Účinnost plynové turbíny: 5 zajímavých faktů, které byste měli vědět

• Vzorec účinnosti plynové turbíny
• Křivka účinnosti plynové turbíny
• Účinnost plynové turbíny na vodík
• Jak vypočítat účinnost plynové turbíny
• Účinnost plynové turbíny v otevřeném cyklu
• Cvičné otázky

Vzorec účinnosti plynové turbíny

Turbíny jsou stroje, které využívají kinetickou energii jakékoli tekutiny a pomáhají ji přeměnit na jinou formu energie (většinou elektrickou).

Turbíny, které používají plyn jako pracovní tekutinu, se nazývají plynové turbíny. Plynové turbíny normálně fungují Braytonův cyklus k dosažení požadovaného výkonu.

Pro ideální Braytonův cyklus (znázorněný na obrázku níže) se účinnost vypočítá jako-

Kde, h představuje entalpie a dolní index představují stav v Braytonově cyklu.

Účinnost turbíny je dána-

Kde,
Dolní index s označuje skutečný stav.

Křivka účinnosti plynové turbíny

Cyklus plynové turbíny účinnost roste exponenciálně až do dosažení optimální hodnoty tlakového poměru, poté již nedochází k výrazné změně účinnosti. Faktory, na kterých se účinnost plynové turbíny závisí na vstupní teplotě, tlakovém poměru a měrném tepelném poměru pracovní tekutiny.

Křivka účinnosti plynové turbíny naopak roste pomalu. S vyšší vstupní teplotou se účinnost plynové turbíny zvyšuje. Níže uvedený graf ukazuje vztah mezi vstupní teplotou a účinností turbíny-

Účinnost plynové turbíny na vodík

Potřeba vodíkové turbíny vzniká kvůli obavám o životní prostředí. Vodík jako palivo je velmi šetrný k životnímu prostředí. Tyto turbíny snižují emise CO2.

Vodík se mísí s pracovní tekutinou a tato kombinace směsi vodíku a paliva poskytuje lepší účinnost než použití samotného paliva. Použití vodíku ve velkém množství je problém kvůli jeho skladování. Vlády a soukromé společnosti hledají cestu k bezpečnější přepravě a skladování vodíkového paliva.

Jak vypočítat účinnost plynové turbíny

Mechanické ztráty vedou k určitému poklesu výkonu strojů. Podle druhého termodynamického zákona nemůže žádný stroj poskytnout 100% účinnost.

Účinnost plynových turbín lze vypočítat pomocí následujících kroků-

1. Vypočítejte entalpii ve všech bodech cyklu plynové turbíny.
2. Vypočítejte skutečně vykonanou práci turbína pomocí vzorce -
   
   Odvedená práce = h4-h3
   
3. Vypočítejte skutečné práce turbíny s využitím skutečných hodnot entalpie po mechanických ztrátách.
4. Vypočítejte účinnost pomocí vztahu-

Účinnost plynové turbíny v otevřeném cyklu

Otevřený cyklus je cyklus, ve kterém se pracovní tekutina nevrací do původních podmínek. Spíše je odhozeno do umyvadla. Vzorec účinnosti těchto cyklů se nemění, ale hodnoty se mění v důsledku změny hodnoty proměnných, kterými jsou teplota a tlaky.

Příklad otevřeného cyklu plynové turbíny je uveden níže-

Cvičné otázky

Co ovlivňuje účinnost plynové turbíny?

Účinnost plynové turbíny závisí především na třech faktorech-

• Vstupní teplota-
  Zvýšení vstupní teploty turbíny zvyšuje její účinnost. Kromě toho snížení teploty jímky také zvyšuje účinnost plynových turbín, ale může být sníženo pouze na okolní podmínky, takže nemá na účinnost velký vliv.
• Poměr tlaku-
  Poměr tlaku P2/P1 je důležitou charakteristikou, která ovlivňuje účinnost plynové turbíny.
• Specifický poměr tepla-
  Poměr specifického tepla pro ideální plyny je kolem 1.4, skutečné plyny mají hodnoty kolem 1.2-1.3. Dobrá pracovní tekutina by měla mít hodnotu specifického tepelného poměru blíže isentropické hodnotě, která je 1.4.
  

Proč mají plynové turbíny nízkou účinnost?

Plynové turbíny pracují na konstantních objemových cyklech. Vzhledem k tomu, že plyny mají nižší hustotu, potřebují ke stlačení více práce, a tím se zvyšuje práce s kompresorem.

Vzorec pro účinnost je uveden jako účinnost = odvedená práce/přidané teplo

Jak se zvyšuje práce odvedená kompresorem, klesá odvedená práce, takže klesá celková účinnost. Účinnost plynových turbín lze zvýšit řadou způsobů. Nejběžnějšími způsoby zlepšování účinnosti plynových turbín jsou regenerativní chlazení, mezichladění, dohřívání.

Jak zvýšit účinnost plynové turbíny?

Existuje řada způsobů, kterými lze zvýšit účinnost plynové turbíny. Faktory, které přímo ovlivňují účinnost, jsou teplota, tlakový poměr a specifický poměr. Změna těchto hodnot může přímo ovlivnit účinnost.

 Mezi způsoby, které jsou navrženy ke zvýšení účinnosti, patří tedy změna těchto hodnot. Různé metody používané ke zvýšení účinnosti plynových turbín jsou-

• Regenerace-
  
  Při této metodě se výfukové plyny používají k ohřevu pracovní tekutiny v bodě 2. Výsledkem je snížení teploty výfukových plynů a zvýšení účinnosti. Schéma cyklu regenerační plynové turbíny a vzorce účinnosti je uvedeno níže-
  

• Mezichlazení-
  V této metodě je práce kompresoru snížena stlačením vzduchu ve dvou fázích. Před přechodem do druhého kompresoru se vzduch ochladí. Toto ochlazování vzduchu mezi dvěma stupni se nazývá mezichladění. Snížení práce kompresoru je přímo spojeno se zvýšením účinnosti.
• Ohřev-
  V této metodě se místo jedné používají dvě turbíny. Jedna turbína slouží k výrobě práce a další turbína pohání kompresor. V tomto procesu se přidává více tepla. Kvůli poklesu práce kompresoru a vysoké vstupní teplotě se zvyšuje účinnost. Schéma cyklu zahřívání plynové turbíny je uvedeno níže-
  

• Kombinovaný ohřev, mezichladění a regenerace-
  V této metodě jsou všechny tři metody kombinovány. Náklady na nastavení se mohou zvýšit, ale celková účinnost se zvyšuje kombinací výše uvedených tří metod.

Účinnost cyklu kombinované plynové turbíny

Cyklus kombinované plynové turbíny využívá více plynových turbín pracujících v tandemu k zajištění vyššího výkonu.

Výfuk z jednoho cyklu plynové turbíny je stále dostatečně horký, aby mohl spustit další cyklus. Obvykle a výměník tepla se používá mezi výfukem prvního motoru a vstupem druhého motoru, aby se používaly různé pracovní kapaliny. Výkon druhého cyklu je menší než u prvního cyklu, ale celková účinnost kombinovaného cyklu plynové turbíny se zvyšuje.

První cyklus se nazývá cyklus doplňování a přináší vyšší účinnost. Následující cyklus se nazývá spodní cyklus a může mít jiné palivo (v závislosti na teplotě výfukových plynů prvního cyklu) a produkuje menší účinnost než první. Celkově může kombinovaný cyklus přinést o 50% vyšší účinnost.

Vzorec pro výpočet celkové účinnosti cyklu kombinované plynové turbíny je uveden níže