As turbinas de ciclo combinado podem ser pequenas o suficiente para os trens?

As turbinas de ciclo combinado são uma turbina a gás cujo calor de exaustão alimenta uma segunda turbina a vapor. Eles podem obter eficiências térmicas superiores a 50%, enquanto uma turbina simples pode atingir de 30 a 35%. Grandes usinas tendem a usar o ciclo combinado por razões óbvias.

Mas quero saber se isso pode ser pequeno o suficiente para alimentar um trem?

Exemplo de um motor a jato muito pequeno, muito semelhante a uma turbina a gás.

Especificações desejadas:

Combustível: gás natural ou querosene
Cavalos-força: ~ 4500 (retirado de um motor de trem a diesel típico ( GE Dash 9 ))
Volume máximo: 25 x 3 x 6 metros (sobre o volume de um vagão de trem)
Peso máximo: 100 toneladas

Estou assumindo que um carro de combustível pode seguir atrás do carro de motor. As turbinas gerariam energia elétrica enviada às rodas do carro, que é o que faz um trem diesel-elétrico moderno. Eu estava imaginando trens turbo de ciclo combinado para serviços de carga e passageiros, mas em velocidades "normais" (100 - 150 kmh).

Então, isso pode ser feito com a tecnologia atual? O motor ainda precisaria ser isolado o suficiente e eficiente o suficiente para reter mais de 50% de eficiência térmica.

BTW, estou ciente deste exemplo falho da Amtrack a partir da década de 1970. Não acho que essas turbinas fossem de ciclo combinado e não consegui encontrar uma explicação para o motivo "O alto custo de operação dos trens levou à sua retirada do Centro-Oeste em 1981". Mas notei que eram trens minúsculos, total de 5 carros (2 vagões com motor, 2 carruagens e um vagão de comida). Provavelmente é pequeno demais para obter economia de escala.

civil-engineering turbines energy-efficiency

— DrZ214
fonte

Esta não é uma pergunta muito qualitativa e duvido que muitos aqui possam lhe dar muitos conselhos. É como perguntar se poderíamos colocar um super computador em um relógio. Teoricamente, é possível, mas não é realmente possível agora, porque não temos tecnologia para fazê-lo. Você precisa ser muito mais específico com suas perguntas.

— user88720

@ user88720 Especifiquei os limites de volume e massa. Especifiquei a potência e a eficiência térmica desejadas. Especifiquei dois combustíveis que poderiam ser usados. Não sei mais o que especificar. Se não puder ser respondido, a "resposta" correta diria isso e explicaria o porquê, idealmente com citações. Qual é a tecnologia necessária para fazer isso? Tem algo a ver com isolamento leve; nesse caso, eu procuraria em aerogéis? Algo a ver com metalurgia? Não consigo imaginar que a parte do vapor seja limitante, pois costumávamos operar enormes trens a vapor. E turbinas a gás podem ser muito pequenas, veja editar.

— DrZ214

Definitivamente, é possível torná-los pequenos o suficiente para caberem em um trem, mas serão suficientes para alimentá-lo? Principalmente, os condensadores de vapor tendem a ser instalações bastante grandes. OTOH, ele pode funcionar apenas em turbinas a gás em baixas velocidades, ativando o segundo ciclo quando tiver todo o ar refrigerante que desejar do movimento do trem.

— SF.

Podemos tentar responder a essa pergunta observando o equipamento existente em termos de tamanho e peso e adivinhar a partir daí se tudo isso se encaixa em um trem. Nosso CC consistirá em:

Turbina a gás
Exaustão HX / Caldeira
Turbina a vapor com condensador e outros aux. partes
Transmissão

Para o seguinte, não combinarei exatamente os componentes, mas selecionarei as coisas que estão na faixa de potência certa, apenas para ter uma idéia se as peças podem caber no envelope de design fornecido acima.

Dimensionamento básico
Você fornece 4500hp, um pouco mais que 3MW. Olhando para a Wikipedia, a turbina a gás é tipicamente duas vezes a potência da turbina a vapor. Então, procuramos uma turbina a gás de 2 MW e uma planta de vapor de 1 MW.

Turbina a gás
Quais são algumas turbinas em torno de 2 MW?

A Kawasaki tem uma de 1,7 MW , parece que a turbina 'nua' se encaixa em um contêiner de 6,5m + há outra empilhada no topo para saídas de ar. Nenhuma massa fornecida, parece não incluir o escape HX.
Este motor Opra de 2 MW se encaixa novamente em um contêiner de 6,5 m (sem suprimento de ar), o motor despido e pesa talvez 13,5 t.

