गैस टर्बाइन दक्षता: जानने के लिए 5 रोचक तथ्य

• गैस टरबाइन दक्षता सूत्र
• गैस टरबाइन दक्षता वक्र
• हाइड्रोजन गैस टरबाइन दक्षता
• गैस टरबाइन दक्षता की गणना कैसे करें
• खुला चक्र गैस टरबाइन दक्षता
• अभ्यास प्रश्न

गैस टरबाइन दक्षता सूत्र

टर्बाइन ऐसी मशीनें हैं जो किसी भी तरल पदार्थ की गतिज ऊर्जा का उपयोग करती हैं और इसे ऊर्जा के दूसरे रूप (ज्यादातर विद्युत) में परिवर्तित करने में मदद करती हैं।

वे टर्बाइन जो गैस को कार्यशील द्रव के रूप में उपयोग करते हैं, गैस टर्बाइन कहलाते हैं। गैस टर्बाइन सामान्य रूप से कार्य करते हैं ब्रेटन चक्र वांछित उत्पादन प्राप्त करने के लिए।

एक आदर्श ब्रेटन चक्र के लिए (नीचे चित्र में दिखाया गया है), दक्षता की गणना इस प्रकार की जाती है-

जहाँ, h का प्रतिनिधित्व करता है थैलेपी और सबस्क्रिप्ट राज्य का प्रतिनिधित्व करते हैं ब्रेटन चक्र में।

टरबाइन दक्षता द्वारा दिया गया है-

कहा पे,
सबस्क्रिप्ट s वास्तविक स्थिति को दर्शाता है।

गैस टरबाइन दक्षता वक्र

गैस टरबाइन चक्र दबाव अनुपात के इष्टतम मूल्य तक पहुंचने तक दक्षता तेजी से बढ़ती है, उसके बाद दक्षता में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं होता है। जिन कारकों पर गैस टरबाइन की दक्षता निर्भर करता है इनलेट तापमान, दबाव अनुपात और काम कर रहे तरल पदार्थ का विशिष्ट ताप अनुपात।

दूसरी ओर गैस टरबाइन दक्षता वक्र धीरे-धीरे बढ़ता है। उच्च इनलेट तापमान के साथ, गैस टरबाइन की दक्षता बढ़ जाती है। नीचे दिया गया ग्राफ इनलेट तापमान और टरबाइन दक्षता के बीच संबंध दिखाता है-

हाइड्रोजन गैस टरबाइन दक्षता

पर्यावरणीय चिंताओं के कारण हाइड्रोजन टरबाइन की आवश्यकता उत्पन्न होती है। ईंधन के रूप में हाइड्रोजन बहुत पर्यावरण के अनुकूल है। ये टर्बाइन CO2 उत्सर्जन को कम करते हैं।

हाइड्रोजन को काम करने वाले तरल पदार्थ के साथ मिलाया जाता है और हाइड्रोजन-ईंधन मिश्रण का यह संयोजन अकेले ईंधन का उपयोग करने की तुलना में बेहतर दक्षता देता है। बड़ी मात्रा में हाइड्रोजन का उपयोग इसके भंडारण के कारण एक समस्या है। हाइड्रोजन ईंधन के सुरक्षित परिवहन और भंडारण के लिए सरकारें और निजी कंपनियां काम कर रही हैं।

गैस टरबाइन दक्षता की गणना कैसे करें

यांत्रिक नुकसान से मशीनों के प्रदर्शन में कुछ गिरावट आती है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के अनुसार, कोई भी मशीन 100% दक्षता नहीं दे सकती है।

निम्नलिखित चरणों का उपयोग करके गैस टर्बाइनों की दक्षता की गणना की जा सकती है-

1. गैस टरबाइन चक्र के सभी बिंदुओं पर एन्थैल्पी की गणना कीजिए।
2. द्वारा किए गए वास्तविक कार्य की गणना करें टरबाइन सूत्र का उपयोग करना-
   
   किया गया कार्य = h4-h3
   
3. वास्तविक गणना करें थैलेपी के वास्तविक मूल्यों का उपयोग करके टरबाइन द्वारा किया गया कार्य यांत्रिक नुकसान के बाद।
4. संबंध का उपयोग करके दक्षता की गणना करें-

खुला चक्र गैस टरबाइन दक्षता

एक खुला चक्र एक ऐसा चक्र है जहां काम कर रहे तरल पदार्थ को उसकी प्रारंभिक स्थितियों में वापस नहीं लाया जाता है। बल्कि, इसे सिंक में फेंक दिया जाता है। ऐसे चक्रों का दक्षता सूत्र नहीं बदलता है, लेकिन तापमान और दबाव वाले चर के मूल्य में परिवर्तन के कारण मान बदल जाते हैं।

गैस टरबाइन के खुले चक्र का एक उदाहरण नीचे दिखाया गया है-

अभ्यास प्रश्न

गैस टरबाइन दक्षता को क्या प्रभावित करता है?

