4.4. Газотурбинная установка со сгоранием при
и регенерацией тепла
Энергетический кризис, связанный с истощением запасов ископаемых энергоресурсов в виде органического топлива (газ, нефть, уголь и т. д.), делает необходимостью бережное отношение к его использованию. Вместе с тем, температура газа, покидающего турбину, еще достаточно велика и поэтому целесообразно частично вернуть избыточную по отношению к окружающей среде энергию уходящих газов в форме тепла в цикл. Обычно такой процесс называют регенерацией, суть которой состоит в полезном использовании вторичных энергоресурсов.
Отличие
регенеративной ГТУ со сгоранием при
от рассмотренной ранее состоит во
введением дополнительного конструктивного
узла в виде теплообменника регенератора,
в котором тепло от уходящих газов
передается к газу, сжатому компрессоре
установки. Основными элементами ГТУ с
регенерацией (рис. 4.9) являются компрессор
1, турбина 2, камера сгорания 3, топливный
насос 4, теплообменник регенератор 5,
электрогенератор переменного трехфазного
тока 6, топливная емкость 7.
Так
как по условиям организации цикла не
все избыточное тепло уходящих газов
может быть передано воздуху, сжатому в
компрессоре, в анализ цикла вводится
понятие степени регенерации σ
,
смысл которой будет ясен из анализа
цикла.
Рис.
4.9. Схема ГТУ (
)
с регенерацией
Рис.
4.10.
и
-диаграммы
регенеративного цикла ГТУ
и
-диаграммы
регенеративного цикла ГТУ с адиабатным
процессом сжатия в компрессоре и подводом
тепла при
.
Тепло,
отданное в регенераторе выхлопными
газами, в
-
диаграмме изображается площадью под
участком изобары 6-5 (
).
Тепло, полученное в регенераторе сжатым
воздухом, равно площади в
-диаграмме
под участком изобары 2-3. Тепло, подводимое
в цикле, равно площади под участком
изобары 3-4, а тепло, отводимое в цикле,
равно площади под участком изобары 6-1.
Запишем выражение для их расчета:
;
(4.24)
.
(4.25)
Теплота, отбираемая от выхлопных газов, несколько больше на величину, возвращаемую в цикл в теплообменнике регенераторе:
.
(4.26)
Из условия теплового баланса в регенераторе, предполагая адиабатность процесса передачи тепла от уходящих газов сжатому воздуху, запишем равенство:
.
Тогда отведенное тепло может быть определено как разность:
.
(4.27)
Методика
расчета параметров рабочего тела в
узловых точках цикла ничем не отличается
от ранее изложенных. Известными считаются
параметры в точке 1, степень сжатия в
компрессоре
и степень предварительного расширения
.
Кроме того, необходимо задать степень
регенерации
.
С учетом введенного параметра, возможно осуществить однозначную термодинамическую оценку энергетических преобразований в цикле. Запишем выражение для расчета термического КПД цикла:
или
после подстановки выражений для расчета
и
.
(4.28)
Сократив
на теплоемкость
и поделив числитель и знаменатель на
начальную температуру
,
получим:
.
Воспользуемся
соотношениями параметров в процессах
цикла и выразим отклонения температур
через введенные в анализ характеристики
цикла –
,
и
:
;
.
Рассмотрим
отношение
:
,
откуда
или
.
Для
отношения
можно получить следующее выражение:
,
а
для отношения
.
Подставив полученное выражения в зависимость для расчета термического КПД регенеративного цикла, сведем его к виду:
.
(4.29)
Предельно
допустимая степень регенерации
определяет равенство температуры в
точках 3 и 5
.
Этот случай, изображенный в
-диаграмме,
показан на рис. 4.11.
Тепло,
переданное уходящими газами, изображенное
площадью
,
равно теплу, воспринятому сжатым в
компрессоре воздухом
.
Очевидно, что в этом случае справедливым
будет отношение:
.
Для отношения температур получим:
.
Рис.
4.11. Цикл ГТУ с подводом тепла при
и тепла уходящих
газов
Найдем выражение для расчета термического КПД цикла в случае полной регенерации уходящих газов:
.
(4.30)
При предельной регенерации:
.
(4.31)
Рис.
4.12. Зависимость термического КПД цикла
от температуры
[6]
.
Таким
образом, термический КПД ГТУ со сгоранием
при
и адиабатным сжатием воздуха при
постоянной, как правило, температуре
С,
зависит лишь от величины
,
возрастая с ее ростом, как показано на
рис. 4.12.