Циклы ГТУ с изобарным подводом теплоты

Рисунок 7.16 - Принципиальная схема газотурбинной установки

с подводом теплоты при постоянном давлении

Принципиальная схема ГТУ показана на рис. 7.16 Компрессор 1, газовая турбина 4, топливный насос 2 и электрогенератор 5 имеют общий вал. Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух до требуемого давления и направляет его в камеру сгорания 3. Топливо в камеру сгорания подается насосом 2. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине, производя работу.

В газовой турбине возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением колеса под действием струи газа. Кроме того, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы (пл. 144¢1 на рис. 12.2,а)

Рисунок 7.17 - Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении: а – в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме

Термодинамический цикл газотурбинной установки состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты к рабочему телу при постоянном давлении; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела в турбине до давления окружающей среды; 4-1 – изобарный процесс отдачи рабочим телом теплоты в окружающую среду.

Параметры цикла:

- степень повышения давления при адиабатном сжатии;

- степень предварительного расширения.

Термический КПД цикла определяется по формуле:

. (7.28)

Количество подведенной к рабочему телу теплоты изобарном процессе 2-3:

. (7.29)

Количество теплоты, отводимое в изобарном процессе 4-1:

. (7.30)

Количество подведенной теплоты и отведенной можно определить через параметры цикла. Для этого температуры и выражаются через температуру и параметры цикла и .

Таблица 7.4 - Определение температуры в характерных точках цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты

Процесс	Формулы
1-2 - адиабатный
2-3 – изобарный	Т.к. и , получаем:
3-4- адиабатный

После преобразований:

; .

, (7.31)

где - степень адиабатного сжатия в компрессоре. Из выражения (7.31) видно, что зависит от работы компрессора. Чем выше показатель адиабаты и чем больше значение , тем выше .

7.3.2 Цикл ГТУ с подводом теплоты при P=const и регенерацией

Регенерация теплоты состоит в использовании теплоты отработавших газов турбины для подогревания воздуха, поступающего в камеру сгорания. Основное отличие ГТУ с регенерацией теплоты (рис.7.18, 7.19) от установки без регенерации состоит в том, что сжатый воздух из компрессора 1 поступает в воздушный регенератор-теплообменник 2, в котором он подогревается за счет теплоты отработавших в турбине продуктов сгорания. Из регенератора-теплообменника воздух поступает в камеру сгорания 3. Таким образом, в газотурбинных установках с регенерацией часть теплоты, ранее уносившаяся отработанными продуктами сгорания в атмосферу, полезно используется. Термодинамический цикл ГТУ со сгоранием топлива при и регенерацией теплоты (рис. 7.19) состоит из следующих процессов: 1-2 – процесс сжатия воздуха в компрессоре; 2-5 – изобарный подогрев воздуха в регенераторе;

Рисунок 7.18 - Принципиальная схема газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении и регенерацией теплоты:

1- компрессор; 2 – воздушный регенератор-теплообменник ;

3 – камера сгорания; 4 – турбина

5-3 – изобарный процесс подвода теплоты в камере сгорания топлива; 3-4 – адиабатное расширение газов в турбине; 4-6 – изобарное охлаждение рабочего тела в регенераторе; 6-1 – изобарная отдача рабочим телом теплоты окружающему воздуху.

На sТ-диаграмме (рис.7.19,б) теплота, отдаваемая продуктами сгорания на участке изобары 4-6 (пл.с64dc), подводится в регенераторе к сжатому воздуху на участке изобары 2-5. Регенерация будет полной, если охлаждение продуктов сгорания в регенераторе-теплообменнике происходит до температуры воздуха, то есть от , до . При этом количество теплоты, воспринятое воздухом от регенератора, равно количеству теплоты, отдаваемому в нем продуктами сгорания:

.

При имеем: .

Термический КПД при полной регенерации определяется выражением:

.

Количество подведенной теплоты в цикле с полной регенерацией:

. (7.32)

Количество отводимой теплоты в цикле с полной регенерацией:

. (7.33)

Тогда

. (7.34)

Согласно уравнениям, приведенным в таблице 12.1, имеем:

.

а	б

Рисунок 7.19 - Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты

при и регенерацией теплоты: а – в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме.

Термический КПД с полной регенерацией:

. (7.35)

Из выражения (7.35) видно, что термический КПД ГТУ с изобарным подводом теплоты с полной регенерацией теплоты и адиабатным сжатием воздуха в компрессоре зависит от температуры газа в конце адиабатного расширения и начальной температуры газа . Чем выше и чем ниже , тем выше .

Литература: [2], с. 42-49; [5], с. 31-34, 38-40; [6], с. 84-92; [8], с. 503-518.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие виды привода компрессоров вам известны?

2. Каков принцип действия одноступенчатого компрессора?

3. В каких случаях необходимо применять двухступенчатые компрессорры?

4. Какой процесс в компрессоре наиболее выгоден и в чем сложность его осуществления?

5. Изобразите цикл двухступенчатого компрессора на vP-диаграмме. Из каких процессов состоит этот цикл?

6. Как влияет показатель политропы сжатия на конечную температуру сжимаемого газа?

7. Что такое политропа сжатия с подводом тепла? Каков ее показатель в сравнении с показателем адиабаты сжатия?

8. Цикл Дизеля.

9. Цикл Отто.

10.Цикл Тринклера.

11.Цикл газотурбинной установки (ГТУ) с изобарным подводом теплоты.

12.Цикл газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией.

13.Приведите термический КПД цикла теплового двигателя, проанализируйте его.

