טורבינות גז הן מרכיבים חיוניים בדור כוח ותעשיות תעופה.יעילותן ואמינותם תלויים במידה רבה במערכות קירור יעילות.בין שיטות קירור שונות, מערכות קירור גז טורבינות פתוחות זכו לעניין בשל הפשטות והיתרונות הפוטנציאליים שלהם עלות. מאמר זה חוקר את האפשרות של יישום מערכות כאלה ביישומים מודרניים, בחינת עקרונות תרמודינמיקה, שיקולים עיצובים ברמת הרכיב, סחר סביבתי, טכנולוגיות מתפתחות המעצבות את יכולתן.

עקרונות פתוחים-Loop Cooling

במערכת קירור גז פתוחה-פרבין גז, חלק מהאוויר המדחוס מן השחרור הדחיסה או זרם מעריצים נפרד מופק, נצמד דרך מעברים פנימיים בתוך להבים טורבינות, נדרים, ושמיכות, ולאחר מכן מותש ישירות אל נתיב הגז.בניגוד להגדרות סגורות-פרפרבין, אשר מפיץ קור רוח ייעודי באמצעות החלפת חום, מערכות פתוחות משתמשות את העבודה עצמה כמו נוזל אחד לזרמים לפני זרימת גז ראשי ממשיך.

היתרון התרמודדימי הבסיסי של קירור פתוח הוא הפשטות שלו.הקרר תמיד טרי, חופשי ממזהמים שיכולים לצבור במערכת תיקון, ובטמפרטורה שנקבעה על ידי תנאי היציאה של הדחיסה.עם זאת, העונש הוא משמעותי: אוויר קירור מייצג אוויר שיכול לשמש אחרת לבעירה או לייצר עבודה בטורבינה.

יעילות הקירור של מערכת פתוחה נשלטת על ידי היחס של קירור לטמפרטורות גז חם, את הפחתת החום בין הקיר הקיר הקיר המרכיב, ואת הגיאומטריה הפנימית של ערוצי הקירור. המודרנית מודלים של דינמיקות גבוהה גבוהה גבוהה גבוהה מאוד מאפשר למהנדסים לייעל פרמטרים אלה כדי להשיג קירור אחיד תוך צמצום כמות של אוויר מדמם הנדרש.

המונחים: level Cooling

Turbine Blades ו-Vanes

טורבינות שלב ראשון נושל מדריך ו להבים מסתובב נחשפים לטמפרטורות הגז הגבוהות ביותר במנוע, לעתים קרובות מעל 1500 מעלות C במכונות מודרניות.ללא קירור יעיל, רכיבים אלה יכשלו בתוך דקות. פתח-פרפרור אוויר קירור עבור להבים ו Vanes בדרך כלל מעסיק שילוב של קירור פנימי וסרט קירור.

העיצוב של חורים קירור סרט התפתח מחורבנים עגולים פשוטים לעצב, חריצים בסגנון דיפרף שמשפרים כיסוי ולהפחית את ההפסדים התערובת אשר לערער את יעילות קירור. טכנולוגיות ייצור גמישות עכשיו לאפשר ייצור של גיאוגרפיות פנימיות מורכבות עם ערוצי קירור מעוצבים כי לעקוב אחר המשטח של להב, השגת יותר טמפרטורות מתכת אחידות וצמצום הסיכון של כתמים חמים.

קובוס ו- Exhaust

קידוד הקובוסטור וגביעת המעבר נהנים גם מקירור פתוח, אם כי הטעינה התרמית היא פחות קיצונית מאשר בקטע טורבינות. קומבוסים משתמשים בקירור effusion או קירור אוויר המסופק מ casing דחוס.ב- diffuser exhaust, קירור אוויר עשוי להיות מוזרק כדי להגן על רכיבים מבניים מפני קרינה תרמית של נתיב הגז במורד הזרם.

ביצועים וסחר-Offs

האתגר המשמעותי ביותר של מערכות קירור פתוחות הוא עונש אוויר מדמם.על טורבינת גז בצורת גודל טיפוסית, עד 15% מהאוויר השחרור הדחוס עשוי לשמש ל קירור בתנאי עומס בסיס עם ירי מעל 1400 מעלות צלזיוס. זה מדמם אוויר עקף את תהליך הבעירה ועושה עבודה רק בשלבים מאוחרים יותר לאחר שהוא מחומם על ידי גז חם.

