debiet uitlaat gasturbine berekenen

[maurits60]

In de onderstaande draad stelt Fred dat het uitlaatgasdebiet van de genoemde turbo viertaktmotor met 7% toeneemt. 
 
https://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/144556-luchtdebiet-van-de-uitlaatgassen-van-een-viertaktverbrandingsmotor/?hl=uitlaatgas#entry707312
 
Maar ik zie niet hoe hij aan de waarde komt voor het verhoogde uitlaatdebiet.
 
Voor een STEG-schoolopdracht wil ik graag het uitlaatdebiet vaststellen van een gasturbine op aardgas. Hiermee kan ik onderbouwen de toegevoerde energie aan een stoomturbine en/of warmtewisselaar. Ik kies/bereken zelf het inlaatdebiet van de lucht, drukken en temperaturen van de gasturbine voor T1 /t/m T4. In oefenopdrachten wordt indien noodzakelijk het uitlaatdebiet gewoon gegeven en komt de omzetting niet ter sprake. Maar er is wel een duidelijk verschil tussen inlaat- en uirlaatdebiet.
 
Wat is de goede manier om het uitlaatdebiet te berekenen tbv de toegevoerde energie naar de stoomturbine?
 
 
mvg maurits 

[Pinokkio]

Als benzine of diesel of aardgas met een hoeveelheid lucht verbrandt wordt in een motor of gasturbine zal er meer mol rookgas uit komen dan er molen lucht in gingen.
Schrijf de volledige reactievergelijking uit en je ziet het.
 

Ik kies/bereken zelf het inlaatdebiet van de lucht, drukken en temperaturen van de gasturbine voor T1 /t/m T4.

Zonder plaatje is niet duidelijk wat T1 t/m T4 zijn, maar je kunt niet zo maar van alles zelf kiezen.
 
Bijvoorbeeld: in een gasturbine is de turbine-inlaattemperatuur limiterend. Om die limiet niet te overschrijden is een enorme overmaat lucht nodig. Je kunt dus niet beiden zelf kiezen, de een is het gevolg van de ander.
 
Wat er allemaal berekend wordt in die pdf is mij niet helemaal duidelijk. Ik zie ergens dat
m_lucht = 20 kg/s en m_rookgas = 100 kg/s
Zo'n gigantisch verschil kan natuurlijk niet dus dan geloof ik de rest ook niet.

[maurits60]

Excuses, het is nogal complex hier en daar. Die m_rookgas  stond gegeven in een algemene oefenopgave (zie image.jpg).
 
Onze opdracht bestaat erin om een 'gemeente te adviseren mbt een STEG-installatie voor een nieuwe woonwijk van 15000 personen'. Met behulp van de gemiddelde gezinssamenstelling hebben wij gevonden dat de wijk 6820 huishoudens herbergt. De gemiddelde energie- en warmtevraag en ook de respectievelijke gelijktijdigheidsfactor hebben we van internet gehaald.
 
Onze opdrachtsituatie sluit wel aan bij de setting in de oefenopgave (image.jpg). De uitwerking van de oefenopgave heb ik als raamwerk daarom overgenomen. Maar de omschrijving in oefenopgave is niet eenduidig. Rookgas moet duiden op de gasturbine, want een stoomturbine in een STEG-configuratie heeft geen verbrandingsproces en dus ook geen rookgas. 
 
Ik kon het verschil tussen in- en uitlaatdebiet niet duiden (150 tegen 100 kg/s). Maar een debiet van gasturbinerook heb je wel nodig voor berekeningen voor de opbrengst van de stoomtubine. Vooruitlopend daarop heb ik rookgas vast in mijn Mathcadberekening gezet. Maar er wordt niet met die waarde gerekend, omdat ik niet wistt hoe men aan die waarde komt. In de uitwerking van de docent komt die 100kg/s trouwens ook nergens terug vreemd genoeg.
 
In de oefenopdracht wordt een inlaatdebiet wordt genoemd van 150ks/s en een uitlaatdebiet van 100kg/s. Ik dacht: dat zal er niet voor niks staan. Maar ik vroeg mij wel af hoe het werkelijke debiet van het rookgas in onze opdracht zou kunnen worden benaderd.
 