14.Каковы пути повышения теоретического КПД ГТУ?

8 паровые циклы

Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (ПСУ). Принципиальная схема простейшей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, показана на рис. 8.1, теоретический цикл – на рис. 8.2. Вода, поступающая в котел 1 (т.3), в объеме которого поддерживается постоянное давление, нагревается за счет теплоты, получаемой при сжигании топлива в топке (процесс 3-4) и достигает температуры насыщения Т_нпри заданном давлении .

Рисунок 8.1 -Принципиальная схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина: а – с насыщенным паром; б - с перегретым паром;

1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина; 4 – электрогенератор;

5 – конденсатор; 6 – насос.

При последующем подводе теплоты происходит парообразование (процесс 3-4). Полученный сухой насыщенный пар в пароперегревателе 2 перегревается при том же постоянном давлении до требуемой температуры (процесс 5-1). Перегретый пар направляется в проточную часть турбины, где происходит процесс адиабатного расширения 1-2.

Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, в котором охлаждающей водой от пара отбирается количество теплоты = пл.22¢аb (рис. 8.2-б), пар конденсируется (процесс 2-2¢) и превращается в воду с параметрами состояния в точке 2¢. Затем конденсат насосом возвращается в котел (точка 3). Обычно при анализе таких циклов вода принимается в качестве несжимаемого тела, поэтому процесс 2¢-3 подачи воды принимается изохорным. Т.к. нижняя пограничная кривая расположена вблизи линии этого процесса, часто процесс сжатия в насосе и подогрев воды в котле до состояния кипения совмещаются (процесс 2¢-4 в sT- диаграмме). Образованный таким образом термодинамический цикл является циклом Ренкина с перегретым паром.

Рисунок 8.2 - Теоретический цикл Ренкина с перегретым паром:

а – в - координатах; б – в - координатах

При осуществлении цикла Ренкина с сухим насыщенным паром адиабатное расширение пара осуществляется после достижения состояния, характеризуемого т.5 (сухой насыщенный пар). Т.е. процесс расширения в данном случае - 5-d.

Для ПСУ в заданном температурном интервале термодинамически наиболее выгодным циклом также мог бы быть цикл Карно (цикл с45d). В цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе 2-3 осуществляется не полностью, поэтому в адиабатном процессе 3-4 сжимается не вода, а влажный пар, который имеет относительно большой объем. Сжатие пара связано с наличием специального компрессора и затратой относительно большой работы на сжатие (пл. с4 ). Кроме того, затрата работы на сжатие увеличивается при повышении начальных параметров пара и или уменьшении конечных параметров и . При работе во влажном паре происходит механический износ лопаток последних ступеней турбины и компрессора каплями воды. По этим причинам цикл Карно практически не применяется в паросиловых установках и сохраняет лишь теоретическое значение как эталонный цикл, имеющий в заданном температурном интервале максимальный термический КПД.

В рассмотренном выше цикле Ренкина осуществляется полная конденсация пара с последующим адиабатным сжатием 2¢-3 конденсата в насосе, что значительно уменьшает работу на адиабатное сжатие (пл. 2¢3 ). Термический КПД цикла Ренкина может быть вычислен по общему выражению:

. (8.1)

Теплота сообщается на участках 3-4-5-1 (рис 8.2) при постоянном давлении и ее можно определить как разность энтальпий конечной (точка 1) и начальной (точка 3) точек процесса:

. (8.2)

Отвод теплоты происходит в конденсаторе по изобаре 2-2¢, следовательно,

. (8.3)

Подставив выражения (8.2) и (8.3) в выражение (8.1), получим:

. (8.4)

Полезная работа цикла равна разности работы паровой турбины и работы, затраченной на привод насоса:

.

Работа паровой турбины равна уменьшению энтальпии в процессе 1-2:

.

При адиабатном сжатии воды в насосе и подаче ее в котел затрачивается работа:

,

Тогда

.

Обычно величиной работы насоса, вследствие ее малости по сравнению с работой турбины, пренебрегают, тогда и выражение (8.4) принимает вид:

. (8.5)

Литература: [2], с. 56-60; [5], с. 34-36; [6], с. 92-102; [8], с. 518-528; [9], с. 11-13; [10], с. 16-21.

Вопросы для самоконтроля

1. Для каких целей в паросиловой установке вводят вторичный перегрев пара?

2. Изобразите в vР- и sT-диаграммах цикл Ренкина. Какие существуют методы повышения экономичности паротурбинной установки? Как определяется термический КПД цикла Ренкина?

3. С помощью sT-диаграммы проанализируйте влияние начальных и конечных параметров водяного пара на термический КПД цикла Ренкина.

4. В чем отличие цикла Ренкина от цикла Карно?

5. Каково влияние конечных параметров водяного пара на величину термического КПД цикла Ренкина?

6. Как и почему изменяется термический КПД цикла Ренкина при увеличении начальных параметров водяного пара?

7. Объясните работу регенеративного цикла паросиловой установки с помощью is-диаграммы.

8. Изобразите адиабатный процесс необратимого расширения пара в турбине в is-диаграмме. Покажите с помощью is-диаграммы, как изменяется влажность пара в конце адиабатного расширения при повышении начального давления при неизменной начальной температуре и конечном давлении

9 холодильные циклы

Холодильный цикл – обратный круговой процесс, предназначенный для передачи теплоты от тел менее нагретых к телам более нагретым при помощи холодильных установок или тепловых насосов. Для охлаждения можно применять воздушную или паровую компрессорные холодильные установки.