ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ΙΣΧΥΟΣ

ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Περιγραφή / Συνδυασμένες Εγκαταστάσεις / Ρύπανση / Θερμοδυναμική / Ασκήσεις Ευάγγ. Γ. Γιακουμής, Επίκ. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, Ε.Μ.Π. Αθήνα, 2015

Ο Νόμος 2121/1993 κατοχυρώνει την πνευματική ιδιοκτησία και απαγορεύει την αναπαραγωγή με κάθε τρόπο, καθώς και την αναδημοσίευση, ακόμα και τμήματος του έργου αυτού χωρίς την έγγραφη άδεια του συγγραφέα. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Ε.Γ. Γιακουμής, Επίκουρος Καθηγητής Ε.Μ.Π. Copyright Το βιβλίο αυτό εκδόθηκε στην Αθήνα, Ελλάδα. Όλα τα δικαιώματα διατηρούνται. Απαγορεύεται η ανατύπωση, αναδημοσίευση ή αντιγραφή μέρους ή όλου του βιβλίου, η αποθήκευση σε αρχείο πληροφοριών, η μετάδοση με οποιοδήποτε μέσο επικοινωνίας (ηλεκτρονικό, μηχανικό, φωτογραφικό, φωτοαντιγραφικό κλπ), χωρίς τη νόμιμη εκχώρηση έγγραφης άδειας από το συγγραφέα. Η εικόνα στο εξώφυλλο απεικονίζει την εγκατάσταση συνδυασμένου κύκλου αεριοστροβίλου-ατμοστροβίλου Baranco de Tirajana, Gran Canaria, Spain (πηγή: Hitachi Power Europe GmbH) 2

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι σημειώσεις αυτές προορίζονται για τη διδασκαλία της ενότητας «Αεριοστρόβιλοι» του μαθήματος «Θερμικές Μηχανές», που διδάσκεται σε αυτήν τη μορφή στο 1 ο τετράμηνο του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών (ΔΠΜΣ) «Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας» στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Το κύριο αντικείμενο των σημειώσεων αυτών είναι μία πρώτη επαφή των φοιτητών του ΔΠΜΣ με τις βασικές αρχές λειτουργίας των αεριοστροβίλων ισχύος, συχνά αποκαλούμενων και βιομηχανικών αεριοστροβίλων (και μέσω αυτών και των θερμικών μηχανών γενικότερα), όπως είναι η απλή εγκατάσταση αεριοστροβίλου μίας ατράκτου, η εγκατάσταση με στρόβιλο ισχύος, με ανακομιστή θερμότητας, ο κλειστός κύκλος αεριοστροβίλου κλπ. (Κεφάλαιο 1). Με δεδομένη τη γενικώς υψηλή θερμοκρασία εξόδου του καυσαερίου από αεριοστροβιλικές εγκαταστάσεις, αποκτάει ιδιαίτερη βαρύτητα η εκμετάλλευση αυτού του ποσού θερμότητας, π.χ. μέσω συνδυασμένων κύκλων, ζητήματα που αναλύονται εκτενέστερα στο Κεφάλαιο 2 μαζί με συνδυασμένες/υβριδικές εγκαταστάσεις. Στο Κεφάλαιο 3, αναλύονται θέματα καύσης σε κλασικούς αεριοστροβίλους αλλά και πιο μοντέρνες τεχνικές καύσης, όπως είναι αυτές της πτωχής προ-αναμεμιγμένης και της σταδιακής καύσης. Οι τελευταίες δύο συνδέονται άμεσα με την αντιμετώπιση του κύριου ρύπου των αεριοστροβίλων που είναι τα οξείδια του αζώτου (Κεφάλαιο 4). 3

