Απόδοση αεριοστροβίλου: Πλήρεις πληροφορίες και συχνές ερωτήσεις

Τύπος απόδοσης αεριοστροβίλων

Οι στρόβιλοι είναι μηχανές που αξιοποιούν την κινητική ενέργεια οποιουδήποτε ρευστού και βοηθούν στη μετατροπή του σε άλλη μορφή ενέργειας (κυρίως ηλεκτρική).

Οι στρόβιλοι που χρησιμοποιούν αέριο ως ρευστό εργασίας ονομάζονται αεριοστρόβιλοι. Οι αεριοστροβίλοι λειτουργούν κανονικά Κύκλος Brayton για την επίτευξη της επιθυμητής παραγωγής.

Για έναν ιδανικό κύκλο Brayton (φαίνεται στο παρακάτω σχήμα), η απόδοση υπολογίζεται ως-

Εικόνα: Κύκλος αεριοστρόβιλου (η διαδικασία 3-4 (ες) αντιπροσωπεύει τον στρόβιλο)

Όπου, το h αντιπροσωπεύει την ενθαλπία και το subscript αντιπροσωπεύει την κατάσταση στον κύκλο του Brayton.

Η απόδοση του στροβίλου δίνεται από

Που,
Το Subscript s υποδηλώνει την πραγματική κατάσταση.

Καμπύλη απόδοσης αεριοστροβίλου

Η απόδοση του κύκλου αεριοστροβίλων αυξάνεται εκθετικά μέχρι να επιτευχθεί η βέλτιστη τιμή του λόγου πίεσης, μετά από αυτό δεν υπάρχει σημαντική αλλαγή στην απόδοση. Οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η απόδοση του αεριοστροβίλου είναι η θερμοκρασία εισόδου, ο λόγος πίεσης και ο ειδικός λόγος θερμότητας του ρευστού εργασίας.

Η καμπύλη απόδοσης αεριοστροβίλων από την άλλη αυξάνεται αργά. Με υψηλότερη θερμοκρασία εισόδου, η απόδοση των αεριοστροβίλων αυξάνεται. Το παρακάτω γράφημα δείχνει τη σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας εισόδου και της απόδοσης του στροβίλου

Εικόνα: Απόδοση αεριοστροβίλου Vs Θερμοκρασία εισόδου

Απόδοση αεριοστροβίλων υδρογόνου

Η ανάγκη για στρόβιλο Υδρογόνου προκύπτει λόγω περιβαλλοντικών ανησυχιών. Το υδρογόνο ως καύσιμο είναι πολύ φιλικό προς το περιβάλλον. Αυτοί οι στρόβιλοι μειώνουν τις εκπομπές CO2.

Το υδρογόνο αναμιγνύεται με το υγρό εργασίας και αυτός ο συνδυασμός μείγματος υδρογόνου-καυσίμου δίνει καλύτερη απόδοση από τη χρήση καυσίμου μόνο. Η χρήση υδρογόνου σε μεγάλες ποσότητες αποτελεί πρόβλημα λόγω της αποθήκευσής του. Οι κυβερνήσεις και οι ιδιωτικές εταιρείες εργάζονται για μια ασφαλέστερη μεταφορά και αποθήκευση καυσίμων υδρογόνου.

Πώς να υπολογίσετε την απόδοση των αεριοστροβίλων

Οι μηχανικές απώλειες οδηγούν σε ορισμένη πτώση της απόδοσης των μηχανών. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, καμία μηχανή δεν μπορεί να δώσει 100% απόδοση.

Η απόδοση των αεριοστροβίλων μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τα ακόλουθα βήματα-

  1. Υπολογίστε την ενθαλπία σε όλα τα σημεία του κύκλου των αεριοστροβίλων.
  2. Υπολογίστε την πραγματική εργασία που εκτελεί ο στρόβιλος χρησιμοποιώντας τον τύπο-

    Εργασία που έγινε = h4-h3
  3. Υπολογίστε την πραγματική εργασία που εκτελεί ο στρόβιλος χρησιμοποιώντας τις πραγματικές τιμές ενθαλπίας μετά από μηχανικές απώλειες.
  4. Υπολογίστε την αποδοτικότητα χρησιμοποιώντας τη σχέση-

Απόδοση αεριοστρόβιλου ανοικτού κύκλου

Ο ανοικτός κύκλος είναι ένας κύκλος στον οποίο το υγρό εργασίας δεν επαναφέρεται στις αρχικές του συνθήκες. Μάλλον, απορρίπτεται σε νεροχύτη. Ο τύπος αποδοτικότητας τέτοιων κύκλων δεν αλλάζει αλλά οι τιμές αλλάζουν λόγω αλλαγής της τιμής των μεταβλητών που είναι η θερμοκρασία και οι πιέσεις.

