ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολοικού Τομέα Σταθμοί Παραωής Ενέρειας Ενότητα 4: Αεριοστρόβιλοι Δρ Γεώριος Αλέξης Τμήμα Μηχανολόων Μηχανικών Τ.Ε.
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έρου του διδάσκοντα. Το έρο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολοικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έρο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Σκοποί Ενότητας Σκοπός της ενότητας αυτής αποτελεί η κατανόηση από τους φοιτητές του κύκλου Brayton καθώς και των τρόπων βελτίωσης του βαθμού απόδοσης των εκαταστάσεων των αεριοστροβίλων. Επίσης σκοπεύει στη νώση της λειτουρίας των επιμέρους στοιχείων που συνιστούν μια εκατάσταση αεριοστροβίλου. Με την εμπέδωση των παραπάνω νώσεων και των χρησιμοποιούμενων μεθόδων οι φοιτητές θα μπορούν να επιλύουν προβλήματα που σχετίζονται με το αντικείμενο της εν λόω ενότητας. 4
Περιεχόμενα Ενότητας Αεριοστρόβιλοι (Kύκλος Brayton) Στοιχεία και Λειτουρία Κύκλου Αεριοστροβίλου Θερμοδυναμικός Βαθμός Απόδοσης Συνθήκες Προσδιορισμού του Μέιστου Έρου Πραματικός Απλός Κύκλος Brayton Κύκλος Brayton με Αναέννηση Κύκλος Brayton με Αναέννηση και Αναθέρμανση Παράοντες που Επηρεάζουν το Βαθμό Απόδοσης και την Ισχύ των Αεριοστροβίλων 5
ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ 6
Ο Κύκλος Brayton Ο κύκλος Brayton διέπει τις εκαταστάσεις με αεριοστροβίλους. Ο απλός κύκλος έχει την παρακάτω διάταξη: 7
Η Θερμοδυναμική Απεικόνιση του Απλού Κύκλου Brayton σε Διαράμματα (,V) και (,s) 8
Στοιχεία και Λειτουρία Κύκλου Αεριοστροβίλου Οι κύριες συνιστώσες ενός αεριοστροβίλου είναι: ο συμπιεστής (C), ο θάλαμος καύσης (ή εναλλάκτης θερμότητας ια κυκλώματα κλειστού τύπου) (CC) και ο στρόβιλος () Τρόπος λειτουρίας του αεριοστροβίλου: Με μια εξωτερική πηή ισχύος θέτουμε σε λειτουρία το συμπιεστή. Αυτός αναρροφά αέρα από το περιβάλλον και το συμπιέζει (του αυξάνει την πίεση) Στη συνέχεια ο συμπιεσμένος αέρας διέρχεται από το θάλαμο καύσης, όπου ίνεται έχυση καυσίμου και ανάφλεξη. Η χημική ενέρεια που με την καύση αποδεσμεύεται από το καύσιμο και προσδίδεται υπό τη μορφή θερμικής ενέρειας στο εραζόμενο μέσο, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του (υπό σταθερή πίεση) Ο συμπιεσμένος και πολύ θερμός πλέον αέρας (εραζόμενο μέσο ενικότερα ) κατευθύνεται προς το στρόβιλο. Η υψηλή του ενέρεια αποδίδεται στον άξονα του στροβίλου κατά την εκτόνωση του αέρα, δηλαδή ουσιαστικά με την πτώση της πίεσης αλλά και της θερμοκρασίας του 9
