Question 11.13: In a gas turbine the compressor takes in air at a temperatur...

In a gas turbine the compressor takes in air at a temperature of 15°C and compresses it to four times the initial pressure with an isentropic efficiency of 82%. The air is then passed through a heat exchanger heated by the turbine exhaust before reaching the combustion chamber. In the heat exchanger 78% of the available heat is given to the air. The maximum temperature after constant pressure combustion is 600°C, and the efficiency of the turbine is 70%. Neglecting all losses except those mentioned, and assuming the working fluid throughout the cycle to have the characteristic of air find the efficiency of the cycle.
Assume R = 0.287 kJ/kg K and γ = 1.4 for air and constant specific heats throughout.

The blue check mark means that this solution has been answered and checked by an expert. This guarantees that the final answer is accurate.
Learn more on how we answer questions.

Given : T_{1}   =   15    +   273    =    288   K,   Pressure   ratio,    \frac{p_{2} }{p_{1} }  =  \frac{p_{3} }{p_{4} }  =   4  ,      η_{compressor}   = 82%.
Effectiveness of the heat exchanger, ε = 0.78,
η_{ turbine}  = 70%, Maximum temperature, T_{3}  = 600 + 273 = 873 K.

Efficiency of the cycle  η_{cycle} :

Considering the isentropic compression 1–2, we have

\frac{ T_{2} }{ T_{1} }  =    (\frac{p_{2}}{p_{1}})^{\frac{γ   –    1}{γ }}   =  (4) ^{\frac{1.4  –    1}{1.4 }}    =  1.486

∴                                                  T_{2}  = 288 × 1.486 = 428 K

Now,                                    η_{compressor}   =  \frac{T_{2}   –     T_{1}}{T_{2}′   –     T_{1}}

i.e.,                                              0.82 =    \frac{428      –    288}{T_{2}′   –    288}

∴                                                  T_{2}′  =  \frac{428      –    288}{0.82}   + 288 = 459 K

Considering the isentropic expansion process 3–4, we have

\frac{ T_{3} }{ T_{4} }  =    (\frac{p_{3}}{p_{4}})^{\frac{γ   –    1}{γ }}   =  (4) ^{\frac{1.4  –    1}{1.4 }}    =  1.486

∴                                                  T_{4}  =  \frac{ T_{3} }{1.486}  =  \frac{ 873 }{1.486}    =  587.5  K.

Again,                                                                     η_{turbine }  =  \frac{T_{3}   –     T_{4}′}{T_{3}   –     T_{4}}   =  \frac{873   –     T_{4}′}{873  –     587.5}

i.e.,                                           0.70 = \frac{873   –     T_{4}′}{873  –     587.5}

∴                                                 T_{4}′  = 873 – 0.7 (873 – 587.5) = 673 K
W_{compressor}   =   c_{p}   (T_{2}′    –    T_{1})

But                                                      c_{p}  =   R    ×    \frac{γ }{γ   –    1}   =   0.287      ×    \frac{1.4 }{1.4   –    1}    = 1.0045 kJ/kg K

∴                              W_{compressor }   = 1.0045 (459 – 288) = 171.7 kJ/kg
W_{turbine}   =    c_{p}   (T_{3}   –    T_{4}′)  = 1.0045 (873 – 673) = 200.9 kJ/kg
∴                                   Network = W_{turbine}    –    W_{compressor}  = 200.9 – 171.7 = 29.2 kJ/kg.

Effectiveness for heat exchanger, ε =  \frac{T_{5}   –    T_{2}′}{T_{4}′    –    T_{2}′}

i.e.,                                               0.78 =  \frac{T_{5}   –    459}{673    –    459}

∴                                              T_{5}   = (673 – 459) × 0.78 + 459 = 626 K
∴            Heat supplied by fuel per kg
=   c_{p}   (T_{3}   –  T_{5})   = 1.0045 (873 – 626) = 248.1 kJ/kg

∴                                                                  η_{cycle}    =  \frac{Network    done }{Heat    supplied    by    the    fuel}   =  \frac{29.2}{248.1}    = 0.117   or   11.7%.

1113

Related Answered Questions