Efficacité des turbines à gaz : 5 faits intéressants à connaître

• Formule d'efficacité des turbines à gaz
• Courbe de rendement des turbines à gaz
• Efficacité de la turbine à gaz à hydrogène
• Comment calculer l'efficacité d'une turbine à gaz
• Efficacité des turbines à gaz à cycle ouvert
• Exercices de questions

Formule d'efficacité des turbines à gaz

Les turbines sont des machines qui exploitent l'énergie cinétique de n'importe quel fluide et aident à la convertir en une autre forme d'énergie (principalement électrique).

Les turbines qui utilisent le gaz comme fluide de travail sont appelées turbines à gaz. Les turbines à gaz fonctionnent normalement Cycle de Brayton pour obtenir le rendement souhaité.

Pour un cycle de Brayton idéal (illustré dans la figure ci-dessous), l'efficacité est calculée comme suit :

Où, h représente le l'enthalpie et l'indice représentent l'état dans le cycle de Brayton.

Efficacité de la turbine est donné par-

Où,
L'indice s indique l'état réel.

Courbe de rendement des turbines à gaz

Cycle turbine à gaz l'efficacité augmente de manière exponentielle jusqu'à ce qu'une valeur optimale du rapport de pression soit atteinte, après quoi il n'y a pas de changement significatif dans l'efficacité. Les facteurs sur lesquels la efficacité de la turbine à gaz dépend de la température d'entrée, du rapport de pression et du rapport de chaleur spécifique du fluide de travail.

Par contre, la courbe de rendement des turbines à gaz augmente lentement. Avec une température d'entrée plus élevée, l'efficacité de la turbine à gaz augmente. Le graphique ci-dessous montre la relation entre la température d'entrée et le rendement de la turbine.

Efficacité de la turbine à gaz à hydrogène

Le besoin de turbine à hydrogène se pose en raison de préoccupations environnementales. L'hydrogène en tant que carburant est très respectueux de l'environnement. Ces turbines réduisent les émissions de CO2.

L'hydrogène est mélangé au fluide de travail et cette combinaison de mélange hydrogène-carburant donne une meilleure efficacité que l'utilisation de carburant seul. L'utilisation de l'hydrogène en grande quantité est un problème en raison de son stockage. Les gouvernements et les entreprises privées s'efforcent de trouver une solution pour un transport et un stockage plus sûrs du carburant à hydrogène.

Comment calculer l'efficacité d'une turbine à gaz

Les pertes mécaniques entraînent une baisse certaine des performances des machines. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, aucune machine ne peut donner un rendement de 100 %.

L'efficacité des turbines à gaz peut être calculée en utilisant les étapes suivantes-

1. Calculer l'enthalpie à tous les points du cycle de la turbine à gaz.
2. Calculer le travail réel effectué par turbine en utilisant la formule-
   
   Travail effectué = h4-h3
   
3. Calculer le réel travail effectué par la turbine en utilisant les valeurs réelles de l'enthalpie après pertes mécaniques.
4. Calculer l'efficacité en utilisant la relation-

Efficacité des turbines à gaz à cycle ouvert

Un cycle ouvert est un cycle où le fluide de travail n'est pas ramené à ses conditions initiales. Au contraire, il est jeté dans l'évier. La formule d'efficacité de ces cycles ne change pas mais les valeurs changent en raison du changement de valeur des variables que sont la température et les pressions.

Un exemple de cycle ouvert de turbine à gaz est montré ci-dessous-

Exercices de questions

Qu'est-ce qui affecte l'efficacité des turbines à gaz?

L'efficacité des turbines à gaz dépend principalement de trois facteurs :

• Température d'entrée-
  L'augmentation de la température d'entrée de la turbine augmente son efficacité. De plus, la diminution de la température du puits augmente également l'efficacité des turbines à gaz, mais elle peut être réduite jusqu'aux conditions ambiantes uniquement, de sorte qu'elle ne crée pas beaucoup d'effet sur l'efficacité.
• Rapport de pression-
  Le rapport de pression P2/P1 est une caractéristique importante qui affecte l'efficacité de la turbine à gaz.
• Rapport de chaleur spécifique-
  Le rapport de chaleur spécifique pour les gaz parfaits est d'environ 1.4, les gaz réels ont des valeurs d'environ 1.2 à 1.3. Un bon fluide de travail doit avoir une valeur de rapport de chaleur spécifique plus proche de la valeur isentropique qui est de 1.4.
  

