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.
Respostas:
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:
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?
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:
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.
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