Ένα παράδειγμα ανοικτού κύκλου αεριοστροβίλων φαίνεται παρακάτω-

Εικόνα: Αεριοστρόβιλος ανοικτού κύκλου

Εξασκηθείτε σε ερωτήσεις

Τι επηρεάζει την απόδοση των αεριοστροβίλων;

Η απόδοση των αεριοστροβίλων εξαρτάται κυρίως από τρεις παράγοντες-

  • Θερμοκρασία εισόδου-
    Η αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου του στροβίλου αυξάνει την αποδοτικότητά του. Προσθέτοντας σε αυτό, η μείωση της θερμοκρασίας του νεροχύτη αυξάνει επίσης την απόδοση των αεριοστροβίλων, αλλά μπορεί να μειωθεί σε συνθήκες περιβάλλοντος μόνο έτσι ώστε να μην επηρεάζει σημαντικά την απόδοση.
  • Αναλογία πίεσης-
    Ο λόγος πίεσης P2/P1 είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που επηρεάζει την απόδοση των αεριοστροβίλων.
  • Ειδική αναλογία θερμότητας-
    Ο ειδικός λόγος θερμότητας για ιδανικά αέρια είναι περίπου 1.4, τα πραγματικά αέρια έχουν τιμές περίπου 1.2-1.3. Ένα καλό ρευστό εργασίας πρέπει να έχει συγκεκριμένη τιμή αναλογίας θερμότητας πιο κοντά στην ισεντροπική τιμή που είναι 1.4.

Γιατί οι αεριοστρόβιλοι έχουν χαμηλή απόδοση;

Οι αεριοστρόβιλοι λειτουργούν σε κύκλους σταθερού όγκου. Καθώς τα αέρια έχουν χαμηλότερη πυκνότητα, χρειάζονται επιπλέον εργασία για να συμπιεστούν, αυξάνοντας έτσι την εργασία του συμπιεστή.

Ο τύπος για την αποδοτικότητα δίνεται ως απόδοση = εργασία που έχει γίνει/προστέθηκε θερμότητα

Καθώς η εργασία που εκτελείται από τον συμπιεστή αυξάνεται, η καθαρή εργασία που γίνεται μειώνεται, οπότε η συνολική απόδοση μειώνεται. Η απόδοση των αεριοστροβίλων μπορεί να αυξηθεί με πολλούς τρόπους. Οι πιο συνηθισμένοι τρόποι βελτίωσης της αποτελεσματικότητας των αεριοστροβίλων είναι η αναγεννητική ψύξη, η ενδοψύξη, η αναθέρμανση.

Πώς να αυξήσετε την απόδοση του αεριοστροβίλου;

Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους μπορεί να αυξηθεί η απόδοση ενός αεριοστροβίλου. Οι παράγοντες που επηρεάζουν άμεσα την απόδοση είναι η θερμοκρασία, ο λόγος πίεσης και ο ειδικός λόγος. Η αλλαγή αυτών των τιμών μπορεί να επηρεάσει άμεσα την αποδοτικότητα.