Pourquoi les turbines à gaz ont un faible rendement ?

Les turbines à gaz fonctionnent sur des cycles à volume constant. Comme les gaz ont une densité plus faible, ils nécessitent un travail supplémentaire pour être comprimés, ce qui augmente le travail du compresseur.

La formule pour l'efficacité est donnée comme efficacité = travail effectué/chaleur ajoutée

Au fur et à mesure que le travail effectué par le compresseur augmente, le travail net effectué diminue donc l'efficacité globale diminue. L'efficacité des turbines à gaz peut être augmentée de plusieurs façons. Les moyens les plus courants d'améliorer l'efficacité des turbines à gaz sont le refroidissement régénératif, le refroidissement intermédiaire et le réchauffage.

Comment augmenter l'efficacité de la turbine à gaz?

Il existe de nombreuses façons d'augmenter le rendement d'une turbine à gaz. Les facteurs qui affectent directement l'efficacité sont la température, le rapport de pression et le rapport spécifique. La modification de ces valeurs peut affecter directement l'efficacité.

 Par conséquent, les moyens qui sont proposés pour augmenter l'efficacité comprennent la modification de ces valeurs. Diverses méthodes utilisées pour augmenter l'efficacité des turbines à gaz sont-

• Régénération-
  
  Dans cette méthode, les gaz d'échappement sont utilisés pour chauffer le fluide de travail au point 2. Cela entraîne une diminution de la température des gaz d'échappement et une augmentation de l'efficacité. Le diagramme du cycle de la turbine à gaz régénérative et la formule d'efficacité sont donnés ci-dessous-
  

• Refroidissement intermédiaire-
  Dans cette méthode, le travail du compresseur est diminué en comprimant l'air en deux étapes. L'air est refroidi avant d'aller au deuxième compresseur. Ce refroidissement de l'air entre deux étages est appelé intercooling. La diminution du travail du compresseur est directement associée à une augmentation de l'efficacité.
• Le réchauffement-
  Dans cette méthode, deux turbines sont utilisées au lieu d'une. Une turbine est utilisée pour produire du travail et une autre turbine entraîne le compresseur. Plus de chaleur est ajoutée dans ce processus. En raison de la diminution du travail du compresseur et de la température d'entrée élevée, l'efficacité augmente. Le schéma du cycle de réchauffage de la turbine à gaz est présenté ci-dessous-
  

• Réchauffage, refroidissement intermédiaire et régénération combinés-
  Dans cette méthode, les trois méthodes sont combinées. Les coûts d'installation peuvent monter en flèche, mais l'efficacité globale augmente en combinant les trois méthodes ci-dessus.

Rendement du cycle de turbine à gaz combiné

Le cycle de turbine à gaz combiné utilise plusieurs turbines à gaz fonctionnant en tandem pour fournir plus de rendement.

L'échappement d'un seul cycle de turbine à gaz est encore suffisamment chaud pour pouvoir exécuter un autre cycle. Habituellement un échangeur de chaleur est utilisé entre l'échappement du premier moteur et l'admission du deuxième moteur afin d'utiliser différents fluides de travail. La sortie du deuxième cycle est inférieure à celle du premier cycle, mais l'efficacité globale du cycle combiné de la turbine à gaz augmente.

Le premier cycle est appelé cycle de garniture et produit une plus grande efficacité. Le cycle suivant est appelé cycle de fond et peut avoir un carburant différent (en fonction de la température d'échappement du premier cycle) et produit une efficacité moindre que le premier. Globalement, le cycle combiné peut produire 50 % d'efficacité en plus.

La formule pour calculer l'efficacité globale du cycle combiné de turbine à gaz est donnée ci-dessous