Mikroturbinen - Wärmetauscher

[Haarmann]

Ich habe in letzer Zeit einige Konstrukte zB. aus dem Automobilbau betrachtet. Stetig wurde der Wärmetauscher hinter den Verdichter positioniert, also zwischen Verdichter und Brennkammer um exakt zu sein.

Warum steht der nicht vor dem Verdichter?

[ilPatrino]

ist nur ne vermutung, aber ich würde drauf tippen, daß er im ansaugbereich vor dem verdichter die luftzufuhr mehr drosseln dürfte als dahinter.

[Cyphermaster]

Ich habe in letzer Zeit einige Konstrukte zB. aus dem Automobilbau betrachtet. Stetig wurde der Wärmetauscher hinter den Verdichter positioniert, also zwischen Verdichter und Brennkammer um exakt zu sein.

Warum steht der nicht vor dem Verdichter?Hinter dem Verdichter durch die Verdichtung das Gas erwärmt, zusätzlich steckt dann noch die Abwärme vom Verdichter teilweise mit drin = maximale Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft = optimale Bedingungen für effizientes Herunterkühlen der Ladeluft für die Brennkammer.

[Andi_669]

hier stand Quatsch :freak:

[Haarmann]

Cyphermaster

Die heizen nach dem Verdichter aber per Abwärme auf.

Imo wärs doch effizienter gleich die unverdichtete Luft aufzuheizen, da dort die Temperaturdifferenz noch grösser wär.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/86/GasTurbine.svg/694px-GasTurbine.svg.png

Es wird eben zusätzlich geheizt und offenbar macht das viel aus (vgl. Turninenkarren Rover Le Mans).

ist nur ne vermutung, aber ich würde drauf tippen, daß er im ansaugbereich vor dem verdichter die luftzufuhr mehr drosseln dürfte als dahinter.

Ging mir ebenfalls durch den Kopf.

[ilPatrino]

Hinter dem Verdichter durch die Verdichtung das Gas erwärmt, zusätzlich steckt dann noch die Abwärme vom Verdichter teilweise mit drin = maximale Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft = optimale Bedingungen für effizientes Herunterkühlen der Ladeluft für die Brennkammer.
dort wird im gegensatz zum turbolader geheizt statt gekühlt, weil man möglichst hohe brennraumtemperaturen und dafür möglichst wenig sprit einsetzen will.

der ladeluftkühler beim kolbenmotor senkt die brennraumtemperatur, um bauteilbelastungen zu senken und unkontrolliertes zünden (klopfen) zu vermeiden...beim diesel steigen mit der temperatur die stickoxide, weswegen man effizienz (im sinne von verbrauch) opfert, um sauberere abgase zu erreichen.

berechnungen von turbinen sind häßlich

[Cyphermaster]

Cyphermaster

Die heizen nach dem Verdichter aber per Abwärme auf.

Imo wärs doch effizienter gleich die unverdichtete Luft aufzuheizen, da dort die Temperaturdifferenz noch grösser wär.Ah, ok, ich sehe, das ist gar kein Intercooler. :redface:
Ich müßte das zwar noch mit den Gleichungen gegenchecken, aber afair ist es günstiger, komprimiertes Medium zu erhitzen, als erhitztes Medium zu komprimieren. (/edit: gemeint ist damit, daß das Gas im Ansaugbereich des Verdichters expandieren kann)

[Andi_669]

So oben schön am Thema vorbei geschrieben,

ich würde vermuten das es daran liegt das kalte Luft eine höhere Dichte hat als warme,
also wäre es kontraproduktiv die Luft vor der Verdichtung zu erwärmen weil dann eben der Vierdichtungsvorgang nicht mehr so effektiv abläuft,

[Zephyroth]

Das ist schnell erklärt, es gibt mehrere Gründe dafür.

Unterdruck nicht beliebig steigerbar: Unterdruck kann man maximal mit 1bar erzeugen, das ist dann absolutes Vakuum. Druck hingegen (hinter dem Verdichter) beliebig hoch. Sprich einen Druckverlust von 300mbar vor dem Verdichter (der dann nur mehr 700mbar zum ansaugen hat) tut deutlich mehr weh, als 300mbar weniger hinter dem Verdichter (wo dann hinter dem Wärmetauscher nur mehr 4.7bar statt 5bar) rauskommen.

Gasvolumen: Strömungswiderstand erzeugt hauptsächlich der Volumenstrom, nicht der Massenstrom. Hat nun der Verdichter ein Verdichtungsverhältnis von 5:1, bedeutet dies, das das Volumen hinter dem Verdichter nur mehr 1/5 des Volumens vor dem Verdichter beträgt. Sprich statt 5l Gas müssen jetzt nur mehr 1l Gas durch den Wärmetauscher. Dadurch sinkt auch die Strömungsgeschwindigkeit auf 1/5 und das spart ebenfalls Strömungsverluste.

Unter'm Strich hat man zwar etwas weniger Temperaturdifferenz, aber alle anderen Parameter (Strömungsverluste, kompakte Bauweise) profitieren vom Wärmetauscher hinter dem Verdichter und vor der Brennkammer.

