Noţiuni introductive privind ciclurile termodinamice ale motoarelor termice şi turbinelor cu gaze. Diagrame entropice de stare, determinarea randamentelor termodinamice

        Instalatia de turbina cu gaze (ITG) este o masina termica care realizeaza conversia energiei chimice a combustibilului în energie mecanica, utilizând ca agent termic un gaz. Gazele utilizate în acest scop pot fi: aer, gaze de ardere, dioxid

de carbon, heliu, etc. Ciclul termodinamic dupa care evolueaza instalatiile moderne de turbine cu gaze este ciclul Brayton, întâlnit în literatura de specialitate si sub denumirea de Joule. În figura 1 este prezentata în coordonate temperatura-entropie (T-s) forma ciclului Brayton teoretic, pentru care se disting urmatoarele transformari termodinamice:

       Din punct de vedere al modului de interactiune între agentul termic si produsele de ardere corespunzatoare sursei calde a ciclului, se disting:

        Agentul de lucru se amesteca cu produsele de ardere la sursa calda si apoi se destind împreuna în turbina, pentru a fi ulterior esapate în atmosfera. Din punct de vedere termodinamic nu se poate vorbi în acest caz despre un ciclu propriu-zis.Închiderea acestuia se realizeaza prin intermediul atmosferei, care reprezinta în acelasi timp si sursa rece a ciclului. În mod exclusiv, la ITG în circuit deschis se utilizeaza ca agent termic aerul.

         Spre deosebire de cazul anterior, atât sursa calda, cât si sursa rece a ciclului se caracterizeaza prin prezenta unor suprafete de schimb de caldura. Agentul termic nu intra în contact direct nici cu produsele de ardere, nici cu fluidul de racire. Masa de agent termic se conserva în interiorul ciclului, deci se pot utiliza în acest scop gaze mai scumpe, dar cu proprietati termodinamice mai bune decât ale aerului: CO2, He.

           Într-o proportie covârsitoare, în centralele termoelectrice se utilizeaza ITG în circuit deschis. ITG în circuit închis au o raspândire limitata, putând fi întâlnite în cadrul unor filiere de centrale nuclearo-electrice.

- Aerul este aspirat de compresor prin intermediul unui filtru FA. Acesta are rolul de a opri eventualele impuritati mecanice care ar conduce la degradarea paletajului compresorului.

-    Dupa compresie, aerul patrunde în camera de ardere unde se amesteca cu combustibilul. Energia necesara compresiei este furnizata de turbina cu gaze (compresorul si turbina cu gaze sunt dispuse pe aceeasi linie de

arbori).

-    Produsele de ardere ies din CA si se destind în turbina cu gaze producând lucru mecanic. O parte din lucrul mecanic produs este utilizat pentru antrenarea compresorului, iar cealalta parte este transmisa catre generatorul electric.

-    Gazele de ardere sunt esapate în atmosfera prin intermediul unui amortizor de zgomot care are rolul de a reduce poluarea fonica.

       Pentru a proteja turbina cu gaze contra fenomenului de eroziune, gazele de ardere provenite din CA trebuie sa fie deosebit de curate din punct de vedere al continutului de pulberi. În consecinta, nu este posibila utilizarea directa în ITG a

combustibililor solizi.

        Tipurile de combustibili folositi in ITG pot fi: combustibili traditionali: gaze naturale, combustibil lichid usor(motorina); combustibili lichizi speciali: metanol, kerosen; combustibili gazosi speciali: gaz de sinteza, gaz de furnal, gaz de gazogen. Gazul natural reprezinta cel mai comod combustibil, atât din punct de vedere al manipularii, cât si al caracteristicilor de ardere. În absenta gazului natural, combustibilul lichid usor constituie un bun înlocuitor. El pune însa o serie de probleme în ceea ce priveste asigurarea unui randament bun al arderii.

Principalii parametrii care caracterizeaza ciclul termodinamic ce sta la baza functionarii ITG sunt:

• Temperatura înainte de turbina cu gaze (T3 )

• Raportul de compresie:

         Acesti doi parametrii sunt utilizati, în general, de furnizorii de ITG în cataloagele de prezentare a produselor proprii.

        

• Cresterea lui conduce în mod nemijlocit la cresterea randamentului si puterii ITG.

