Springen naar inhoud

Thermodynamica Expansie turbine


  • Log in om te kunnen reageren

#1

Riebur

    Riebur


  • 0 - 25 berichten
  • 5 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 06 december 2006 - 17:11

Is de volgende zienswijze juist?

Stel ik ontneem mechanische arbeid aan een door een pijpleiding stromende lucht door een turbinewiel (expansie turbine) te plaatsen in deze stroom. De heersende druk voor het turbine wiel is 60 bar. Het voorgestelde proces is naar ik aanneem als adiabatisch te beschouwen. De geleverde mechanische arbeid wordt m.i. alleen ontrokken aan de inwendige energie in deze lucht. Aangezien ik geen warmte toevoer, behalve misschien uit de aanstromende lucht, vindt er een temperatuurdaling plaats door de volgende relatie W= -m cv (T2_T1). Aangezien de doorstromende massa constant blijft, zal dan tgv. de temp. daling de druk achter het turbinewiel p2 afnemen en de flow v2 toenemen; in welke relatie tot elkaar?
Zijn er nog meer mechanismen die arbeid leveren aan het turbinewiel bijv. de kinetische energie van de aanstromende lucht m.b.t. v1 en v2, of zijn dit slechts voortvloeiselen uit de bovengenoemde relatie? De dichtheid van lucht is naar mijn inschatting onder heersende druk ca. 77kg/m≥ en de flow v1 in de leiding is niet al te hoog 10m/s.
Wat voor een drukval is nog als reŽel te beschouwen over een enkel turbinewiel? uiteraard in overeenstemming met de mech. belasting. Is hierin nog een verschil in axiale of radiale schoepen op het wiel?

Stel de mech. belasting is een el. generator die al zijn energie kwijtraakt in een warmte dissiperend element bijv. een gloeispiraal. Deze spiraal wordt geplaatst
in de aanstromende lucht voor het turbine wiel. Afgezien van de rendementen
vindt er dan expansie plaats in feite zonder afkoeling.

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 07 december 2006 - 20:55

De energie die de turbine levert wordt niet 'ontrokken' aan de inwendige energie U maar aan de enthalpie H van de lucht. Als Cp constant zou zijn dan is de door de turbine geleverde W = -m*Cp*(T2-T1) = m*Cp*(T1-T2).

De druk achter de turbine wordt in de praktijk door het systeem bepaald, niet door de turbine. Stel dat de lucht vanaf de turbine door een korte leiding naar de atmosfeer stroomt dan is P2 ~ 1 bar, of de turbine dat nou leuk vindt of niet. In de praktijk is het effect van de kinetische energie verandering tussen de leiding voor de turbine inlaatflens en de leiding achter de turbine uitlaatflens te verwaarlozen.

De maximaal mogelijke temperatuurdaling over de turbine wordt alleen gehaald wanneer de expansie isentropisch zou zijn. Voor een idiaal gas geldt de relatie:

T2 = T1 * (P2/P1)^{(k-1)/k}

waarin T de absolute temperatuur is (dus Kelvin, niet Celsius) en k = Cp/Cv = ~1.4 voor lucht.

Dit is in de praktijk niet haalbaar: een turbine heeft altijd een efficientie die lager is dan 100 %. Het hangt van de grootte en het aantal wielen af wat de haalbare efficientie is, in de praktijk 80 - 90 %.

ReŽele drukval voor een enkel turbinewiel: in principe kun je alles met een enkel wiel doen maar dan is je efficientie, en dus het geleverde vermogen, heel laag. De turbine heeft dan een inlaatklep en een nozzle die de meeste drukval nemen. In de praktijk is de "isentropic head" (ik ken geen goed nederlands woord) per wiel gelimiteerd en dat hangt weer af van toerental, diameter en materiaalsterkte van het wiel. Voor 60 --> 1 bar zal men zeker meerdere wielen gebruiken en dat zullen wel axiale zijn want die hebben gewoonlijk een hogere head en een hogere efficientie.

Als lucht bij 60 bar ideaal (dus geen Joule-Thomson koeling) zou zijn en de generator zelf geen warmte af zou geven (100% generator efficiency), dan vindt er inderdaad bij de door jou geschetste expansie geen afkoeling plaats, gerekend vanaf een punt voor de gloeispiraal. Natuurlijk zal niemand dat ooit zo doen. Wanneer een ideaal gas van 60 naar een lagere druk afgelaten wordt over een klep of orifice vindt ook geen temperatuurdaling plaats gemeten op enige afstand achter de klep/orifice.

Het opwarmen voor een turbine is wel gebruikelijk maar dan met beschikbare (afval)warmte, geen elektriciteit. Hoe hoger de inlaattemperatuur van de turbine hoe meer vermogen hij levert.
Hydrogen economy is a Hype.

#3

Riebur

    Riebur


  • 0 - 25 berichten
  • 5 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 21 december 2006 - 10:18

Bericht misschien niet aangekomen?

Beste Fred,

Bedankt voor je uitgebreide antwoord. Thermo dynamica is een interessant vakgebied alleen ik ben er nog niet zo goed in thuis, mijn vakgebied is technische veiligheid. De achtergrond van mijn ingezonden artikel is dat de druk van 50 bar gereduceerd wordt tot ca. 8 bar. De temperatuur daling is daarbij 0,5 graad celcius/ bar. Na drukreductie wordt de lucht weer verwarmd tot een ca. 10 graad celcius.
Ik speelde met de gedachte, alhoewel qua investeringskosten dit nooit uitkan, om op deze verwarmingskosten te besparen. De drukreductie vindt dan deels of geheel over het turbinewiel plaats maar nu zonder netto temperatuurdaling.