Para o seguinte, levarei as estatísticas do mecanismo da Kawasaki e assumirei que o peso do mecanismo da Opra não está muito longe.

Kawasaki:
Potência elétrica 1.690 kW
Entrada de combustível 6.360 kW
Eficiência 26,9%
Fluxo mássico dos gases de escape 8,00 kg / s
Temperatura dos gases de escape 521 ° C

Caldeira / Exaustão HX
Se pegarmos o motor da Kawasaki, temos cerca de 480 kg / min de gás de escape. Olhando para esta tabela de exaustão HX , precisaríamos de 7 das maiores, cada uma com cerca de 600 kg e comprimento x diâmetro 2,6 x 0,7 m. Rotatórias. Com uma recuperação de calor de até 700kW cada, devemos chegar ao norte dos 2MW de vapor necessários para nossa turbina a vapor.

Turbina a vapor A
Siemens possui uma que abrange a faixa de 800kW-6MW . Sem condensador, ele se encaixa em um envelope LxWxH de 1,5 x 2,5 x 2,5 m. Nenhum peso é dado, acho que algumas toneladas.

Condensador
Precisamos liberar cerca de 1 MW de calor para o nosso motor a vapor de 1 MW. Vamos fazer algumas medições nesta folha de produtos da Güntner . Observe que estes são condensadores para o refrigerador. Eu acho que o gargalo é mais o fluxo de ar e a transferência de calor para o ar, então tudo deve estar bem.

Os maiores têm uma capacidade nominal de 500kW, pesam 2t e medem cerca de CxLxA 10x1,2x1,7 m. Dois desses lado a lado.

Transmissão Meu palpite é que uma transmissão elétrica seria usada, então você teria que adicionar um motor de 3 MW e um alternador de 1 MW e 2 MW. Porque agora eu sou preguiçoso, eu diria que estes adicionam talvez 2-3 m ao nosso 'orçamento de longo prazo'.

Conclusão
Parece que não atingimos realmente o orçamento de massa de 100t (que parece muito grande apenas para o motor, OTOH).

Nosso trem pode parecer, de um lado para o outro:

6m de comprimento deduzidos à entrada de ar, filtros etc.
6,5 m para a turbina a gás (13t)
3m para uma pilha de HX (3.5t)
3 m para o motor a vapor (3t?)
10m para os condensadores (4t)
2-3 m para alternadores e motor (10t?)

Para um total de 31m. Isso é maior que o tamanho do envelope fornecido pelo OP, mas não muito. Então, minha conclusão é: você pode instalar 3MW de usina de ciclo combinado em um vagão de trem.

Há muito espaço para melhorar tudo no HX e nos condensadores. OTOH, precisamos instalar grandes sistemas elétricos no trem. Em resumo, acredito que você poderia construir um trem com ciclo combinado e não precisaria inventar muitos componentes para fazê-lo.

— mart
fonte

Obrigado pela análise detalhada. Eu originalmente imaginei um componente empilhado no outro, então talvez as duas turbinas estejam empilhadas e a caldeira na frente. Isso pode chegar a 25 metros ou menos, desde que as turbinas não sejam muito altas. E sim, o orçamento de massa é apenas o máximo, com base em vagões de trem de carga. OTOH é massa total, então motor + estrutura do carro e rodas. Aliás, não tentei abordar o esquema de entrada de ar aqui. De maneira trivial, você pode colocar uma entrada enorme na frente, como um motor a jato, mas corre o risco de ingestão de objetos estranhos.

— precisa saber é o seguinte

PS, quando você diz "Precisamos lançar cerca de 1 MW de calor para o nosso motor a vapor de 1 MW". O sistema deve ser 50% ou mais eficiente, então acho que deveria ser 2 MW de calor liberado para o motor de 1 MW. (. No entanto, esta é apenas uma parte do ciclo termodinâmico Esta parte pode ser de 75% eficaz, e uma outra parte, talvez 67%, de modo que o produto será de 50%.)

— DrZ214

A turbina a gás tem talvez 25% de eficiência, se o motor a vapor tiver 33% de eficiência, ele valoriza que grande parte da energia 75% 'desperdiçada' pela turbina a gás tem uma eficiência total de 50% ... Você está certo sobre os 2 MW .

— 21717