• Exista o valoare a raportului de compresie ( ) pentru care randamentul ITG devine maxim (în ipoteza  = const.).

• Exista o valoare a raportului de compresie ( ) pentru care puterea ITG devine maxima (în conditiile în care si debitul de aer aspirat de compresor ramân constante).

• Întotdeauna este valabila relatia:

 

 ITG de tip industrial ("heavy-duty")

 ITG de tip aeroderivativ

          În raport cu o unitate energetica care are la baza un ciclu conventional cu abur, una din principalele caracteristici ale instalatiilor de turbina cu gaze este 

structura compacta.

• Sursa calda a ITG, camera de ardere, are dimensiuni mult mai reduse decât cele ale unui generator de abur, care îndeplineste aceeasi functie în cadrul centralelor termoelectrice conventionale.

• Cele trei piese principale ale ITG - compresorul de aer, camera de ardere, respectiv turbina cu gaze - sunt amplasate una lânga alta. Se elimina astfel necesitatea unor canale lungi de legatura între aceste componente.

• Utilizarea ca sursa rece a aerului atmosferic elimina de asemenea condensatorul si celelalte circuite voluminoase de apa de racire întâlnite uzual la turbinele cu abur.

      Caracteristicile prezentate mai sus genereaza timpi de constructie-montaj foarte redusi în comparatie cu alte filiere energetice. De asemenea, investiţia specifică este relativ scazuta.

        Din punct de vedere al dispunerii componentelor, majoritatea  ITG de tip industrial ("heavy-duty") au adoptat sistemul în care compresorul, turbina cu gaze si generatorul electric sunt situate pe aceeasi linie de arbori. Solutia clasica este aceea prezentata în figura 3, în care turbina cu gaze este încadrata de compresor si de generatorul electric.

         Avantajul acestei dispuneri consta în faptul ca transmisia cuplului mecanic de la turbina se face în conditii bune atât spre compresor, cât si spre generatorul electric.

     Aceasta varianta are însa un dezavantaj major: plasarea generatorului electric la esaparea din turbina obliga schimbarea directiei gazelor de ardere evacuate din ITG cu 90°. Sunt introduse astfel pierderi suplimentare de presiune pe traseul gazelor de ardere, ceea ce diminueaza lucrul mecanic specific si eficienta ITG. Ca urmare, tinând seama si de problemele legate de încadrarea ITG într-un ciclu combinat gaze-abur, a fost revizuita conceptia de dispunere a componentelor pe linia de arbori. Astfel, generatorul electric a fost mutat la "capatul rece", lânga compresor (fig.4). În aceste conditii, gazele de ardere vor esapa din turbina paralel cu linia de arbori, intrând direct în cazanul recuperator fara schimbari de directie, deci cu pierderi minime de presiune. Bineînteles, în acest caz apar probleme privind transmiterea cuplului mecanic în conditii optime catre generatorul electric.

 Destinderea fractionata combinata cu arderea intermediara

 Recuperarea internă de caldură: În scopul cresterii randamentului, un mod eficient este reprezentat de introducerea unui schimbator de caldura. Gazele de ardere, înainte de a fi evacuate din ITG, servesc la preîncalzirea aerului refulat din compresor. Efectul scontat este o diminuare a consumului de combustibil a ITG, în conditiile în care puterea produsa ramâne neschimbata.

 Compresia fractionata combinata cu racirea intermediara

       Motoarele cu ardere interna cu piston pot fi clasate in funcţie de evoluţia fluidului motor in motoare cu piston cu evoluţie alternativă sau rotativă (fig.5)

• procedeul de aprindere a combustibilului;

• durata ciclului;

• procedeul de formare a amestecului aer-combustibil; 

• numărul de curse ale pistonului in care se realizează ciclul motor;

• starea de agregare a combustibilului;

• numărul de combustibili utilizaţi;

• sensul de rotaţie;

• numărul de cilindri.

- mecanismul motor;

- ansamblul de sisteme auxiliare;

- aparatura de control şi automatizare a funcţionarii.

 sistemul de distribuţie;

 sistemul de alimentare cu combustibil

 sistemul de aprindere;

 sistemul de răcire;

 sistemul de ungere;

 sistemul de filtrare;

 sistemul de pornire;

 sistemul de supraalimentare.