Подставив (10.8), (10.9), (10.10) в (10.7), получим

. (10.11)

При k = const с возрастанием b и l увеличивается. При одной и той же величине степени повышения давления и одинаковом количестве отведённой теплоты цикл ГТУ V = const выгоднее цикла ГТУ p = const. Это объясняется большей степенью расширения, которая будет в цикле V = const, а, следовательно, и большими значениями термического КПД. Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при V = const не нашёл широкого применения в практике в связи с усложнением конструкции камеры сгорания и ухудшением условий работы турбины, на лопатки которой подаётся пульсирующий поток газа.

Регенеративные циклы

Одним из способов повышения эффективности перехода теплоты в работу, т.е. увеличения КПД, является регенерация теплоты. Регенерация теплоты заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. За счёт этого уменьшается количество топлива, требуемого для достижения тех же параметров продуктов сгорания (p и Т) перед входом на лопатки ГТУ.

Регенеративный цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const

На рис. 10.5 приведена принципиальная схема такой установки. Воздух адиабатически сжимается в компрессоре К и подаётся в регенератор Р, где за счёт теплоты выбрасываемых из турбины газов подогревается, а затем поступает в камеру сгорания КС. Туда же топливным насосом ТН подаётся топливо. При сгорании топлива образовавшиеся продукты сгорания поступают на рабочие лопатки турбины ГТ, где адиабатно расширяются, совершая работу. На выходе из турбины газы имеют сравнительно большую температуру, поэтому их направляют в регенератор, где они, частично отдав теплоту воздуху, выбрасываются в окружающую среду. Изобразим цикл в T - s координатах (рис. 10.6). В регенеративном цикле теплота подводится в изобарном процессе а –3, а отводится в окружающую среду в изобарном процессе b –1. С участка 4– b теплота передаётся на участок 2– а и таким образом используется в цикле. Так как процесс теплообмена сугубо необратимый, то вся теплота передаться с участка 4– b без потерь не может, поэтому в действительности точка (а) лежит ниже (а ¢). Отношение значения действительного повышения температуры воздуха от регенеративного подогрева его газами (T_а¢ – T ₂) к максимально возможному значению (T_а – T ₂) называется степенью регенерации s:

. (10.12)

 

При степени регенерации s = 1 температура воздуха на выходе из регенеративного теплообменника достигает максимального значения T_{а ¢} = T_а. Нетрудно видеть, что регенерация увеличивает кпд . Работа, производимая в цикле, будет одинаковая при введении регенерации и без неё (работа эквивалентна площади, заключённой внутри процессов цикла в p - v или в T - s координатах), а подведённая теплота в цикле с регенерацией будет меньше, чем без неё ().

Регенеративный цикл ГТУ с подводом теплоты при V =const

Принципиальная схема этой установки приведена на рис. 10.7, а цикл изображён в p-v координатах на рис. 10.8.

Воздух, сжатый в компрессоре К, проходит через регенератор З, забирая частично теплоту уходящих из газовой турбины ГТ продуктов сгорания, нагревается и поступает в камеру смешения, куда подаётся также топливо насосом ТН. Затем смесь поступает в камеру сгорания КС, где горит при V = const, а затем продукты сгорания попадают на лопатки турбины, вращая её ротор. Теплота в цикле подводится на участке 3–4 (), а отводится на а –1 (). Теплота с участка 5– а передаётся на участок 2–3 ().

Тема 11. ТЕПЛОСИЛОВЫЕ ПАРОВЫЕ ЦИКЛЫ (12)

 

В настоящее время на тепловых электрических станциях используются паровые теплосиловые установки, в которых в качестве рабочего тела применяется водяной пар.

Цикл Карно

Рассмотрим цикл Карно на влажном паре. Этот цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, на влажном паре сравнительно легко осуществить, так как процессы фазового перехода являются изобарно-изотермическими. На рис. 11.1 изображена принципиальная схема цикла Карно на влажном водяном паре.

В паровой котёл ПК поступает влажный пар малой степени сухости x. За счёт сгорания топлива в топке котла к влажному пару подводится теплота, и его степень сухости повышается до значения . Процесс

подвода теплоты в котле происходит при постоянном давлении p ₁ и постоянной температуре t ₁ (рис. 11.2). Из котла пар поступает в паровую турбину ПТ. При расширении в турбине поток пара приобретает значительную кинетическую энергию. На лопатках рабочего колеса турбины эта энергия превращается в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем в электроэнергию с помощью электрогенератора ЭГ, ротор которого приводится во вращение ротором турбины. На выходе из турбины пар имеет давление p ₂ и температуру t _2.. С этими параметрами пар поступает в конденсатор К, где от пара отводится теплота, и его степень сухости уменьшается. Этот процесс идет при постоянных давлении и температуре. После конденсатора влажный пар поступает в компрессор, где адиабатически сжимается до давления p ₁. Затем процессы повторяются. На рис. 11.2 цикл изображён в p-v и T-s координатах. Процессы: 4–1 – изобарно-изотермический процесс подвода теплоты q ₁ к кипящей воде и превращения её в сухой насыщенный пар; 1–2 – адиабатическое расширение пара на лопатках турбины; 2–3 – изобарно-изотермический процесс отвода теплоты в конденсаторе; 3–4 –
адиабатическое сжатие влажного пара компрессором. Термический КПД цикла Карно, как и цикла Карно с любым другим рабочим телом, определяется согласно (4.10):

Цикл Карно на влажном паре вполне возможно осуществить, но, тем не менее теплосиловые установки по этому циклу не работают. Одна из основных причин этого – очень трудные условия работы теплосилового оборудования, проточных частей турбины и компрессора на влажном паре. Компрессор, сжимающий влажный пар, который имеет маленькое давление и большой удельный объём, должен иметь очень большие размеры, на его привод необходимо затрачивать значительную энергию.