- •Министерство образования, науки, молодёжи и спорта украины
- •Оглавление
- •3.1 Общий анализ термодинамических процессов в реальном газе 38–39
- •Введение
- •1. Термодинамические процессы в идеальном газе
- •1.2. Политропное расширение, изобарное сжатие и изохорный подвод теплоты
- •1.3. Изохорный подвод теплоты, изобарное расширение и политропное сжатие
- •1.4. Адиабатное сжатие, изохорный подвод теплоты, изобарное и политропное расширение
- •2. Расчет и исследование термодинамических циклов двигателей внутреннег сгорания и газотурбинных установок
- •2.1. Термодинамический цикл двс со смешанным подводом теплоты
- •2.2. Термодинамические циклы газотурбинных установок
- •2.2.1. Простой цикл гту
- •2.2.2. Цикл с регенерацией теплоты
- •2.2.3. Цикл с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха
- •2.2.4. Цикл с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха и регенерацией теплоты
- •3. Расчет термодинамических процессов в реальном газе
- •3.1. Общий анализ термодинамических процессов в реальном газе
- •3.2. Изохорный процесс
- •3.3. Изобарный процесс
- •3.4. Изотермический процесс
- •3.5 Изоэнтропный процесс
- •3.6. Процесс дросселирования
- •3.7. Процесс течения
- •4. Расчет и исследование термодинамических циклов паротурбинных установок
- •4.1. Установка, работающая по циклу Ренкина
- •4.2. Паротурбинная установка с промежуточным перегревом пара
- •4.3. Установки с регенеративным подогревом питательной воды
- •4.3.1. Пту с регенеративным подогревом питательной воды в подогревателе смесительного типа
- •4.3.2. Пту с регенеративным подогревом питательной воды в подогревателе поверхностного типа
- •4.3.3. Пту с промежуточным перегревом пара и регенеративным подогревом питательной воды в поверхностном и смесительном подогревателях
- •4.3.4. Исследование влияния последовательности использования типов регенеративных подогревателей на эффективность пту
- •5. Термодинамика влажного воздуха
- •5.1. Основные понятия, определения и соотношения, характеризующие термодинамические свойства влажного воздуха
- •5.2. Примеры расчета процессов тепломассообмена во влажном воздухе
- •6. Методические указания по выполнению лабораторных работ
- •Изотермического процесса.
- •Контрольные вопросы
- •Контрольные вопросы
- •Образец
2.2. Термодинамические циклы газотурбинных установок
Как известно из курса термодинамики, в циклах ГТУ широко используются различные усовершенствования, как-то: регенерация теплоты отработавших газов, двухступенчатое сжатие воздуха с промежуточным охлаждением. Часто они используются совместно. Рассмотрим эффективность этих усовершенствований, рассчитав и сопоставив простой цикл ГТУ и его модификации.
2.2.1. Простой цикл гту
Задача. Рабочее тело простой ГТУ открытого типа с подводом теплоты при постоянном давлении обладает свойствами воздуха. Его начальная температура t1 = 27°С, температура газов перед турбиной t3 = 835°С, степень повышения давления воздуха в компрессоре β = 7.
Изобразить принципиальную схему установки и термодинамический цикл на диаграммах p,v и T,s. Найти количество подводимой и отводимой теплоты, полезную работу и термический КПД цикла.
Решение.
Изображаем схему установки и цикл (рис 2.3). Учитывая, что цикл состоит из двух адиабат и и двух изобар рассчитываем температуру рабочего тела в характерных точках цикла. Поскольку адиабатные процессы 1-2 и 3-4 совершаются между изобарами р1 и р2 то справедливо следующее соотношение
.
Тогда температура воздуха после компрессора:
,
где β = р2/р1– степень повышения давления.
Для воздуха как двухатомного газа k = 1,4.
.
Температура газов после турбины:
Зная температуру рабочего тела во всех точках цикла, рассчитываем количество подводимой и отводимой теплоты q1 и q2:
,
,
где для воздуха .
Рис.2.3. Принципиальная схема и термодинамический цикл простой ГТУ:
I – пусковой двигатель, II – топливный насос, III – топливный бак, IV – камера сгорания, V – компрессор, VI – газовая турбина, VII – потребитель энергии.
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре, 2-3 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу, 3-4 – адиабатное расширение газов в турбине, 4-1 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду.
Работа цикла:
Термический КПД цикла:
Проверим точность расчетов, определив КПД по формуле:
Как видно, точность расчетов хорошая, поскольку результат расчета термического КПД двумя способами отличаются только на 0,0007 (0,16%).
2.2.2. Цикл с регенерацией теплоты
Задача 2. Для открытой ГТУ с подводом теплоты при p = idem известны начальная температура воздуха t1 = 30°С, температура газов в конце расширения t4 = 370°С и степень повышения давления β = 6.
Изобразить принципиальную схему установки и цикл в рабочей и тепловой диаграммах. Определить и сопоставить значения термического КПД простого цикла и регенеративных циклов при значениях степени регенерации 0,4; 0,6; 0,8 и 1,0.
Решение.
Принципиальная схема и термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты изображены на рис.2.4.
Рис.2.4. Принципиальная схема и термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты отработавших газов:
I – пусковой двигатель (стартер), II – топливный насос, III – топливный бак, IV – камера сгорания, V – компрессор, VI – газовая турбина, VII – потребитель энергии, VIII – регенеративный теплообменник;
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре, 2-6 –регенеративный подогрев воздуха, 6-3 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу от внешнего источника, 3-4 – адиабатное расширение газов в газовой турбине, 4-5 – регенеративное охлаждение отработавших газов, 5-1 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду.
Вначале определяем температуру воздуха после компрессора Т2 и газов перед турбиной Т3 из уравнения
.
При этом используем заданные значения Т1, Т4 и β, приняв для воздуха k = 1,4.
Для обычного (нерегенеративного) цикла σ=0, Т6=Т2, Т5=Т4; для предельно регенеративного σ=1, Т6=Т4, Т5=Т2.
Рассчитав значения температуры рабочего тела в характерных точках цикла, определяем ηТ по формуле
.
Расчет для различных значений σ проводим в компактной табличной форме. При проверке по формулам для обычного и предельно регенеративного циклов
,
получаем значения ηТ 0,401 и 0,529, хорошо согласующиеся с приведенными в таблице.
Основания для расчета |
Расчетные соотношения |
Степень регенерации, σ | ||||
0 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 | ||
Адиабатный процесс 1-2 |
, К |
506 |
506 |
506 |
506 |
506 |
Адиабатный процесс 3-4 |
, К |
1073 |
1073 |
1073 |
1073 |
1073 |
Из определения σ |
, К |
506 |
561 |
588 |
616 |
643 |
Из теплового баланса |
, К |
643 |
588 |
561 |
533 |
506 |
Формула для КПД |
|
0,400 |
0,443 |
0,468 |
0,497 |
0,528 |
|
, % |
0 |
10,8 |
17,0 |
24,2 |
32,0 |
* при отсутствии регенерации (σ = 0).