Bilgiseller / Gemi makineleri ve enerji
Buhar türbinlerinde ıslaklık: genleşme yolu, damlacık erozyonu ve güç kaybı
Buhar genleşmesinden çıkış kuruluk derecesini ve şaft gücünü hesaplayın; denge ıslaklığı ile erozyon riskini ayırın ve daha kuru çıkışın neden daha düşük verimle birlikte görülebileceğini öğrenin.
Bu sayfada
Buhar türbine kızgın olarak girip buhar-sıvı karışımı halinde çıkabilir. Genleşme sırasında basınç düşerken entalpinin bir kısmı işe dönüşür; süreç iki fazlı bölgeye girebilir. Çıkış ıslaklığı önemlidir, fakat tek bir nem yüzdesi damlacık dağılımını, kanada çarpma koşullarını veya alınan gücü açıklamaz. Yararlı bir çözümleme bu soruları ayrı tutar.
Kuruluk derecesi iki fazlı halde kütle oranıdır
Dengedeki doymuş sıvı ve buhar karışımında x kuruluk derecesi, buhar kütlesinin toplam karışım kütlesine oranıdır. Islaklık 1 − x olur. Dolayısıyla x = 0,90, kütlece %10 sıvı demektir; hacimce %10 sıvı demek değildir. Sıvı ve buhar yoğunlukları çok farklı olduğundan iki temeli karıştırmak akışın fiziksel yorumunu değiştirir.
Belirli doyma basıncında karışım özellikleri h = hf + x hfg ve s = sf + x sfg ile bulunur. f doymuş sıvıyı, fg ise buhar ile sıvı arasındaki farkı belirtir. Dengedeki iki fazlı bölgede basınç ve sıcaklık tek başına x değerini belirlemez; doyma sıcaklığı zaten basınca bağlıdır. Entalpi veya uygun bir ölçüm gibi ek bilgi gerekir. Kızgın buhara 0–1 aralığında kuruluk derecesi atanmaz.
Genleşme işi ile kısılma farklı süreçlerdir
Sürekli çalışan, yaklaşık adyabatik, tek giriş ve çıkışlı bir türbinde potansiyel enerji değişimi ve tutarlı biçimde kinetik enerji değişimi ihmal edilirse akışkan gücü, kütlesel debi ile h1 − h2 çarpımıdır. Tersinir adyabatik referans genleşmede aynı çıkış basıncında s2s = s1 olur. Türbin izentropik verimi ηis = (h1 − h2)/(h1 − h2s) olarak tanımlanır. Referans çıkış, ikinci bir ölçülmüş akış değil, hesaplanan karşılaştırma halidir.
DOE Steam System Survey Guide, entalpi düşüşü ve izentropik verim yaklaşımını kullanır. Basınç düşürücü vanada ise ısı geçişi ve hız değişimi ihmal edildiğinde entalpi yaklaşık sabittir; şaft işi üretilmez. Aynı basınç düşüşü vana ve türbinde aynı çıkış halini vermek zorunda değildir. Önemli çıkış hızı bulunan gerçek sistemde kinetik enerjiyi sessizce silmek yerine toplam/statik hal tanımı tutarlı kullanılmalıdır.
Girişi, çıkış basıncını ve özellik temelini belirleyin
Örnekte ara çekişsiz 5 kg/s buharın 3,0 MPa mutlak basınç ve 400°C sıcaklıkta girip 0,010 MPa mutlak basınca genleştiği varsayılsın. Yuvarlatılmış NIST IAPWS-95 tablo değerleri h1 = 3231,7 kJ/kg ve s1 = 6,9234 kJ/(kg·K) olsun. Çıkış basıncında doyma sıcaklığı 45,806°C; hf = 191,81 kJ/kg, hfg = 2392,1 kJ/kg, sf = 0,64920 kJ/(kg·K) ve sfg = 7,4996 kJ/(kg·K) değerleridir.
İzentropik verim 0,85; akışkan işinden yararlı şaft çıkışına geçişte ayrıca tanımlanan mekanik verim 0,98 alınır. Modelde ara çekiş, kaçak, ara kızdırma veya nem ayırma yoktur. Verimler varsayımdır; belirli bir gemi türbinine ait performans iddiası değildir. Basınç mutlaktır; atmosfer basıncına göre verilen kondenser vakumu doğrudan 0,010 MPa olarak kullanılamaz.
Önce izentropik referans hali hesaplayın
Referans kuruluk derecesi x2s = (s1 − sf)/sfg = (6,9234 − 0,64920)/7,4996 = 0,83660 olur. Sonuç sıfır ile bir arasında olduğundan iki fazlı hesap kendi içinde tutarlıdır. Ardından h2s = 191,81 + 0,8366046 × 2392,1 = 2193,05 kJ/kg bulunur. İdeal entalpi düşüşü 3231,7 − 2193,05 = 1038,65 kJ/kg değerindedir.
Hesaplanan x birden büyük olsaydı referans hal kızgın bölgede olur ve karışım denklemi yerine kızgın buhar özelliği hesabı gerekirdi. Sıfırdan küçük sonuç da bu denklemin amaçlanan bölgesi dışındadır. Fazın kontrolü hesabın bir parçasıdır. Ara işlemlerde ek basamaklar tutulabilir; mühendislik sonucu ise yuvarlatılmış giriş tablolarıyla uyumlu hassasiyette verilmelidir.
