztartalmú lombnyesedék. Mire az üzemanyag az égéstérbe jut, kis gázkeringtetéssel már kiszárítottuk, és részben elgázosítottuk.
Javaslatom 1000kW brayton mellé 100..200kW rankine ciklusú turbina. A brayton aligha tud 10-20%-on üzemelni (gazdaságosan meg pláne nem), ilyenkor a rankine kiváló. Meg persze a csúcsteljesítmény és a névleges teljesítmény esetén realizált hatásfok szempontjából is elõnyös. Hogy a kompresszort az egyik gázturbina hajtsa (a két párhuzamosan kapcsolt közül), vagy inkább a gõzturbina, az jó kérdés. Az indítás és a közepes teljesítményû üzem szempontjából inkább a gõzturbina.
Üzemanyag nedvességtartalma => gázhõmérséklet (becslés)
Kérdés: ha a fagáz 1900C kimeneti hõmérséklettel ég (1.0-ás lambdával, az eredeti száraz fa-üzemanyagra vonatkoztatott 14MJ/kg égéshõ esetén), mekkora a hõmérséklet 20% ill. 40%-os fagázturbina üzemanyag víztartalom mellett ?
adatok:
- víz c=4.2kJ/kg/K (mondjuk forrásig deltaT=80C -vel számolunk: 336 kJ/kg)
- víz forráshõ=2258 kJ/kg
- gõz c=2.1kJ/kg/K (az esetünkben érdekes 100-300kPa nyomáson). Valójában hajszállal 2 alatt cp=1.996 kJ/kg/K
- CO2 c=2.1 * 44 / 18 = 5.1 kJ/kg/K a gõz fajhõjébõl becsülve a moláris tömegek alapján (pontosabb adatokat keresni ?)
- CO2 + 2 H2O égéstermék tömege = 44 + 2*18 = 80g
- fajhõje: (5.1 * 44 + 2.1 * 2*18 ) / 80 = 3.75 kJ/kg/K
- ez a mikroturbinás oldal 1148kJ/kg/K-t ad az égéstermékre és 1005 kJ/kg/K-t a levegőre. J-ban esetleg lehetne jó (kJ helyett) de az is gyanús
60% szárazanyagtartalom + 40% víztartalom esetén (amit pl. 120C-os hevítés után mutatkozó tömegcsökkenéssel mérhetünk) nemcsak a plusz vizet kell felforralnia és túlhevítenie, hanem természetesen az üzemanyagból is több kell.
mondjuk (a szép kerek számok kedvéért)
- 1.5kg szárazanyag (=21MJ)
- + tömegben 48/32 -szor annyi O2 = 3.75kg égéstermék (jó sok, mi?)
- + 1kg víz: már a felforralása 336+2258 kJ/kg (mire a 20C-os víz eléri a 100.001C-ot), ami (336+2258) / 3.75 = 692 kJ/kg az égéstermék 1 kg-jára vetítve 1900C-ról 184C-al, azaz 1716C-re hûtené le a gázt, de akkor még a 100C és az 1716C között interpolálhatunk
- a mennyiségek és fajhõk miatt 3.75kg*3.75kJ/kg/K : 1kg * 2.1kJ/kg/K azaz 14 : 2.1 arányban, vagyis (14*1716 + 2.1*100)/(14+2.1) = 1505 C
Még ez is roppant magas hõmérséklet.
20% víztartalom esetén interpoláció alapján kb 1702 C lehet a maximális kimeneti hõmérséklet.
Várhatóan 0-40% víztartalom esetén 10% víztartalom (legalább) 100C-vel csökkenti a kimeneti hõmérsékletet, persze ez 40% felett nyilván nem lesz igaz (90-100% között meg pláne nem ;-)
Lambda
AlacsonyNyomásviszonyúGázTurbina nyomásviszonyára van egy gyakorlati alsó korlát (nap ill. atomerõmûnél zárt ciklusú turbinánál ez nincs).
Példával lehet jól illusztrálni:
- 3600 m3/h = 1 m3/sec levegõ (primer + szekunder) kb. 1 kg/sec
- v=50m/s esetén 1m3/sec ID=160 mm-nek felel meg (a hasonló légáramú turbók pl. K24 - K28 kompresszorának csõátmérõje pofátlanul alacsony, 50-60mm. A turbina pláne)
- fa üzemanyag kb 0.1 kg/sec=360kg / h ami tapasztalat szerint kb. 360 Le
- 10MJ/kg, 1 MJ / sec = 1 MWth ami a tengelyen kb 250 kW (Otto) ill. 300..500 kW (Brayton..Ericsson gázturbina) esetén
- viszont 1+3m3 / sec égéstermék esetén ehhez legalább 100..166 kPa nyomásesés (deltap) szükséges a turbinán
- a 300K-es levegõhöz képest 3.7 * 300K = 1110K-es (=837C) gázt még a saválló TeslaTurbina szereti, nem kell hozzá nagyon különleges anyag. Azért elég 3.7 x-es hõmérséklet, mert a gázmolekulák száma is növekszik (lásd "reakció" fejezet) legalább 10%-al (3.7 * 1.1= 4.07), már meg is van a 4-szeres térfogatáramunk.
Más szóval 2 .. 2.6 nyomásviszony praktikus érték.
Hasonló Brayton turbina zárt ciklusúvá alakítható NapKollektor ill. FolyékonyFluorideSóolvadékosThoriumReaktor vagy egyéb külsõégésû rendszer esetén, mert ha nem kell friss levegõ, akkor magasabb indulási nyomással lehet tervezni. Javasolt nyomásviszony: 1.2 - 1.6 (maximum 2).
Ha nagyon nem számít a súly és a költség, csak a hatásfok, akkor érdemes lehet a kimeneti hõvisszanyerõ mellett a bemenetre is GazGazHocserelo-t tenni, ezáltal külsõégésûvé és szuper-alacsony nyomásviszonyúvá tenni a rendszert (a kezdeti nyomás megemelésével). A rekordkísérletet kivéve nem látom ennek a gyakorlati alkalmazását. Talán még magasabb energiaárak és olcsóbb (nanotechnológiás ?) hõcserélõk mellett ez mindennapossá válhat.
Hivatkozások
- wood burning turbine (99900 találat google-on)
- proepower
- nem csak turbinával, hanem dugattyúkkal is meg lehet csinálni (persze a turbina magasabb fajlagos teljesítményt ad)