Thermodynamica van gasturbines

AOT Module 2

Brayton/Joule kringloopin het pV diagram.(Verliesvrije situatie)

Brayton/Joule kringloop(pV diagram):

• 1-2:– Compressie door meertrapscompressor (adiabaat)

• 2-3:– Verstoken van brandstof bij gelijkblijvende druk

(isobaar).• 3-4:

– Expansie van hete gassen in de turbine (adiabaat).

• 4-1:– Afvoer gassen naar atmosfeer, open cyclus, dus

geen verbinding 4-1 (gestippelde isobaar).

Theoretisch adiabatisch comprimeren / expanderen:

• Tijdens compressie wordt geen warmte uit de omgeving afgevoerd of toegevoerd.

– Hoge snelheid van comprimeren.– Er wordt geen rekening gehouden met wrijving tussen

moleculen onderling en botsingen met schoepen en wanden in compressor en vermogensdeel (turbine).

Verbranding / afvoer gassen volgens de isobaar:

• Tijdens verbranding wordt in een verliesvrije situatie geen rekening gehouden met drukval over verbrandingskamer.

• Tijdens afvoer afgassen wordt geen rekening gehouden met uitlaatdrukverlies.

De werkelijke situatie in het pV-diagram (met verliezen).

Toelichting verliezen:1-2:

• Aanzuigen van lucht lager dan atmosferisch.• Werkelijke adiabatische compressie veroorzaakt door

wrijving “lucht”- moleculen onderling en botsingen met schoepen en wanden.

• (compressorrendement ongeveer 80%).

2-3:• Lucht komt onder hoge druk in de liners.• Door weerstand drukverlaging.

3-4:• Expansie van hete gassen niet verliesvrij, door wrijving

“gas”- moleculen onderling en botsingen met schoepen en wanden.

• (turbinerendement ongeveer 90%).

4-1:• Uitlaatdrukverlies, veroorzaakt door uitlaatsectie en/of

uitlaatgassen (ongeveer 15 mbar maximaal).

Vereenvoudigen van het arbeidproces bij berekeningen:

• We veronderstellen het volgende:

– Er wordt zuivere lucht aangezogen.– Het arbeidsmedium verandert tijdens de cyclus niet

van samenstelling, een ideaal gas.– De compressor- en turbinerendementen veranderen

niet bij wisselende belastingen.– Drukverliezen in de aanzuigleiding, liner, en

uitlaatsectie worden verwaarloosd.– Mechanisch verliezen worden verwaarloosd (bij grote

gasturbines erg laag)

Verloop isothermen in het pV- diagram:

pV- diagram voor berekeningen:

Nadere uitleg pV- diagram:• Q1: Toegevoerde energie uit brandstof.• Q2: Afgevoerde energie via de uitlaat.

• Het omsloten oppervlak 1-2-3-4 geeft het verschil tussen turbinearbeid en compressorarbeid, dus de nuttig geleverde energie aan de as.

• Specifiek volume op de horizontale as, dus bepaling specifieke arbeid, dwz. per kg doorstromend medium.

Ts diagram:

hs diagram:

Isentrope compressor en turbinerendement.

• In verliesvrije situatie:– Isentrope compressie en expansie.

• In praktische situatie:– Compressie en expansie volgens de polytroop.

• Het isentrope compressor- en turbinerendement geeft de afwijking aan tussen de isentrope en polytrope toestandsverandering.

Compressorarbeid / (isentrope) rendement:

• De (werkelijk benodigde) compressorarbeid per kg lucht:

• Het isentrope compressor-rendement:

Turbinearbeid / (isentrope) turbine rendement:

• De (werkelijk geleverde) turbine-arbeid per kg stromend gas:

• Het isentrope turbine-rendement:

Energie in de brandstof (Q1):

• De hoeveelheid energie met brandstof:

Gasturbinevermogen:

Gaswetten voor een ideaal gas:– De wet van Boyle- Gay Lussac:

– De wet van Poisson (adiabatisch):

– K (kappa) is de adiabatische exponent en geeft de verhouding van de soortelijke warmte bij constante druk en constant volume.

Relatie temperatuur en drukverhouding:

• Substitutie van de gaswetten geeft:

Werkelijk thermisch rendement:

OF

Werkelijk thermisch rendement:

• Aanname:– Dat er geen verliezen optreden in compressor- en turbinedeel.– Soortelijke warmte lucht en afgassen gelijk.– De drukverhouding compressor- en turbine is gelijk.

• Relatie thermisch rendement en drukverhouding:

Invloed omgevingscondities op de gasturbine:

• Gasturbine prestatiegrafieken.

– Prestaties worden opgegeven bij standaardcondities (ISO- standaard).

• Omgevingsdruk 1013 mbar.• Omgevingstemperatuur 15 °C.

• Grafieken voor opgegeven voor veranderende omgevingstemperatuur en omgevingsdruk.

Invloed temperatuur T1:

– Indien de omgevingstemperatuur daalt zal de eindcompressie temperatuur evenredig dalen (Poisson).

– Indien T1 en T2 beide dalen neemt de drukverhouding toe (getallenvoorbeeld).

– Een grotere drukverhouding doet rendement, specifieke arbeid en massastroom verhogen.

– Verhogen van 3 genoemde factoren doet totaal vermogen van de gasturbine stijgen.

Invloed omgevingsdruk p1:

– Een dalende omgevingsdruk heeft geen invloed op de drukverhouding.

– Dus de temperatuursverhouding over de compressor blijft ook gelijk.

– Dus gasturbine rendement en specifieke arbeid veranderd niet.

– Echter door lagere omgevingsdruk, wordt dichtheid lucht kleiner en zal de massastroom lucht afnemen.

– Gevolg het totaalvermogen van de gasturbine neemt af.

– Vice Versa!!

Gasturbine berekeningsprogramma:

• Thomassen!!!

Prestatiecurve drukinvloeden omgeving.

Prestatiecurve temperatuurs-invloeden omgeving.

Regenerator (recuperator).

Regenerator (recuperator).

Thermisch rendement gasturbine met regenerator.

Rendement regenerator:

Tussenkoeling:

Tussenkoeling:

Herverhitting:

Herverhitting:

SAP