Sonra gerçek ıslaklığı ve şaft gücünü bulun
Gerçek entalpi düşüşü 0,85 × 1038,6481 = 882,8509 kJ/kg olur. Böylece h2 = 2348,8491 kJ/kg ve x2 = (2348,8491 − 191,81)/2392,1 = 0,90173 bulunur. Denge modelindeki çıkış kütlece %9,8265 sıvıdır. Kuru doymuş buhardan daha ıslak, izentropik referans çıkışından ise daha kurudur.
Akışkan gücü 5 kg/s × 882,8509 kJ/kg = 4414,25 kW değerindedir. Ayrı tanımlanan mekanik verim uygulanınca şaft gücü 0,98 × 4414,25 = 4325,97 kW, yaklaşık 4,326 MW olur. Jeneratör verimi, yardımcı tüketimler ve tüm çevrimin ısı girişi bu şaft sınırının dışındadır. Islak buhar kayıpları varsayılan türbin veriminde zaten temsil ediliyorsa ayrıca keyfi bir ıslaklık cezasıyla çarpmak aynı kaybı iki kez sayar.
Daha kuru çıkış daha iyi performansı kanıtlamaz
Giriş, çıkış basıncı ve debi aynı kalırken ηis = 0,75 alınsın. Çıkış entalpisi 2452,71 kJ/kg değerine, denge kuruluk derecesi 0,94515 değerine yükselir; ıslaklık yalnızca %5,4846 olur. Ancak akışkan gücü 3894,93 kW, şaft gücü 3817,03 kW değerine düşer. Daha az enerji işe dönüştürüldüğünden çıkışta daha fazla entalpi kalmıştır.
Bu kontrollü karşılaştırma, kanatları korumak için türbini verimsiz çalıştırma önerisi değildir. Çıkış kuruluğunun tek başına verim göstergesi olmadığını gösterir. Ara kızdırma, uygun giriş koşulları veya tasarlanmış nem ayırma düzeni genleşme yolunu ve sıvıya maruz kalmayı farklı mekanizmalarla değiştirir. Tam tasarım karşılaştırmasına ısı girişi, basınç kayıpları, çekiş etkileri ve çalışma sınırları dahil edilmelidir.
Denge ıslaklığı tek başına erozyonu öngörmez
Hızla genleşen buharda yoğuşma anlık denge varsayımından sapabilir. Damlacıklar oluşabilir, büyüyebilir, yüzeylerle etkileşip film halinde birikebilir; bu filmlerden kopan sıvının boyut dağılımı ilk yoğuşan damlacıklardan farklı olabilir. Damlacık ile kanat arasındaki bağıl hız, çarpma açısı, damlacık boyutu, maruz kalma süresi ve yüzey durumu erozyonu etkiler. Ortalama kütle oranı bu yerel koşulları veya kalan kanat ömrünü tek başına belirlemez.
Sıvı hareketi aerodinamik ve momentum alışverişi kayıpları da oluşturur; buhar ve sıvının hızları aynı olmak zorunda değildir. Ayrıntılı ıslak buhar modeli kademe geometrisi ile uygun faz değişimi ve damlacık yaklaşımı ister. Buradaki basit çıkış kuruluğu hesabı termodinamik bir ön değerlendirmedir. Damlacık yörüngesi benzetimi veya evrensel izin verilebilir ıslaklık kuralı değildir.
Nem yönetimi makine tasarımının parçasıdır
Mitsubishi Power, düşük basınç kademelerindeki yoğuşmuş damlacıkları uzaklaştırarak erozyonu azaltan drenaj yakalayıcılarını açıklar. Kaynak jeotermal türbinlere aittir; fiziksel bir tasarım önleğini gösterir, herhangi bir gemi kurulumunu onaylamaz. Malzeme, erozyona dayanıklı yüzey işlemi, drenaj, ayırma ve ara kızdırma düzenleri makine ve hizmet koşuluna bağlıdır.
Çalışma değişikliği üreticinin giriş koşulları, yük aralığı, çıkış sınırları, drenaj düzeni ve muayene ölçütleriyle karşılaştırılmalıdır. Olumlu ortalama kuruluk tahmini, koruma ayarlarını değiştirmeyi veya sıvı taşınması bulgularını önemsememeyi haklı çıkarmaz. Benzer şekilde yüzey erozyonu; çalışma geçmişi, birikintiler, damlacık yolları ve diğer hasar mekanizmaları incelenmeden tek bir nem yüzdesine bağlanamaz.
Savunulabilir performans ve durum kaydı oluşturun
Giriş basıncı ve sıcaklığı, çıkış mutlak basıncı, kütlesel debi, çekiş/kaçak yolları ve şaft ya da elektrik ölçüm sınırı kaydedilir. Özellik formülasyonu, kinetik enerji yaklaşımı ve ilgili ıslak buhar kayıplarının verime dahil olup olmadığı yazılır. Çıkış doyma bölgesindeyse basınç ile sıcaklığın uyumu, hesaplanan kuruluk derecesini bağımsız olarak doğrulamaz.
Ardından eşdeğer yükler ve sınır koşulları karşılaştırılıp termodinamik hesap makinenin durum bulgularıyla birleştirilir. İki ayrı sonuç önemlidir: belirtilen enerji dengesinde alınabilir işi entalpi düşüşü belirler; yerel erozyona maruz kalmayı ise sıvı dağılımı ve çarpma koşulları etkiler. İkisi de tek bir “kuruluk iyidir” sayısıyla değiştirilemez.