לדוגמה, טורבינת גז של 100MW עם שבריר מדמם של 10% עשויה להקריב כ 5MW של כוח ו 2-3 נקודות של יעילות תרמי יחסית למנוע מגניב לחלוטין.עם זאת, מנועי אמיתי לא יכולים לפעול ללא קירור, כך שההשוואה היא נגד אפשרויות סגורות או חלופות קירור מתקדמות.

מערכות Open-loop גם מתמודדות עם האתגר של רגישות לטמפרטורה מחממת.בימים חמים, האוויר הדחוס פחות צפוף, צמצום זרימת המסה דרך המנוע והעלאת טמפרטורת היציאה הדחיסה.אוויר קריר יותר זה פחות יעיל להסרת חום ממרכיבים, הדורשים שברים מדממים גבוהים יותר או דפדרציה של טורבינה כדי למנוע אירועים ממושכים.

השוואות עם מערכות סגורות-Loop

מערכות קירור סגורות, הידועות גם בשם מערכות קירור עקיפות, מסובכות קרירה (בדרך כלל קיטור, מים או נוזל ביקורתי כגון CO2) באמצעות רכיבי טורבינות ולאחר מכן דרך החלפת חום חיצוני לפני שחזרה אל החלק החם.הקר נשאר נפרד מנתיב הגז הראשי, אשר מבטל את ההפסדים המשולבים בקירור פתוח-פר.

  • יעילות:0 (thermalיעילות:FLT:1 Closed-loop Systems להשיג 1-3 אחוז מצביע על יעילות גבוהה יותר בתצורה של מחזור משולב עקב דרישות נמוכות יותר של דמם אווירי.
  • עלות קפיטליזם:0 (FLT:1) מערכות Open-loop עולה 20-40 אחוזים פחות להתקין כי הם אינם דורשים חילופי חום חיצוניים, משאבות, או מערכות טיפול מגניבות.
  • מורכבות:0 (הכוללת) מורכבות: מערכות Open-loop 1:1 יש פחות רכיבים בלבוש ופחות ממשקים שיכולים להדליף, להפחית את נטל התחזוקה.
  • (FLT:0) ,Operating טווח: 1FLT:1 מערכות Closed-loop יכולות לשמור על יעילות קירור בטווח רחב יותר של טמפרטורות מתוחכמות ותנאי עומס מבלי לדרוש אוויר מדמם נוסף.
  • (FLT:0) ההשפעה של ההנעה:FLT:1 למערכות Open-loop מפורקות אוויר מחומם ישירות לתוך הצנרת הממצה, לתרום לזיהום תרמי מקומי ורעש; מערכות סגורות דוחות חום דרך מגדל קירור או condenser, אשר ניתן להפחית בקלות רבה יותר.

עבור יישומים שבהם יעילות גבוהה היא בראש סדר העדיפויות - כגון תחנות כוח מחזור משולב גדולות - מערכות סגורות לעתים קרובות להצדיק את העלות הנוספת שלהם. בניגוד, מחזור פשוט שיא צמחים ומנועי אוויר-דרטיביים, שבו עלות הון וסטארט-אפ מהירים הם קריטיים, מערכות פתוחות נשאר הבחירה הדומיננטית.

שיקולים סביבתיים ושיקום

מערכות קירור פתוחות מתפוררות אוויר חם לסביבה, או דרך ערימה ממצה (עבור טורבינות אוויר-אוויר) או לתוך גוף מים (עבור פעם דרך מערכות מים-ממות מים) הזיהום התרמי הקשורה לפריאות אלה מוסדרים בתחומים רבים של סמכות שיפוטית בארצות הברית, הסוכנות להגנת הסביבה (EPA) מציבה מגבלות על מתקני צריכת מים קירור תחת סעיף 316b) של מערכות מים נקיות, ופירוק אווירי עדיין לא יכול לכלול את הגזים חמים.

הרעש הנפלט מתחנות אוויר קירור פתוחות הוא שיקול סביבתי נוסף.אוויר הבשלה גבוהה היוצאת מחורב קירור וניקוי קצה להב יוצר רעש אווירודינמי רחב שיכול לעלות על 90 dB ליד אמצעי טורבינות. רעשים רעשים - כגון מתחמי אקוסטי, שתיקה ו baffles - עלות ומורכבות למתקן בטמפרטורות צפופות או סביבתיות פחות, כמו אזורים רגישים יותר מאשר למערכות רגישות.

