ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ,

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

 

 

Кафедра физики и теплообмена

 

 

Дисциплина:

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

Л Е К Ц И Я

 

ТЕМА 10. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

ТЕМА 11. ТЕПЛОСИЛОВЫЕ ПАРОВЫЕ ЦИКЛЫ

 

Автор:

д.ф.-м.н., профессор П.В. Скрипов

 

 

Екатеринбург 2006

Цели лекции:

 

Учебные: Сформировать представление об основах работы газотурбинных и паросиловых установок; дать термодинамический анализ работы установок при различных способах подвода теплоты и различных параметрах пара.

 

Воспитательные: Воспитывать стремление к углубленному изучению предмета; прививать убежденность в практической значимости получаемых в лекционном курсе знаний.

 

Развивающие: Развивать способность творчески воспринимать и конспектировать предоставляемый материал; развивать навыки самостоятельной аналитической работы, умение выделять главное, проводить сопоставление и обобщение.

 

Метод проведения: лекция

Время занятия: 80 минут

Место проведения: аудитория

Материальное обеспечение: раздаточный материал с представлением основных соотношений и графиков

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

2. Техническая термодинамика: Учебное пособие / В.Н.Королёв, Е.М.Толмачёв. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 180 с.

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

1. Введение. Области применения газотурбинных и паросиловых установок.

2. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении.

3. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объёме.

4. Паросиловые циклы. Цикл Карно.

5. Цикл Ренкина на влажном паре.

6. Цикл Ренкина на перегретом паре.

7. Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара.

8. Регенеративные циклы.

 

 

 

Введение

Газотурбинная установка (ГТУ) представляет собой тепловой двигатель, состоящий из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, приводящей в движение, например, ротор электрического генератора или ротор осевого компрессора, сжимающего газ, транспортирующийся по газопроводу.

В зависимости от характера процесса горения топлива в камере сгорания ГТУ делятся на два типа: с горением топлива при постоянном давлении (ГТУ p = const) и с горением топлива при постоянном объёме (ГТУ V = const).

ГТУ широко используются в авиации, на перекачивающих станциях магистральных газопроводов и др. ГТУ оказываются выгодными в производствах, по технологии которых требуются горячие газы высокого давления, возможность дистанционного пуска и быстрого набора мощности. Основными недостатками ГТУ являются сравнительно низкий коэффициент полезного действия из-за того, что большая работа затрачивается на сжатие воздуха, подаваемого в камеру сгорания газовой турбины, невысокая мощность установки (не более 100 … 200 МВт), невозможность работы на твёрдом топливе.

ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении

Рассмотрим принципиальную схему ГТУ с горением топлива в камере сгорания при p = const (рис. 10.1). На общем валу находится газовая турбина ГТ, компрессор К, топливный насос ТН и электрический генератор ЭГ (если ГТУ используется для выработки электроэнергии). Компрессор всасывает из окружающей среды воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания КС. Туда же топливным насосом подаётся топливо (это может быть мазут или природный газ). Топливо горит в камере сгорания при p = const. Продукты сгорания попадают на лопатки турбины, производят работу, а затем выбрасываются в атмосферу. Изобразим цикл ГТУ в p-v и T-s координатах (рис. 10.2).

При изображении считаем цикл замкнутым, т.е. количество рабочего тела в цикле постоянное: выход выхлопных газов в атмосферу заменяется изобарным процессом отвода теплоты; считается, что рабочим телом является газ неизменного состава, обладающий свойствами воздуха. Процессы: 1–2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2–3 – изобарный процесс горения топлива в камере сгорания (подвод теплоты q ₁ к рабочему телу); 3–4 – адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках турбины; 4–1 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду. Определим термический КПД данного цикла:

, (10.1)

где q ₁ = c_p (T ₃ - T ₂), q ₂ = c_p (T ₄ - T ₁) - соответственно подведённая и отведённая теплота в цикле. Характеристиками данного цикла являются степень повышения давления в процессе сжатия воздуха в компрессоре и степень предварительного расширения рабочего тела . Выразим через температуру T ₁, и :

 

. (10.2)

 

Определим T ₂. Для этого запишем уравнение адиабатного процесса 1-2 через T и p:

. (10.3)

T ₃ выразим через T ₁ и , записав уравнение изобарного процесса 2-3:

. (10.4)

T ₄ найдём из адиабатного процесса 3 - 4:

(10.5)

Подставим выражения (10.3), (10.4), (10.5) в (10.2):

(10.6)

Как видно, цикла ГТУ с подводом теплоты при p = const определяется степенью повышения давления и показателем адиабаты . С увеличением при = const термический КПД цикла возрастает.