 Ως εκ τούτου, οι τρόποι που προτείνονται για την αύξηση της αποδοτικότητας περιλαμβάνουν την αλλαγή αυτών των τιμών. Διάφορες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την αύξηση της απόδοσης των αεριοστροβίλων είναι

  • Αναγέννηση-

    Σε αυτή τη μέθοδο, τα καυσαέρια χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση του υγρού εργασίας στο σημείο 2. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας των καυσαερίων και αύξηση της απόδοσης. Το διάγραμμα του κύκλου αναγεννητικού αερίου τουρμπίνας και του τύπου φόρτισης δίνεται παρακάτω-
Εικόνα: Κύκλος αναγεννητικής αεριοστρόβιλου
  • Intercooling-
    Σε αυτή τη μέθοδο, η εργασία του συμπιεστή μειώνεται με τη συμπίεση του αέρα σε δύο στάδια. Ο αέρας ψύχεται πριν πάτε στον δεύτερο συμπιεστή. Αυτή η ψύξη του αέρα μεταξύ δύο σταδίων ονομάζεται ενδοψύξη. Η μείωση της εργασίας του συμπιεστή σχετίζεται άμεσα με την αύξηση της απόδοσης.
  • Αναθέρμανση-
    Σε αυτή τη μέθοδο, χρησιμοποιούνται δύο στρόβιλοι αντί για έναν. Ένας στρόβιλος χρησιμοποιείται για την παραγωγή εργασίας και άλλος στρόβιλος κινεί τον συμπιεστή. Προστίθεται περισσότερη θερμότητα σε αυτή τη διαδικασία. Λόγω της μείωσης της εργασίας του συμπιεστή και της υψηλής θερμοκρασίας εισόδου, η απόδοση αυξάνεται. Το διάγραμμα του κύκλου αναθέρμανσης αεριοστροβίλων φαίνεται παρακάτω-
Εικόνα: Κύκλος αναθέρμανσης αεριοστροβίλου
  • Συνδυασμός αναθέρμανσης, ψύξης και αναγέννησης
    Σε αυτή τη μέθοδο, συνδυάζονται και οι τρεις μέθοδοι. Το κόστος ρύθμισης μπορεί να αυξηθεί, αλλά η συνολική απόδοση αυξάνεται συνδυάζοντας παραπάνω από τρεις μεθόδους.

Συνδυασμένη απόδοση κύκλου αεριοστροβίλων

Ο συνδυασμένος κύκλος αεριοστροβίλων χρησιμοποιεί πολλαπλούς αεριοστροβίλους που λειτουργούν παράλληλα για να παρέχουν περισσότερη παραγωγή.

Η εξάτμιση από τον κύκλο μεμονωμένων αεριοστροβίλων είναι ακόμα αρκετά ζεστή ώστε να μπορεί να τρέξει έναν άλλο κύκλο. Συνήθως ένας εναλλάκτης θερμότητας χρησιμοποιείται μεταξύ της εξάτμισης του πρώτου κινητήρα και της εισόδου του δεύτερου κινητήρα έτσι ώστε να χρησιμοποιούνται διαφορετικά υγρά εργασίας. Η απόδοση του δεύτερου κύκλου είναι μικρότερη από τον πρώτο κύκλο, αλλά η συνολική απόδοση του συνδυασμένου κύκλου αεριοστροβίλων αυξάνεται.

Ο πρώτος κύκλος ονομάζεται κύκλος κορυφής και παράγει μεγαλύτερη απόδοση. Ο επόμενος κύκλος ονομάζεται κύκλος πυθμένα και μπορεί να έχει διαφορετικά καύσιμα (ανάλογα με τη θερμοκρασία εξάτμισης του πρώτου κύκλου) και παράγει μικρότερη απόδοση από τον πρώτο. Συνολικά ο συνδυασμένος κύκλος μπορεί να παράγει 50% περισσότερη απόδοση.

Ο τύπος για τον υπολογισμό της συνολικής απόδοσης του κύκλου συνδυασμένων αεριοστροβίλων δίνεται παρακάτω

Σχετικά με τον Abhishek

Εγώ, η Abhishek Khambhata, έχω παρακολουθήσει την Btech στη Μηχανολογία. Κατά τη διάρκεια των τεσσάρων ετών της μηχανικής μου, σχεδίασα και πέταξα μη επανδρωμένα αεροσκάφη. Το πλεονέκτημά μου είναι η μηχανική ρευστών και η θερμική μηχανική. Το έργο του τέταρτου έτους βασίστηκε στη βελτίωση της απόδοσης μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων που χρησιμοποιούν ηλιακή τεχνολογία. Θα ήθελα να συνδεθώ με ανθρώπους με παρόμοια σκέψη.

Lambda Geeks