ככל דרישות הקיימות מתדקות, צריכת המים של ציוד ייצור חשמל באה תחת בדיקה. Open-loop Air קירור משתמש ללא מים, המהווה יתרון משמעותי באזורים עקשניים.תכונה זו הופכת מערכות פתוחות אטרקטיביות לתחנות כוח באזורים דמויי בצורת או היכן זכויות מים מוגבלות.המסחר הוא כי מערכות קירור יבשות (כולל קירור אוויר פתוח) בדרך כלל יש יעילות של 2-5 אחוזים בהשוואה למים סגורים, אשר חייבים להיות מוערכים במערכות מים מקומיות.

עלויות ההסתברות והמחזוריות הכלכליות

מנקודת מבט כלכלית, יכולת של מערכות קירור פתוחות תלויה בפרופיל התפעולי הצפוי, עלות הדלק, מרווחי תחזוקה.עבור צמחי עומס שפועלים יותר מ-6000 שעות בשנה, עונש היעילות של קירור פתיחות מתרגם לעלויות דלק משמעותיות במהלך חיי הצמח. הבדל של 2 נקודות יעילות תרמית עבור 100 MW גז טבעי שריפת גז טבעי ב-4 / Btu יכול לעלות לתצורה של $ 2000,000 $ בשנה.

עם זאת, עבור פסגות צמחים הפועלים פחות מ 2000 שעות בשנה, הון עלות היתרון של מערכות פתוחות שולט בניתוח הכלכלי.ההשקעה הראשונית נמוכה משתפרת על הון ולהפחית את הסיכון הפיננסי הקשור להורדת מחירי החשמל.בנוסף, המורכבות התחזוקה מופחתת של מערכות פתוחות-לופ - אין מחליפים חמים מגניבים לניקוי, לא משאבות כדי לשמור, ולאטום להחליף - יכול להיות נמוך יותר מ 5 אחוזים - 10 חלופות סגורות.

הזמינות של חלקים ותמיכה בשירות גם משפיעה על תאימות.עיצובים קירור פתוח הם בוגר ומבוסס היטב על שרשרת האספקה. להבים חלופיים ו Vanes עם תבניות חור קירור סטנדרטי זמינים בקלות מיצרנים מרובים, אשר שומר על רכש זמני להוביל זמנים קצרים ותחרותיים. עבור מערכות סגור-loop, רכיבים מיוחדים - כגון רק עיכובים רוטטים, משאבות קירור גבוה, ו-corros- עשוי להיות זמין רק עלות מקוריות (למשל עלות) עלות גבוהות של ציוד אספקה מקוריות), אונקטיביות גבוהות של ציוד מקוריות גבוהות של ציוד מקוריות (או-או-או-או-או-או-או-ידי הגדלת עלויות).

תוצאות חיפוש ב- Aviation vs. Power Generation

בטורבינות גז תעופה, קירור פתוח הוא כמעט אוניברסלי.המגבלות משקל ומרחב של מטוס להפוך מערכות קופות סגורות לא מעשי, ואת מחזורי התפעול הקצר להפחית את החשיבות של רווחי יעילות לטווח ארוך. מנועי צבא, במיוחד, לדרוש יחס גבוה למשקל לדחוף עד משקל ותגובה מהירה של רצף, אשר מערכות פתוחות לספק דרך זמינות נמוכה ומיידית של אוויר קירור מטוסים מסחריים כבר לפני 9 שנים, כמו טמפרטורות פתוחות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פתוח, 000, 000, 000, 000, 000 פתוח, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פתוח, 000, 000, 000, 000, 000 פתוח פתוח פתוח, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פתוח פתוח פתוח, 000, 000, 000 פתוח פתוח פתוח פתוח פתוח פתוח, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פתוח, 000 פתוח, 000

בדור כוח, הבחירה בין פתח-פרון סגור תלוי ביישום. צמחי מחזור משולבים גדולים לרוץ על בסיס איפור קירור אדים בקנה מידה סגור עבור היעילות הגבוהה ביותר האפשרית.פשוט מחזור שיא צמחים, גנרטורים חירום, ו טורבינות כונן מכני עבור צינורות ומדחסחסנים בדרך כלל להשתמש קירור אוויר פתוח-פרלופ בגלל עלות ההון התחתון שלה, סטארט-אפ מהיר יותר ותחזוקה תעשייתית פשוטה יותר של גזים בקורדור ויישומים מעגליים לעתים קרובות לשימוש פתוח עבור מערכות חימום חם.