Met een vriendelijke groet,

Peter Riebur

#4

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 23 december 2006 - 17:56

Wanneer je lucht (een niet ideaal gas) van 50 bar (via een regelklep of een orifice) in druk aflaat naar 8 bar vindt zogenaamde Joule-Thomson koeling plaats, T2 is lager dan T1. Deze JT-koeling van lucht is volgens mij ongeveer 0,2 oC/bar bij omgevingstemperatuur. Ik weet niet wat je met die 0,5 oC/bar bedoelt.

Je schiet er helemaal niks mee op door die lucht af te laten door een turbine en dan de generatorstroom te gebruiken om het gas te verwarmen. De uiteindelijke T2 is hetzelfde als wanneer je het gas niet door een turbine maar door een klep (of wat dan ook) in druk had afgelaten. Je hebt dan arbeid W aan de lucht onttrokken met die turbine en daana precies die hoeveelheid energie weer als warmte Q toegevoegd aan diezelfde lucht: totaal effect is dus nul en T2 is weer lager dan T1.

Je kunt met een turbine niets besparen op de hoeveelheid warmte die je nodig hebt om de lucht van T2 naar 10 oC te verwarmen want T2 wordt niet bepaald door de aard van de restrictie (turbine of klep of wat dan ook) maar de JT-coefficient van de (niet ideale) lucht.
Hydrogen economy is a Hype.

#5

Techneut

    Techneut


  • >25 berichten
  • 84 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 25 december 2006 - 17:47

ReŽele drukval voor een enkel turbinewiel: in principe kun je alles met een enkel wiel doen maar dan is je efficientie, en dus het geleverde vermogen, heel laag. De turbine heeft dan een inlaatklep en een nozzle die de meeste drukval nemen. In de praktijk is de "isentropic head" (ik ken geen goed nederlands woord) per wiel gelimiteerd en dat hangt weer af van toerental, diameter en materiaalsterkte van het wiel. Voor 60 --> 1 bar zal men zeker meerdere wielen gebruiken en dat zullen wel axiale zijn want die hebben gewoonlijk een hogere head en een hogere efficientie.


Interessant draadje. Wij gebruiken hier diverse expansiemachines voor koude productie.
Bij 1 installatie expanderen we inderdaad in 2 trappen. (van 80 naar 8,5 bar en van 8,5 naar 0,4bar) in dit geval wordt bij beide turbines een generator aangedreven.
Ik heb me inderdaad ook wel eerder afgevraagd waarom dat niet met 1 turbine gebeurd.
Je schrijft over drukval over inlaatklep en nozzle. Die is er natuurlijk, maar die heb je 2x in het geval van 2 turbines. Bij ons is het namelijk zo dat de nozzle van de hoge druk turbine geregeld wordt op flow, en de nozzle van de lagedruk turbine op druk (de druk tussen de hoge en lage druk)
Zijn het puur mechanische beperkingen die het maken dat de efficiente met 2 turbines hoger is of is er verder nog een reden om met 2 turbines te expanderen?
De toerentallen zijn wel hoog (27000 en 13800 rpm) maar goed, we hebben wel radiale compressoren waarbij het loopwiel wel 40000 toeren draait.
Wij maken hier alleen gebruik van radiale turbines.

Groeten
Techneut

#6

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 26 december 2006 - 11:25

Ik ken jullie processchema niet dus kan alleen maar raden naar de reden van twee turbines.
Koudeproductie, met vloeistofcondensatie in de turbine, is niet helemaal vergelijkbaar met het aflaten van lucht van hoge naar lage druk zonder condensatie. Een axiale turbine kan maar heel weinig vloeistofdruppeltjes aan.

Soms zijn er twee expansieturbines in serie omdat er tussen de twee turbines nog een afscheiding van vloeistof (in een vat) en/of opwarming van het gas en/of een andere handeling plaatsvindt.
Het kan ook dat het voor de fabrikant van de turbines niet mogelijk was om de enorme drukverhouding van 80 naar 0,4 bar efficient in ťťn machine te doen. Diameter en toerental van de wielen kan dan beter geoptimaliseerd worden in twee verschillende machines.
Ook temperatuur en dus materiaalselectie kan een reden zijn om de expansie te verdelen over twee machines gemaakt van twee verschillende materialen.
Hydrogen economy is a Hype.

#7

Techneut

    Techneut


  • >25 berichten
  • 84 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 28 december 2006 - 00:51

Dank je wel voor je reactie Fred
Vloeistofcondensatie is in ons geval niet aan de orde. De uiteindelijke condensatie gebeurd doordat we een deelstroom van de hoge druk stikstof mbv de stikstof die in temperatuur gedaald is in de expansieturbine afkoelen, waarna deze hogedruk stikstof over een klep expandeert.
De inlaatemperatuur van de HD turbine is ongeveer -24grdC, uitlaat HD ongeveer -128grdC.
De LD turbbine heeft een uitlaat temperatuur van ongeveer -175grdC.
Ik zal eens uitzoeken of de turbine wielen van de HD en de LD anders zijn qua materiaal. Ik ben wel benieuwd.

Groeten
Techneut





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures