Warum dreht sich eine Turbine mit Dampf effizienter?

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Zum Beispiel habe ich ein Abgasrohr mit sehr heißer Luft aus brennendem Biokraftstoff und eine Turbine am Ende des Abgases, die rotiert und Strom erzeugt.

Warum ist es effizienter, die Wärme zum Kochen von Wasser zu verwenden, als den erzeugten Dampf zum Drehen der Turbinen zu verwenden? Wie kommt es, dass beim Drehen der Turbinen mit Dampf mehr Strom erzeugt wird als mit Dampf, wenn dieselbe Menge Biokraftstoff verbrannt wird?

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— Mohdak
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— Paul

Wenn Sie einen schönen, beständigen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff haben, ist es möglicherweise besser, ihn in einem Verbrennungsmotor (ICE) oder einer Gasturbine zu verbrennen, um mechanische Arbeit zu erzeugen, als ihn zum Erhitzen von Dampf in einem Rankine-Zyklus zu verwenden. Dampfkreisläufe werden normalerweise für Brennstoffe gewählt, die für ICEs oder Gasturbinen schwer zu verwenden sind, wie feste Brennstoffe, Kernbrennstoffe oder andere langsam brennende Brennstoffe.

— Carlton

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Der Hauptgrund ist, dass eine Turbine einen Druckabfall benötigt, um dem Arbeitsfluid Energie zu entziehen. Der in einer Turbine beobachtete Temperaturabfall ist eine Folge der Expansion des Fluids; Die Turbine hat keine Möglichkeit, die Wärmeenergie direkt aus der Flüssigkeit zu extrahieren.

Die von der Flüssigkeit geleistete Gesamtarbeit wird typischerweise als Änderung der Enthalpie ausgedrückt, die die Summe der inneren Energie (Wärme) und der durch Expansion (Druckabfall) geleisteten Arbeit ist: . Wenn der Abgasdruck Ihrer Brennkammer nicht viel höher als der Umgebungsdruck ist, fällt an der Turbine nicht viel Druck ab und daher wird vom Gas nicht viel Arbeit geleistet. Das Gas verlässt die Turbine mit einer relativ hohen Temperatur, was darauf hinweist, dass noch viel Energie vorhanden ist, die nicht von der Turbine extrahiert wurde. $\Delta H = \Delta U + \Delta (PV)$

Die Lösung, um diese verschwendete Energie einzufangen, besteht darin, einen Teil dieser Wärmeenergie durch Kochen von Wasser in Druckenergie umzuwandeln. Jetzt haben Sie ein Hochdruck-Arbeitsmedium, das für den Antrieb einer Turbine viel nützlicher ist. Die Turbine ist jetzt in der Lage, viel mehr Wärmeenergie in Form von Druck zu gewinnen, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt.

— Carlton
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Es ist der Enthalpieabfall, nicht der Druckabfall, der nützliche Arbeit in einer Turbine hervorbringt

— Zaid,

@Zaid Um Energie aus einem Strom zu gewinnen, benötigt eine Turbine einen Druckabfall. Der Enthalpie-Abfall entspricht der Differenz der thermischen Energie bei konstantem Druck (was für ein Dampfsystem effektiv die Gesamtenergie ist, da Wasser als Referenz dient, das bei allen Drücken im Wesentlichen das gleiche Volumen aufweist) entspricht der produzierten Arbeit (Vernachlässigung der Effizienz), "produziert" aber keine nützliche Arbeit. Wenn wir uns stattdessen eine Wasserturbine ansehen, sehen wir, dass die gesamte Energie aus dem Druckabfall stammt und die Enthalpie nichts damit zu tun hat.

— Level River St

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@Zaid hat einen Punkt. Es gibt eine Druck- und Temperaturänderung im Arbeitsfluid durch die Turbine, und wir können die Kombination der beiden mit Enthalpie ausdrücken. Ich werde meine Antwort bearbeiten, um dies klarer zu machen.

— Carlton

@steveverrill - Ich denke, Sie mischen zwischen kompressiblen und inkompressiblen Flüssigkeiten. Die beiden Szenarien sind sehr unterschiedlich.

— Zaid

@Carlton - danke dafür ... Ich werde versuchen, eine eigene Antwort zu veröffentlichen, wenn ich die Gelegenheit dazu bekomme

— Zaid,

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Das Erhitzen von Wasser, um Dampf zu erzeugen, ist nicht unbedingt effizienter, aber wesentlich praktischer. Sie beschreiben zum Beispiel, wie Verbrennungsmotoren funktionieren, es ist also ein gültiges Konzept. Dies geschieht jedoch in Stößen und unter Verwendung von flüssigem und sorgfältig entwickeltem Kraftstoff, was die Implementierung praktischer macht.

In einem kontinuierlichen System, wie Sie es beschreiben, wird der Kraftstoff unter hohem Druck verbrannt. Berücksichtigen Sie die mechanische Schwierigkeit, mehr Kraftstoff in das System einzufüllen, während Sie gegen diesen Druck abdichten. Man muss den unverbrannten Müll auch irgendwie rausholen.

Während die Grundphysik nicht verhindert, was Sie beschreiben, tut es die praktische Technik. Es ist einfacher, den Kraftstoff bei Umgebungsdruck zu verbrennen und die Wärme zu nutzen, um in einem speziell entwickelten Druckbehälter einen hohen Druck zu erzeugen. Anders ausgedrückt, es ist viel einfacher, Wärme über eine Druckdichtung zu bringen als Feststoffe mit etwas unvorhersehbaren Formen und Größen.

— Olin Lathrop
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Ihre Kommentare zur Praktikabilität sind sehr hilfreich. Dampfkraftwerke verwenden in der Regel Brennstoffe wie Kohle, Müll und radioaktives Material - Brennstoffe, die für Otto- oder Brayton-Motoren nicht praktikabel wären.

— Carlton

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Sie beschreiben fast ein Gasturbinentriebwerk. Diese werden zur Stromerzeugung und zum Antrieb von Flugzeugen eingesetzt. In einer Gasturbine steht die Leistung der Brennkammer jedoch unter hohem Druck und wird zum Drehen einer Turbine verwendet. Und das ist ein anderer Verbrennungszyklus als ein Dampfzyklus.

— Adam
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Sie vergleichen einen Verbrennungsmotor mit einem externen Verbrennungsmotor. Beide haben Vorteile und Kompromisse. Die praktischen Wirkungsgrade sind durch die grundlegende Motorenkonstruktion und die Baumaterialien begrenzt. Sie beschreiben eine Gasturbine mit Abgasturbine, die ein hohes Leistungsgewicht aufweist, das gut für Flugzeuge ist, jedoch wartungsintensiv. Die externe Verbrennung in einem Kessel zur Speisung einer Dampfanlage ist viel zuverlässiger, erfordert jedoch schwere Maschinen, die für eine Basis-Stromerzeugungsanlage in Ordnung sind. In diesem Fall möchten Sie Zuverlässigkeit und die einfache Möglichkeit, die Stromerzeugung durch Verbrennung von mehr Brennstoff als erforderlich zu steigern die Grundlast ändert sich.

— Dieser Kerl
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Eine Zwei-Phasen-Chemie, die Druck unter Verwendung von Wärme erzeugt, ist erforderlich.

Ein Schnellkochtopf mit nur Luft macht viel weniger Druck als mit einem Liter Wasser.

Das Wasser ist in einem kalten Zustand in der Tat potentieller Druck gespeichert.

Überkritische Flüssigkeiten sind tatsächlich effizienter als Dampf, erfordern jedoch Behälter mit höherem Druck und viel Eis-CO2. und andere exotische Substanzen.

— verständlich
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