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ... 8 1. ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ΙΣΧΥΟΣ... 11 1.1 Γενικές Αρχές... 11 1.2 Εγκατάσταση Αεριοστροβίλου με Στρόβιλο Ισχύος... 20 1.3 Εγκατάσταση Αεριοστροβίλου με Ανακομιστή Θερμότητας... 22 1.4 Σύνθετες Εγκαταστάσεις με Ενδιάμεση Ψύξη και Αναθέρμανση... 25 1.5 Αεριοστρόβιλος Κλειστού Κυκλώματος... 27 1.6 Συγκεντρωτικά Χαρακτηριστικά Υποσυστήματα Εφαρμογές... 30 2. ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥΣ... 35 2.1 Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού-Θερμότητας... 36 2.2 Συνδυασμένος Κύκλος Αεριοστροβίλου-Ατμοστροβίλου... 37 2.3 Συνδυασμένη Εγκατάσταση Αεριοστροβίλου-Κινητήρα Diesel... 40 2.4 Συνδυασμένη Εγκατάσταση Αεριοστροβίλου-Ηλεκτροκινητήρα... 42 2.5 Συνδυασμένη Εγκατάσταση Αεριοστροβίλου-Κυψέλης Καυσίμου... 45 5

3. ΚΑΥΣΗ ΣΤΟΥΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥΣ... 48 3.1 Καύσιμα... 49 3.2 Θερμογόνος Δύναμη... 52 3.3 Λόγος Ισοδυναμίας Αέρα-Καυσίμου... 54 3.4 Φλόγες... 57 3.4.1 Φλόγα Προανάμιξης... 58 3.4.2 Φλόγα Διάχυσης... 59 3.5 Θάλαμοι Καύσης... 60 3.6 Καύση στον Αεριοστρόβιλο... 62 3.6.1 Κλασική Εγκατάσταση... 62 3.6.2 Άλλες Τεχνικές Καύσης... 65 3.7 Τύρβη... 68 4. ΡΥΠΑΝΣΗ ΑΠΟ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥΣ... 70 4.1 Γενικά περί Εκπομπών Ρύπων κατά την Καύση Προδιαγραφές... 70 4.2 Μηχανισμοί Σχηματισμού Ρύπων... 75 4.2.1 Οξείδια του Αζώτου... 75 4.2.2 Μονοξείδιο του Άνθρακα... 77 4.2.3 Άκαυστοι Υδρογονάνθρακες... 78 4.2.4 Σωματίδια Αιθάλη... 79 4.3 Αντιμετώπιση Εκπεμπόμενων Ρύπων... 81 4.3.1 Μονοξείδιο του Άνθρακα και Άκαυστοι Υδρογονάνθρακες... 81 4.3.2 Οξείδια του Αζώτου... 82 5. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ... 90 5.1 Θερμοδυναμικός Κύκλος Joule-Brayton... 92 5.2 Ισοδύναμος Ιδανικός Πρότυπος Κύκλος Αέρα Αεριοστροβίλου... 94 5.2.1 Εγκατάσταση C-B-T... 95 5.2.2 Εγκατάσταση με Ανακομιστή Θερμότητας C-W-B-T... 98 5.2.3 Εγκατάσταση με Αναθέρμανση C-B-T-R-T... 100 5.2.4 Εγκατάσταση με Ενδιάμεση Ψύξη C-Ι-C-B-T... 101 5.3 Συνήθης Προσαρμοσμένος Κύκλος Αέρα Αεριοστροβίλου... 103 5.3.1 Εγκατάσταση C-B-T... 105 5.3.2 Εγκατάσταση με Ανακομιστή Θερμότητας C-W-B-T... 112 6

5.3.3 Εγκατάσταση με Ανακομιστή Θερμότητας, Ενδιάμεση Ψύξη και Αναθέρμανση C-I-C-W-B-T-R-T... 113 5.4 Ενεργειακό Ισοζύγιο Ισχύος... 115 5.5 Πραγματικός Κύκλος Αεριοστροβίλου... 116 6. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ... 120 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ - Ασκήσεις Αεριοστροβίλων Ισχύος... 126 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 145 7

2. ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥΣ Σε κάθε μηχανή εσωτερικής καύσης είναι αναπόφευκτο βάσει του 2ου Θερμοδυναμικού Αξιώματος 1, ότι κάποιο ποσό θερμότητας θα απορριφθεί τελικά στο περιβάλλον. Γενικά, όσο μεγαλύτερος ο βαθμός απόδοσης μίας ΜΕΚ, τόσο περισσότερο έχει χρησιμοποιηθεί το καυσαέριο για παραγωγή ενέργειας, άρα τόσο μικρότερη και η θερμοκρασία που απορρίπτεται αυτό στο περιβάλλον 2. Για παράδειγμα, σε 2-Χ βραδύστροφους κινητήρες Diesel ναυτικούς ή ηλεκτροπαραγωγής, που επιτυγχάνουν βαθμούς απόδοσης της τάξης του 50%, η 1 Το οποίο λέει ότι «είναι αδύνατη η κατασκευή μηχανής λειτουργούσας περιοδικώς, η οποία ανυψώνει ένα βάρος, ψύχει ένα θερμοδοχείο, και ουδεμία άλλη μεταβολή επιφέρει εις το περιβάλλον». 2 Υπενθυμίζεται ότι σε μία ΜΕΚ, το καυσαέριο που παράγεται από την καύση χρησιμοποιείται και για την παραγωγή της ισχύος, εξ ου και ο όρος μηχανή «εσωτερικής» καύσης. 35

3. ΚΑΥΣΗ ΣΤΟΥΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥΣ Ως καύση (combustion) ορίζεται η μη-αναστρέψιμη χημική αντίδραση μίας ουσίας με το οξυγόνο (αέρας), που συντελείται με υψηλό ρυθμό έκλυσης θερμότητας (εξώθερμη διαδικασία), η οποία (θερμότητα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω, είναι δηλαδή τεχνικά εκμεταλλεύσιμη η καύση πραγματοποιείται με μεγάλη ταχύτητα και σε υψηλή θερμοκρασία. Η καύση ενεργοποιείται λόγω της ανάφλεξης (ignition), ο έλεγχος της οποίας είναι ιδιαίτερα σημαντικός για την καλή απόδοση και λειτουργία των θερμικών μηχανών. Η ανάφλεξη μπορεί να είναι αυτόματη (spontaneous οπότε μιλάμε για αυτανάφλεξη), ή εξαναγκασμένη. Η αυτανάφλεξη συμβαίνει όταν η θερμοκρασία του μίγματος αέρακαυσίμου ξεπεράσει την ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξής του, και τότε η καύση εξελίσσεται αυτόματα βάσει της χημικής κινητικής. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η καύση στον κινητήρα Diesel. Στην εξαναγκασμένη ανάφλεξη, από την άλλη πλευρά, το μίγμα αέρα-καυσίμου βρίσκεται σε θερμοκρασία χαμηλότερη της θερμοκρασίας 48

4. ΡΥΠΑΝΣΗ ΑΠΟ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥΣ 4.1 Γενικά περί Εκπομπών Ρύπων κατά την Καύση Προδιαγραφές Οι ρυπογόνες ουσίες από τις θερμικές μηχανές σχηματίζονται λόγω της (χημικής) διάστασης των προϊόντων της καύσης, εξαιτίας των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στο θάλαμο καύσης, οι οποίες τοπικά φθάνουν ακόμη και τους 3000Κ σε κινητήρες Otto. Εξαιτίας της διάστασης των προϊόντων της τέλειας καύσης (CO 2 και Η 2 Ο), έχουμε την εμφάνιση των ακόλουθων ριζών και ενώσεων στα προϊόντα: Η 2, Ν, Ο, ΟΗ, Η, CO, CΟ 2, NO, ΗC, κλπ καθώς και αρκετών άλλων όπως είναι οι αλδεΰδες, κετόνες κλπ. Από τις ρυπογόνες ουσίες που παράγονται κατά την καύση, οι κυριότερες είναι (βλέπε και Σχήμα 4.1 όσον αφορά τις επιπτώσεις τους σε άνθρωπο και περιβάλλον): 70

5. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό θα ασχοληθούμε με τη θερμοδυναμική των αεριοστροβίλων. Για τη θερμοδυναμική-μαθηματική προσέγγιση, θα ξεκινήσουμε από την απλή περίπτωση του Ιδανικού Κύκλου Αέρα Joule-Brayton (Παράγραφος 5.1), θα προχωρήσουμε στον Ισοδύναμο Ιδανικό Πρότυπο Κύκλο Αέρα Α/Σ (Παράγραφος 5.2), και θα ολοκληρώσουμε με το Συνήθη Προσαρμοσμένο Κύκλο Αέρα Α/Σ (Παράγραφος 5.3), ο οποίος και αποτελεί μία πολύ ικανοποιητική προσέγγιση του πραγματικού (μη θερμοδυναμικού αλλά μηχανικού) κύκλου. Για την ανάλυση που θα ακολουθήσει, η αναφορά στην πραγματική εγκατάσταση βασίζεται στο Σχήμα 5.1, δηλαδή στην απλή εγκατάσταση αεριοστροβίλου C-B-T μίας ατράκτου καθώς και αυτής με ανακομιστή θερμότητας, Σχήμα 5.1β. 90

6. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Η πρώτη αναφορά σε (κάποιας μορφής) αεριοστρόβιλο αποδίδεται συχνά στον Ήρωνα τον Αλεξανδρινό (10 70 μ.χ.). Πολλά χρόνια αργότερα, πάντως, το 1791 δόθηκε η πρώτη πατέντα, στον John Barber, ενώ το 1894 δόθηκε η πρώτη πατέντα για εφαρμογή ναυτικής πρόωσης στον Charles Parsons. Τη δεκαετία του 1930 ο Frank Whittle σχεδίασε τον πρώτο φυγοκεντρικής ροής αεριοστρόβιλο για αεροπορική πρόωση. Η πρώτη ουσιαστικά λειτουργική αεριοστροβιλική μονάδα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παρουσιάστηκε το 1932 από την ελβετική Brown Boveri (ABB). Επόμενος σταθμός στην ιστορία των Α/Σ ήταν το 1939 με τη δημιουργία από την ίδια εταιρεία του πρώτου ηλεκτρικού σταθμού με καύσιμο πετρέλαιο και ισχύ 4MW στο 120

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ - Ασκήσεις Αεριοστροβίλων Ισχύος 126

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ε.Γ. Γιακουμής, Παρουσιάσεις μαθήματος Μ.Ε.Κ.-I στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π., 2006-2014, http://users.ntua.gr/vgiakms/meki.htm. 2. Κ.Δ. Ρακόπουλος, «Αρχές Βιομηχανικών Αεριοστροβίλων», Γρ. Φούντας, Αθήνα, 1994. 3. Κ. Μαθιουδάκης, «Λειτουργία Αεριοστροβίλων και Ατμοστροβίλων», Ε.Μ.Π., Αθήνα, 1997. 4. Ε.Γ. Γιακουμής, «Εισαγωγή σε Θέματα Καύσης Θερμικών Μηχανών», Ε.Μ.Π., Αθήνα, 2010. 5. Κ.Δ. Ρακόπουλος, «Αρχές Εμβολοφόρων Μ.Ε.Κ.», Γρ. Φούντας, Αθήνα, 1988. 6. Κ.Δ. Ρακόπουλος, Δ.Θ. Χουντάλας, «Καύση - Ρύπανση Εμβολοφόρων Μ.Ε.Κ.», Γρ. Φούντας, Αθήνα, 1998. 7. H. Saravanamuttoo, G. Rogers and H. Cohen, Gas Turbine Theory, 5 th edition, Prentice Hall, 2001. 8. A.H. Lefebvre, Gas Turbine Combustion, 2 nd edition, CRC Press, 1998. 9. W.W. Bathie, Fundamentals of Gas Turbines, 2 nd edition, Wiley, New York, 1994. 10. S.R. Turns, An Introduction to Combustion. Concepts and Applications, 2 nd edition, McGraw-Hill, New York, 2000. 11. C.K. Law, Combustion Physics, Cambridge University Press, Cambridge, 2006. 12. N. Peters, Turbulent Combustion, Cambridge University Press, Cambridge, 2000. 13. D.R. Tree and K.I. Svensson, Soot processes in compression ignition engines, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 33, pp. 272-309, 2007. 14. C.D. Rakopoulos, E.G. Giakoumis, Diesel Engine Transient Operation, Springer, London, 2009. 145