Ik ben helemaal niet goed in chemie. Maar na wat scheikundige reacties te hebben ontleed inmiddels lijkt dat er sprake is van een andere configuratie van de betrokken atomen (links en rechts van de reactiepijl dus). De massa van het gas verandert dus niet doorheen de turbine. Klopt toch?
 
In- en uitlaatdebiet worden uitgedrukt in kg/s en zou dus dezelfde moeten zijn. Onderweg in de turbine komt er niks bij en verdwijnt er niks. Klopt toch ook?
 
De gasdruk in de uitlaat is theoretisch weer terug op 1,0 bar. De resterende energie in het rookgas volgt uit diens temperatuur. Klopt dat ook?
 
Bedankt voor je reactie.

[Pinokkio]

Dit is een warboel.
 
Die jpg uit bericht #1 en rekenblad_STEG_DWPEM_v0.3.pdf zijn allebei van de oefenopgave?
In die pdf staat m_lucht = 20 kg/s en m_rookgas = 100 kg/s wat onmogelijk is.
Maar aangezien de volledige tekst van de oefenopgave ons onbekend is kunnen wij er ook niets zinnigs over zeggen
 
En daarna heb je het over 150 en 100 kg/s.
Refereer je daarmee naar de jpg uit bericht #3?
Is dat weer een andere oefenopgave? 
Daarin staat:
Het aangezogen luchtdebiet (uit de omgeving) is 150 kg/s.
En daarna staat er: Het luchtdebiet bedraagt 100 kg/s.
Wat met die 100 kg/s bedoelt wordt is niet duidelijk. Is dat aangezogen lucht? Of is dat rookgas, waarbij een deel van het rookgas blijkbaar niet door de afgassenketel gaat?
 
Dit is niet meer te volgen voor buitenstaanders.
In ieder geval is het zo dat:
Massadebiet van rookgas = massadebiet van lucht + massadebiet van brandstof.
 
Laten we die "voorbeelden" maar even negeren en ons concentreren op jouw opdracht.

Onze opdracht bestaat erin om een 'gemeente te adviseren mbt een STEG-installatie voor een nieuwe woonwijk van 15000 personen'

Dat is wel erg dunnetjes.
 
Wat is de complete en exacte tekst van jouw opdracht?

[maurits60]

Dit is de opdrachttekst:
 
"Een gemeente laat een ontwerp maken van een kleine energiecentrale die voor een stadswijk van ongeveer 15.000 mensen zowel warmte als elektriciteit moet kunnen leveren. Jullie staan in dienst van het adviesbureau dat de gemeente helpt bij de aanbestedingsprocedure. De opdracht bestaat eruit een technische installatie te bedenken die bestaat uit gas- en stoomturbines en te bekijken hoe deze ingericht kan worden om aan de leveringseisen te voldoen. De brandstof is vrij te kiezen, een onderbouwing voor de keuze wordt wel gevraagd. Berekeningen en toelichtingen hierop dienen voor technologen goed navolgbaar te zijn. Het is ook mogelijk om diverse opties aan te leveren, elk met hun voor- en nadelen. Alles wat jullie verder kunnen bedenken om ‘bonuspunten’ in de aanbestedingsproces mogelijk te maken strekt tot aanbeveling."

[maurits60]

In het rekenblad was ik eerder al tot de conclusie gekomen dat een gasturbine van het juiste formaat voor alleen electriciteitsopwekking genoeg energie in de uitlaatgassen heeft om ook aan de warmtevraag te voldoen. Misschien vindt je en de oefeopdrachtomschrijving  warrig en ook mijn berekeningen. Maar kun je zien of mijn berekeningen in rekenblad_STEG_DWPEM_v0.3.pdf kloppen voor electrische en warmteproductie? 
 
Ik dacht van wel. En dus vroeg ik aan de docent of er ook echt een stoomturbine in moest (een gasturbine met afgasketel is ook al een soort STEG-configuratie). Er moest wel een stoomtubine in van de docent. Waarschijnlijk omdat hij dan tijdens het mondelinge tentamen beter onze algehele kennis kan testen. Nu ben ik dus van plan om het vermogen van de gasturbine te verkleinen en het tekort aan electriciteitsproductie op te vangen met de stoomturbine. De restwarmte in de stoom kan je denk ik helemaal ten goede laten komen aan de warmwater. Of die restwarmte in de stoom dan genoeg is voor alle huishoudens moet nog blijken.