Grüße,
Zeph

[Haarmann]

Zephyroth

Das war dann in meinem Kopf wie beim Texas Holdem Poker (Vorsicht - danach nie mehr Pokern). Einerseits kann ich mein Blatt sehen und damit rechnen. Andererseits kann ich das ganze Spiel betrachten.

Wenn ich die ganze Wärekraftmaschine betrachte, dann ist jeglicher Verlust von Wärme halt schlecht. Ergo hätte ich Freude, wenn ich die Abgase durch das kältere, einströmende Gas führen kann und damit den Wärmeverlust verkleinern kann.

Andererseits sehe ich die Probleme, so wie Du, mit dem Verdichter, der dann eben wohl mehr Arbeit kriegt.

Nur hat sich bei mir eben auch beim Pokern das System als stärker erwiesen ...

Mein Verdacht ist eher, dass ich keinen derartigen Wärmetauscher hinbekomme, der die Leistung hinbekommt, weil die Ansaugluft eben "dünner" ist.

Ich müsste ja dann im Prinzip auch ein Mehrfaches an Oberfläche hinbekommen.

[Cyphermaster]

Sowas ist auch nicht mit besserem Wärmetausch hinzubekommen. Du erwärmst das Gas, woraufhin es sich entsprechend der Erwärmung ausdehnt, was durch seine Kompressibilität und dadurch, daß du dich im "offenen" Saugbereich des Verdichters befindest, auch nicht umgangen werden kann. Das bedeutet, unabhängig des Wirkungsgrads des Wärmetauschs geht ein Teil der Wärmezufuhr in die (kontraproduktive, weil Vergrößerung) Volumenänderungsarbeit. Das passiert zwar bei einer Erwärmung nach dem Verdichter auch, allerdings sorgt der (als quasi "stömungsmechanisches Rückschlagventil") in dem Fall dafür, daß diese Ausdehnung erst in/durch Brennkammer/Turbinenteil nutzbringend passiert.

Siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Spezifische_W%C3%A4rmekapazit%C3%A4t

"Zudem ist die spezifische Wärmekapazität von der Prozessführung der Erwärmung bzw. Abkühlung abhängig, vor allem bei Gasen. Insbesondere wird zwischen der spezifischen Wärme bei konstantem Volumen ( cv )und der bei konstantem Druck ( cp ) unterschieden. Bei konstantem Volumen kommt die gesamte Wärmezufuhr der Temperaturerhöhung zugute. Wenn sich das Gas jedoch ausdehnen kann, dann wird ein Teil der Wärme für die Verrichtung der Expansionsarbeit aufgewendet und fehlt damit für die Temperaturerhöhung."

[Haarmann]

Cyphermaster

Müsste ich ergo kompensieren durch zB eine 2 stufige Axialverdichtung, dazwischen der Wärmetauscher, statt einer 1-stufigen Radialverdichtung.

[Zephyroth]

Das Problem beim Axialverdichter ist die maximale Verdichtung einer Stufe. Da liegt man zwischen 1,2:1 und 1,5:1, während ein Radialverdichter auch 5:1 schafft.

Für einen annehmbaren Wirkungsgrad braucht man etwa 10:1 (wie beim HKM), das bedeutet je nach Auslegung 6-12 Axialstufen, oder eine Kombination aus 2 Axial-und einer Radialstufe.

Es ist kein Problem Gasturbinen groß und effizient zu bauen, aber in PKW-Größe wird's ein echtes Problem effizient zu bleiben. Schon allein deshalb, weil die Spaltverluste überproportional ansteigen (ein 0.5mm Abstand zwischen Verdichter und Gehäuse wirkt sich bei einer 70mm-Turbine anders aus als 1mm bei einer Großturbine mit 600mm Durchmesser).

Abgesehen davon kann man viele Techniken, die in Großturbinen möglich sind im PKW aufgrund der Größe nicht verwenden, wie beispielsweise die Schaufel-Innenkühlung mit Zapfluft. Die Schaufeln würden dann einfach zu dünn werden. Also muß man mit der Turbineneintrittstemperatur runter (~1200°C), was nochmals den Wirkungsgrad drückt.

Grüße,
Zeph

[Haarmann]

Zephyroth

Deswegen nutzten die wohl alle die Radialverdichter.

Ev würde es reichen, wenn ich vor den Wärmetauscher, der nun vor dem Radialverdichter steht, eine einzelne Axialstufe hinzufügte, damit die Expansion des Gases, sprich der Ansaugluft, unterdrückt wird.

Nebenher wurden diese Triebwerke nicht extra gekühlt damals.

[Cyphermaster]

Wenn du die Axialstufe hinzufügst, um die Expansion zu unterdrücken und den Erwärmungsschritt isochor zu halten, steckst du damit doch (sogar im idealen Fall) exakt so viel Arbeit/Energie zusätzlich rein (bzw. zapfst sie von der Welle), wie du über die zusätzliche Vorwärmung der Ansaugluft an Mehrleistung rausholen willst.