Στοιχεία και Λειτουρία Κύκλου Αεριοστροβίλου () Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς με μόνη διαφορά ότι πλέον, μετά την αρχική μεταβατική φάση, το απαιτούμενο ια την κίνηση του συμπιεστή έρο, λαμβάνεται από το στρόβιλο. Για το λόο αυτό ο συμπιεστής και ο στρόβιλος είναι συνδεδεμένοι με τον ίδιο άξονα Προφανώς, η ωφέλιμη ισχύς της εκατάστασης ισούται με την ισχύ που παράει ο στρόβιλος μείον την απαιτούμενη ια την περιστροφή του συμπιεστή και τη λειτουρία των υπόλοιπων βοηθητικών εξαρτημάτων ισχύ Για τους αεριοστρόβιλους έχει μεάλη σημασία ο ιδανικός κύκλοι Brayton και ιδιαίτερα μάλιστα όταν το εραζόμενο μέσο είναι αέρας (θεωρούμενος τέλειο αέριο) με σταθερές ειδικές θερμοχωρητικότητες, οπότε και έχουμε τους ιδανικούς πρότυπους (υποδειματικούς) κύκλους αέρα 0
Θερμοδυναμικός Βαθμός Απόδοσης
Θερμοδυναμικός Βαθμός Απόδοσης ()
Θερμοδυναμικός Βαθμός Απόδοσης () και από την παραπάνω εξίσωση προκύπτει: 4 r η ή η 5 55 8 / r 0 η (%) 5 r 0 ια μονοβάθμια συμπίεση 0 r 40 ια πολυβάθμια συμπίεση / r
Συνθήκες Προσδιορισμού του Μέιστου Έρου Οι θερμοκρασίες Τ και Τ είναι χαρακτηριστικές στον κύκλο Brayton και θα προσπαθήσουμε να τις αντικαταστήσουμε με το λόο πιέσεων r 4 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] 4 4 4 c t c c c h h h h w w w
Συνθήκες Προσδιορισμού του Μέιστου Έρου () 5 P P ή r P P 4 4 P P ή 4 4 4 r P P Οπότε έχουμε: r r c r r c w
Συνθήκες Προσδιορισμού του Μέιστου Έρου () Εάν θεωρήσουμε c,, σταθερές και μηδενίζοντας την πρώτη παράωο του w ως προς το λόο πιέσεων r το έρο ίνεται μέιστο 6 ) ( ) ( r r r r 0 r r dr dw + + ή
Πραματικός Απλός Κύκλος Brayton Κατά την εξέταση του απλού κύκλου αεριοστροβίλου ανοικτού κυκλώματος, θεωρήσαμε ότι ισχύουν οι εξής παραδοχές: Η καύση είναι ισόθλιπτη και τέλεια Έχουμε σταθερή ποσότητα και ποιότητα του εραζόμενου μέσου καθ όλη τη διάρκεια του κύκλου Έχουμε σταθερή ειδική θερμότητα του εραζόμενου μέσου Υπάρχει πλήρης θερμική μόνωση με το περιβάλλον Γίνονται αντιστρεπτές μεταβολές (ισεντροπική συμπίεση και εκτόνωση) Η εισαωή στο συμπιεστή ίνεται υπό συνθήκες περιβάλλοντος και η εκροή του εραζόμενου μέσου από το στρόβιλο, ίνεται σε πίεση περιβάλλοντος 7
Πραματικός Απλός Κύκλος Brayton () Όλες οι παραπάνω παραδοχές μπορούν να θεωρηθούν αποδεκτές σε μεάλο βαθμό και στον πραματικό κύκλο λειτουρίας καθώς δεν αποκλίνουν ιδιαίτερα από την πραματικότητα. Για να μειώσουμε την απόκλιση από την πραματικότητα της παραδοχής ότι η ειδική θερμότητα του εραζόμενου μέσου είναι σταθερή, μπορούμε να λαμβάνουμε τα c, c v και σε μια κατάλληλη μέση θερμοκρασία (π.χ. 400 ο C που αντιστοιχεί σε,7) Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, το διάραμμα (,s) του θεωρητικού κύκλου λειτουρίας Brayton που παρουσιάστηκε προηούμενα παίρνει την παρακάτω μορφή: 8
Πραματικός Απλός Κύκλος Brayton () Για τον υπολοισμό των πραματικών θερμοκρασιών Τ και Τ 4 κάνουμε χρήση των ισεντροπικών βαθμών απόδοσης στο συμπιεστή και στο στρόβιλο: - - η cs και η ts - - s 4 4s 9
Κύκλος Brayton με Αναέννηση 6 R CC 4 5 C C: Συμπιεστής (-) CC: Θάλαμος καύσης (-4) : Στρόβιλος (4-5) R: Αναεννητής 6 4 5 Βαθμός απόδοσης αναεννητή: η R 5 - - 6 - - 5 s 0
Κύκλος Brayton με Αναέννηση και Αναθέρμανση 4 6 C: Συμπιεστής CC,CC: Θάλαμοι καύσης,: Στρόβιλοι R: Αναεννητής 5 8 7 s
Κύκλος Brayton με Αναέννηση, Πολλαπλή Συμπίεση με Ενδιάμεση Ψύξη και Πολλαπλή Εκτόνωση με Αναθέρμανση 6 8 C, C: Συμπιεστές CC,CC: Θάλαμοι καύσης,: Στρόβιλοι 4 R: Αναεννητής IC: Ενδιάμεσος ψύκτης 5 7 0 9 s
Παράοντες που Επηρεάζουν το Βαθμό Απόδοσης και την Ισχύ των Αεριοστροβίλων Ο βαθμός απόδοσης εξαρτάται από την τελική θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων από το θάλαμο καύσης Τ και εισόδου αυτών στον στρόβιλο. Όσο αυξάνει αυτή η θερμοκρασία, αυξάνει και ο βαθμός απόδοσης. Στην επιθυμητή όμως αυτή αύξηση, θέτει περιορισμούς η αντοχή των πτερυίων του στροβίλου (η αντοχή ενός σώματος μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του). Σήμερα εραζόμαστε συνήθως με θερμοκρασία t 650 έως 750 ο C, και στην περίπτωση που εφαρμόζεται μέθοδος ψύξης των πτερυίων και χρησιμοποιούνται ειδικά κράματα ια την κατασκευή τους η θερμοκρασία αυτή φθάνει τους 900 έως 000 ο C, όποτε αυξάνει και ο βαθμός απόδοσης.
Παράοντες που Επηρεάζουν το Βαθμό Απόδοσης και την Ισχύ των Αεριοστροβίλων () Η ισχύς της εκατάστασης αλλά και ο βαθμός απόδοσης, επηρεάζεται από τη θερμοκρασία του αέρα, κατά την είσοδό του στο συμπιεστή (θερμοκρασία περιβάλλοντος). Αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα του περιβάλλοντος, προκαλεί μείωση της ισχύος της εκατάστασης, ενώ αντίθετα, μείωση της θερμοκρασίας, επιφέρει αύξηση της αποδιδόμενης ισχύος. Ο λόος που υφίσταται η παραπάνω αλληλεξάρτηση εξηείται ως εξής: Με την αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, άρα και της θερμοκρασίας του εισαόμενου αέρα, ελαττώνεται η πυκνότητα του αέρα και αυξάνεται ο ειδικός του όκος. Έτσι ελαττώνεται ουσιαστικά η μάζα του συμπιεζόμενου αέρα και κατά συνέπεια και η μάζα του αέρα που εισέρχεται στο θάλαμο καύσης ώστε η ισχύς να μειώνεται. 4
Παράοντες που Επηρεάζουν το Βαθμό Απόδοσης και την Ισχύ των Αεριοστροβίλων () Άλλη μια παράμετρος που επηρεάζει την ισχύ της εκατάστασης και το βαθμό απόδοσης αυτής, είναι ο λόος συμπίεσης. Οι απλές εκαταστάσεις αεριοστροβίλων, εράζονται συνήθως σε χαμηλές πιέσεις. Έτσι η σχέση συμπίεσης συνήθως είναι 4,5: έως 5:. Θεωρητικά αποδεικνύεται, αλλά και πειραματικά προκύπτει, ότι τόσο ο βαθμός απόδοσης όσο και η ισχύς της εκατάστασης, αυξάνονται όταν αυξάνει η σχέση συμπίεσης. 5
Διάραμμα Βαθμού Απόδοσης και Σχέσης Συμπίεσης Το παρακάτω διάραμμα παρουσιάζει τη μεταβολή του βαθμού απόδοσης n, μιας απλής εκατάστασης αεριοστροβίλου, συναρτήσει της λόου συμπίεσης r και της θερμοκρασίας του καυσαερίου στην είσοδο του στροβίλου t. Τα στοιχεία προέρχονται από απλή εκατάσταση αεριοστροβίλου με n cs 84%, n ts 85% και t ο C. 6
Ροή των Ρευστών εντός του Αεριοστροβίλου 7
Ανοικτός Αεριοστρόβιλος 8
Στροφείο Αεριοστροβίλου 9
Πτερύια Αεριοστροβίλου 0
Τέλος Ενότητας