[maurits60]

Dit is een warboel.
 
Die jpg uit bericht #1 en rekenblad_STEG_DWPEM_v0.3.pdf zijn allebei van de oefenopgave?
In die pdf staat m_lucht = 20 kg/s en m_rookgas = 100 kg/s wat onmogelijk is.
Maar aangezien de volledige tekst van de oefenopgave ons onbekend is kunnen wij er ook niets zinnigs over zeggen
 
En daarna heb je het over 150 en 100 kg/s.
Refereer je daarmee naar de jpg uit bericht #3?
Is dat weer een andere oefenopgave? 
 

 
Ik heb de uitwerking van de oefenopgave overgezet in mathcad met de hand. Het paste redelijk bij ons uitgangspunt en met mathcad (of ander programma) kun je de Steg makkelijk tunen op papier. Ook bij het mondeling tentamen leek mij dit handig. De docent vraagt bijvoorbeeld: wat gebeurt er als ik dit-en-dit zou veranderen? Dat kun je dan meteen laten zien in Mathcad door de getallen aant te passen. Leek me gewoon handig. That's all. Die 100kg/s snap ik ook niet. Het is zelfs niet een debiet wat je kan toeschrijven aan de stoomtubine, want er wordt gesproken over luchtdebiet. Ik heb de waarde er wel ingezet, maar Mathcad 'ziet' het niet en rekent er dus ook niet mee.
 
edit:
Die 150kg/s komt uit de originel oefenopgave, maar ik heb in Mathcad dat al vrij snel teruggeschroefd naar 20kg/s omdat dit resulteert in een opgewekt electrisch vermogen dat net boven ons benodigde electrisch vemogen ligt. 150ks/s was gewoon veel te veel 

[Pinokkio]

Als ik het nou goed begrepen heb heb je de oefenuitgave uit de jpg van bericht #3 in Mathcad gezet en daarna die 150 kg/s in 20 kg/s veranderd, maar die 100 kg/s niet aangepast, en dat is wat in de jpg en de pdf van bericht #1 staat?
 
Ik denk dat je gezien je opleiding (metaal) aan mag nemen dat het rookgas gewoon de verhitte lucht is, dus 20 kg/s aangezogen lucht betekent 20 kg/s rookgas naar afgassenketel.
 
 
Een paar additionele opmerkingen:
 
In de tekst van de oefenopgave staat dat p₂ = 8 bar, ik neem aan dat dat de compressoruitlaatdruk is.
Voor een moderne gasturbine is dat zeer laag. Niemand zou nu een STEG bouwen met zo'n ouderwetse gasturbine.
 
In de tekst van de oefenopgave staat dat in de afgassenketel oververhitte stoom van 15 bar en 300 ^oC geproduceerd wordt, en in een stoomturbine electriciteit produceert.
Dat is nog absurder. Een moderne STEG zal op veel hogere stoomtemperatuur en -druk opereren.

[maurits60]

In mijn rekenblad.pdf had ik de waarde voor p2 al staan op 14 bar. En de stoomturbine waarmee ik nu bezig ben loopt op 50bar. 
 
Kan je uit de uitlaatgassen van een gasturbine, die zelf ongeveer 7MW vermogen in electriciteit levert, met een warmtewisselaar nog restwarmtevermogen halen ter grootte van 6MW?
 
Deze vraag is een beetje ondergesneeuwd in de onduideklijkheden van mijn kant. Op papier lijkt dit te kunnen in mijn rekenblad.pdf, Als dat inderdaad klopt is het wel een realistisch alternatief om naar te verwijzen onze opdracht.
 
Bedankt voor je reacties.

[Pinokkio]

In mijn rekenblad.pdf had ik de waarde voor p2 al staan op 14 bar. En de stoomturbine waarmee ik nu bezig ben loopt op 50bar.

Aha.
Ik had die pdf niet helemaal doorgenomen. Dit topic begon over het debiet van het uitlaatgas en dat is waar ik naar zocht in die pdf. En daarna begon de verwarring over 20 versus 100 en 150 versus 100.

Kan je uit de uitlaatgassen van een gasturbine, die zelf ongeveer 7MW vermogen in electriciteit levert, met een warmtewisselaar nog restwarmtevermogen halen ter grootte van 6MW?

Normaliter wel.