Теплотехника Учебн.для вузов. Под ред. А.П.Баскакова. М. (1013707), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Образующиеся в камере продукты сгорания выходят нз нее с температурой Т» и практически с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), чта и на выходе из компрессора (р» =рс). Следовательно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении. В газовой турбине Т продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Тс, а давление уменьшается до атмосферного рь Весь перепад давлений рс — р~ используется для получения технической работы в турбине 1„„. Большая часть этой работы 1.
расходуется на привод компрессора; разность 1„, — 1„является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электрическом генераторе ЭГ или на другие цели (при иссссэльзавании жидкого топлива расход энергии на привод тояливного насоса невелик, и в нерпам приближении его можно не учитывать). 7, Тд Тг а) Рнг Ь 5 1(нлз ~в ~гпуяпннно1! установки и в р, и-квврдннвввх, а в Г, в.квивдннвтвв нию давления воздуха после компрессора р к давлению перед ним рь т. е.
л=- =рв/рь Выразим отношение тх мператур в формуле (6.5) через степень повышения давлении из уравнения адиабаты: Т, /Тв = (Р ~ /Рэ)! "= ! /л' =(р,/рт)м ' '" (Т,/Тэ) (рэ/р,)' ' "; поскольку рв=р! и рз=рв, то Тв/Т~= = Тв/Тв. Из (6 5) получим п,=-) — 1/ '" '"' При й=1,33 формула (6.6) дает следующие значения 41, для различных величин и; (6.6) 2:! 4 5 5 15 24 20 ЗЗ Зо 1)дажьвэсеннг 7 К и !О ЗК,Гв 40,5 42 45,5 и/% (6.5) Коэффициент полезного действии идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением л. Зто связано с увеличением температуры в конце и рс цссса сжатия Тв и соответственно темпсратуры га. зов перед турбиной Тв.
На рнг 6.5, б отчетливо видно, что цикл 1-2'-;1'-4, в кото. ром и болыпс, экономичнее цикла 1-2-3- 50 Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 6,5), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом теплоты (линия 4-!), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4 Полезная работа 1в изображается площадьнх заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 6.5, а видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в турбине (площадь б-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-3). 11.тощвдь цикла !-2 3-4 в Т, в-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис.
6.5, б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной д~ (площадь 8-2-3-7) и отведенной г)в (площадь 1-4-7- 8) теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ аэ с (Тв — Т) в),=1 — — = !— а, с„(Тз — Тт) Т, (Т,/Т, — П =! — -— Тв (Тз/Т, — 1) Прн этом тсплоемкость ск принята для простоты постоянной. Одной из основных характерно~ни цикла газотурбинной установки является ств пень повышения давлеи н я в компрессоре и, равная отноше- Тв/Т~ =А/Т ) (Т /Тт) (77/Т )= 4, ибо по линии 2О3' подводится болыпе теплоты <)<, чем по линии 2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4- ! теплоты <)ь При этом Тх и Т', больше, чем соответственно Т, и Ть Дело в том, что с увеличением Т, возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной е< = ср(Т< — Тр) — Тр(зз †) (см.
формулу (5.31) ), т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и увеличивает КПД цикла. Максимальная температура газов перел турбиной ограничивается жаропрачностью металла, из которого делают ее элементы. Применение охлаждаемых лопаток из специальных материалов позволило повысить ее до 1400 — 1500 'С в авиации (особенна на самолетах-перехватчиках, где ресурс двигателя мал) и да 1050 в 1090 'С в стационарных турбинах, предназначенных для длительной работы Непрерывно разрабатываются более надежные схемы охлаждения, обеспечивающие дальнейшее повышение температуры. Поскольку аиа все же иижс предельип достижимой при горении, приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества вазлуха).
Это увеличивает эксергетические потери от сгорания в ГТУ иногда до 40 ьрР Газы выбрасывают из турбины с температурой Т<) Т< юТо. Следовательно, эксергия рабочего тела ез, которой мы располагаем перед турбиной, использу. ется также не полностью: потери эксергии с уходящими газами могут доходить до 1О ага Поэтому КПД ГТУ оказывается пака еще ниже, чем ДВС Не имея де~алей с возвратно-поступательным движением, газовые ~урбины могут развивать значительно большие мощности, чем ДВС. Предельные мошно сти ГТУ гегалня составляют 1ОО— 200 МВт.
Они ооределянзтся высотой лопаток, прочность которых должна выдержать напряжении от центробежных усилий, возрастающих с увеличением их высоты и частоты вращения вала. Поэтому газовые турбины применяются прежде всего в качестве мощных двигателей в авиации и на морском флоте, а также в маневренных стационарных энергетических установках. Ряд технологических процессов, особенно химической промышленности, связан с потоками нагретых сжатых газов. Расширение этих газов в газовой турбине позволяет получить энергию, котораи обычно используется в этом же процессе, например лля нагнетания тех же ~азов В этом случае вал турбины непосредственно соединяется с валам турбокампрессора Такое комбинирование пааво.