מגמה אחת מתפתחת היא השימוש בקירור פתוח בטורבינות גז מודולריות קטנות (1-20MW) המיועד למשאבים אנרגיה מבוזרים.יחידות אלה מותקנות לעתים קרובות באתרים מרוחקים או עירוניים שבהם אספקת מים מוגבלת ותחזוקת הם מעטים.אוויר פתוח-loop מבטל את הצורך בטיפול קריר, מקטין מורכבות ומשפר את האמינות - מספק כי לעתים קרובות עולה על אובדן הגמישות הצניעות במכונות קטנות אלה.

חידושים טכנולוגיים וכיוונים עתידיים

כמה התפתחויות טכנולוגיות משפרות את יכולתן של מערכות קירור פתוחות-פרלופ (AM) ייצור אדקטיבית (AM) מאפשר ייצור להבים טורבינות עם גיאוגרפיות קירור פנימיות מורכבות - כגון מבני מנוף וערוצים משוריינים - המספקים יותר יעילות של העברת חום עם אובדן לחץ נמוך יותר. AM גם מאפשר ייצור של חורים בצורת קירור עם זוויות הרחבה אשר להפחית את האנרגיה הקינטית של היציאה מגניבה, ובכך להפחית את אותם 10 אחוזים עלולים להפחית את הפערים בלחץ נמוך יותר.

מרגרמת צוואר הרחם Ceramic (CMCs) מייצגת פריצת דרך נוספת.CMCs יכול לפעול בטמפרטורות 150-200 מעלות צלזיוס גבוה יותר מאשר Superalloys מבוסס ניקל, תוך הדורש פחות אוויר קירור.מנוע GE9X משתמש ב- CMC טורבינות CMC וקוטור קוטור, המאפשר טמפרטורות ירי גבוהות יותר ללא הגדלת עונש הדם קירור.

מערכות קירור היברידיות המשלבות תכונות פתוחות וסגורות הן גם בפיתוח.בקונספט אחד, הצמיגים בשלב הראשון מגניבים עם מעגל אדים סגור (כדי ללכוד את אזור הטמפרטורה הגבוה ביותר ללא הפסדים תערובת) בעוד להבים מסתובבים משתמשים בקירור אוויר פתוח (כדי למנוע מורכבות של איטום רוטט עבור קיטור). גישה זו יכולה להשיג יעילות קרובה לשיטות סגורות לחלוטין תוך שמירה על המהימנות והתחזוקה הרגישה ביותר של רכיבי תחזוקה הפתוחים ביותר.

מסקנה

האפשרות של מערכות קירור גז פתוח-פרבין תלוי בדרישות ספציפיות של כל יישום - מגבלות עלות הון, פרופיל תפעול, מחיר דלק, תנאי הסביבה הרגולטורית, ויכולת תחזוקה. עבור יישומים שבהם פשטות, עלויות נמוכות ראשוניות וסטארט-אפ מהיר הם רב-חשיבות - כגון פסגות תחנות כוח ומנועי תעופה - מערכות פתוחות נשאר הבחירה המעשית ביותר.

עבור עומס אופניים משולב צמחים שבו כל חלק של נקודת יעילות מתורגם ל מליוני דולרים בחיסכון בדלק חיים, מערכות קופות סגורות ימשיכו לשלוט.עם זאת, הפער בין שתי הגישות הוא צר, עיצובים עתידיים טורבינות יכול לשלב את התכונות הטובות ביותר של בסופו של דבר, ההחלטה דורשת הערכה טכנולוגית יסודית-כלכלית כי הוא אחראי על כל הגורמים הספציפיים לאתר.

לקריאה נוספת על טכנולוגיות קירור גז והשלכות התרמודינמיקה שלהם, המשאבים הבאים מספקים הדרכה סמכותית: ASMEFLT:0Gas Turbine Cooling ReviewFLT:1, the following משאבים מספקים הדרכה סמכותית:2U.S מחלקת האנרגיה Turbine טכנולוגיה תוכנית טכנולוגיית Turbine; ופרויקט 4GE Gas Powerbine יקר ערך TurbjectFal:2U.com: 5 תקני ISO (IAP) הם גם דרישות סטנדרטיות עבור תקן סטנדרטיות של מערכת ההפעלה הבינלאומית (IAP)