गैस टरबाइन दक्षता मुख्यतः तीन कारकों पर निर्भर करती है-

• इनलेट तापमान-
  टर्बाइन के इनलेट तापमान में वृद्धि से इसकी दक्षता बढ़ जाती है। इसके अलावा, सिंक का तापमान कम होने से गैस टर्बाइनों की दक्षता भी बढ़ जाती है, लेकिन इसे परिवेशी परिस्थितियों तक ही कम किया जा सकता है, इसलिए यह दक्षता पर अधिक प्रभाव पैदा नहीं करता है।
• प्रेशर अनुपात-
  दबाव अनुपात P2/P1 एक महत्वपूर्ण विशेषता है जो गैस टरबाइन की दक्षता को प्रभावित करती है।
• विशिष्ट ऊष्मा अनुपात-
  आदर्श गैसों के लिए विशिष्ट ऊष्मा अनुपात लगभग 1.4 है, वास्तविक गैसों का मान लगभग 1.2-1.3 है। एक अच्छे कार्यशील द्रव का विशिष्ट ऊष्मा अनुपात मान आइसेंट्रोपिक मान के करीब होना चाहिए जो कि 1.4 है।
  

गैस टर्बाइनों की दक्षता कम क्यों होती है?

गैस टर्बाइन निरंतर आयतन चक्रों पर काम करते हैं। चूंकि गैसों का घनत्व कम होता है, इसलिए उन्हें संपीडित करने के लिए अतिरिक्त काम की आवश्यकता होती है जिससे कंप्रेसर का काम बढ़ जाता है।

दक्षता का सूत्र दक्षता के रूप में दिया गया है = किया गया कार्य/गर्मी जोड़ा गया

जैसे-जैसे कंप्रेसर द्वारा किया गया कार्य बढ़ता है, किया गया शुद्ध कार्य घटता जाता है इसलिए समग्र दक्षता कम हो जाती है। गैस टर्बाइनों की दक्षता को कई तरीकों से बढ़ाया जा सकता है। गैस टर्बाइनों की दक्षता में सुधार के सबसे सामान्य तरीके पुनर्योजी शीतलन, इंटरकूलिंग, रीहीटिंग हैं।

गैस टरबाइन की दक्षता कैसे बढ़ाएं?

ऐसे कई तरीके हैं जिनसे गैस टरबाइन की दक्षता बढ़ाई जा सकती है। दक्षता को सीधे प्रभावित करने वाले कारक तापमान, दबाव अनुपात और विशिष्ट अनुपात हैं। इन मूल्यों को बदलने से दक्षता सीधे प्रभावित हो सकती है।

 इसलिए, दक्षता बढ़ाने के लिए प्रस्तावित तरीकों में इन मूल्यों को बदलना शामिल है। गैस टर्बाइन की दक्षता बढ़ाने के लिए उपयोग की जाने वाली विभिन्न विधियाँ हैं-

• पुनर्जनन-
  
  इस विधि में, कार्यशील द्रव को बिंदु 2 पर गर्म करने के लिए निकास गैस का उपयोग किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप निकास गैस के तापमान में कमी और दक्षता में वृद्धि होती है। पुनर्योजी गैस टरबाइन चक्र और दक्षता सूत्र का आरेख नीचे दिया गया है-
  

• इंटरकूलिंग-
  इस विधि में हवा को दो चरणों में संपीड़ित करके कंप्रेसर का काम कम किया जाता है। दूसरे कंप्रेसर में जाने से पहले हवा को ठंडा किया जाता है। दो चरणों के बीच हवा के इस ठंडा होने को इंटरकूलिंग कहा जाता है। कंप्रेसर के काम में कमी का सीधा संबंध दक्षता में वृद्धि से है।
• दोबारा गरम करना-
  इस विधि में एक के स्थान पर दो टर्बाइनों का प्रयोग किया जाता है। एक टर्बाइन का उपयोग काम करने के लिए किया जाता है और दूसरा टरबाइन कंप्रेसर को चलाता है। इस प्रक्रिया में अधिक ऊष्मा डाली जाती है। कंप्रेसर के काम में कमी और उच्च इनलेट तापमान के कारण दक्षता बढ़ जाती है। रीहीट गैस टर्बाइन चक्र का आरेख नीचे दिखाया गया है-
  

• रीहीटिंग, इंटरकूलिंग और रीजनरेशन संयुक्त-
  इस विधि में तीनों विधियों को मिला दिया जाता है। सेट अप की लागत बढ़ सकती है लेकिन उपरोक्त तीन विधियों के संयोजन से समग्र दक्षता बढ़ जाती है।

संयुक्त गैस टरबाइन चक्र दक्षता

संयुक्त गैस टरबाइन चक्र अधिक उत्पादन प्रदान करने के लिए मिलकर काम करने वाले कई गैस टर्बाइनों का उपयोग करता है।

एकल गैस टरबाइन चक्र से निकलने वाला निकास अभी भी इतना गर्म है कि वह दूसरा चक्र चला सकता है। आमतौर पर ए उष्मा का आदान प्रदान करने वाला पहले इंजन के निकास और दूसरे इंजन के इनलेट के बीच प्रयोग किया जाता है ताकि विभिन्न कार्यशील तरल पदार्थों का उपयोग किया जा सके। दूसरे चक्र का उत्पादन पहले चक्र की तुलना में कम है लेकिन संयुक्त गैस टरबाइन चक्र की समग्र दक्षता बढ़ जाती है।

पहले चक्र को टॉपिंग चक्र कहा जाता है और यह अधिक दक्षता पैदा करता है। अगले चक्र को बॉटमिंग साइकिल कहा जाता है और इसमें अलग ईंधन हो सकता है (पहले चक्र के निकास तापमान के आधार पर) और पहले चक्र की तुलना में कम दक्षता पैदा करता है। कुल मिलाकर संयुक्त चक्र 50% अधिक दक्षता पैदा कर सकता है।

संयुक्त गैस टरबाइन चक्र की समग्र दक्षता की गणना करने का सूत्र नीचे दिया गया है