лает существенно снизить потребление энергии в технологическом процессе. К сожалению, оно используется е<це недостаточно широко, во-первых, из-за косности мышления технологов, а во-вторых, из-за отсутствия турбин на нужные параметры Часто используют авиационные двигатели, выработавшие свой ресурс. В энергетике газовые турбины иногда используют для привода воздуходувок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Дли э<ого продукты сгорании, охлажденные в котле ло иеабхалимай температуры, иапранляются в турбину, сидящую на одном валу с воздуходувкой, и расширяются в ней до атмосферного давления, совершая работу. в.4.
1(иклы ОАРОтуньи нных УО ГЛНОНОК Современная стационарпаи ~еплоэнергетика базируется в основном на паровых теплосиловых установках Продукты сгорания топлива в этих установках являются лишь промем<уточным теплоносителем (в отличие от ДВС и ГТУ), а рабочим телом служит чаше всего водяной пар. Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара. Регенерация теплоты.
Цикл Карно иасыщеннога пара можно была бы осуществить следунзщим образам (рис. 6.6). Теплота от горячего источника палволи<гя при постоянной температуре Т< по линии 5-1, в результате чего вода с параметрами точки 5 превращается в сухой насыщенный пар с параметрами точки !. Пар адиабатна расширяется в турбине да температуры 61 Рис. 6.6 Циклы Карно и Реикввв насыщенного водяного пара в Т, л-диаграмме Ть совершая техническую работу и превращаясь во влажный пар с параметрами точки 2. Этот пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту холодному источнику (циркулирующей по трубкам охлаждающей воде), в результате чего его степень сухости уменьшается от кэ до хэ.
Изотермы в области влажного пара являются одновременно и изобарами, поэтому процессы 5-1 и 2-2' протекают при постоянных давлениях р, и рэ. Влажный пар с параметрами точки 2' сжимается в компрессоре по линии 2'-5, превращаясь в иоду с температурой кипения. На практике этот цикл не осуществляется прежде всего потому, что в реальном цикле вследствие потерь, связанных с неравновесностью протекающих в нем процессов, на привод компрессора эатрачивалась бы большая часть мощности, вырабатываемой турбиной. Значительно удобнее и экономичнее в реальном цикле конденсировать пар до конца по линии 2-3, а затем насосом увеличивать давление воды от рэ до р~ по линии 3-4. Поскольку вода несжимаема, точки 3 и 4 почти совпадают, и затрачиваемая на привод насоса мощность оказывается ничтожной по сравнению с мощностью турбины (несколько процентов), так что практически вся мощность турбины используется в качестве полезной.
Такой цикл был предложен в 60-х годах прошлого века шотландским инженером и физиком Ренкиным и по- чти одновременно Клаузиусом. Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется этот цикл, представлена на рис. 6.7. (На этой схеме показана также возможность перегрева пара в пароперегревателе 5-1, которая в цикле насыщенного пара ие реализуется). Теплота в этом цикле подводится по линии 4-5-5 (см. Рис. 6.6) в паровом котле ПК, пар поступает в турбину Т и расширяется там по линии 1-2 до давления рм совершая техническую работу Она передается на электрический генератор ЭГ или другую машину, которую вращает турбина, Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор К, где конденсируется по линии 2-3, отдавая теплоту конденсации холодному источнику (охлаждающей воде).
Конденсат забирается насосом Н н подается снова в котел (линия 3-4 на рис. 6.6). Термический КПД цикла Ренкина, естественно, меньше, чем ти цикла Карно при тех же температурах Т, и Тэ, поскольку средняя температура подвода теплоты уменьшается при неизменной температуре отвода. Однако реальный цикл (с учетом неравновесности сжатия пара в компрессоре в цикле Карно) оказывается экономичнее.
Теоретически термический КПД цикла Ренкина можно сделать равным КПД цикла Карно с помощью р е г е и е р ад и и те ил от ы, если осуществить расширение пара не по адиабате 1-2, кан в обычной турбине, а по политропе 1- Рис. 6 7 Схема пвросиловой установки. ПК вЂ” пврпвпа котел, à †. паровая тэрбввв; ЭГ элевтрпгепврвгпр, К вЂ . конденсатор, Н вЂ” насос 7 (рис. 6.8), эквидистантиой линии 4-5 нагрева воды, н всю выделяющуюся при этом теплоту (площадь )-!'-7'-7) передать в идеальном (без потерь эксергии) теплообменнике воде (плошадь 3'-3-5-5'). На практике такую идеальную регенерацию осуществить не удается, однако в несколько ином виде регенеративный подогрев воды применяется очень широко и позволяет существенно увеличить КПД реального цикла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
