1.4.2. Термодинамический цикл газотурбинной установки. Цикл брайтона для газотурбинной установки1.4.2. Термодинамический цикл газотурбинной установкис подводом теплоты при p=idem(цикл Брайтона) На рис. 11аизображена принципиальная схема ГТУ, работающей по циклу Брайтона. Она аналогична рассмотренной схеме ГТУ, работающей по циклу Гемфри, за исключением того, что горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания КСг этой ГТУ происходитнепрерывно. Поэтому камера сгорания КСг ГТУ, работающей по циклу Брайтона, в отличие от ГТУ, работающей по циклу Гемфри, не имеющей клапанов. На рис 11в,гизображен термодинамического цикла Брайтона в координатах соответственноp-vиT-s. Формула для расчета термического КПД цикла Брайтона t,Бвыводится с использованием уравнения первого начала термостатики для потока 1 кг газа [6] , (21) поскольку процессы, происходящие в осевом компрессоре и газовой турбине ГТУ, являются процессами перемещения РТ из области одного давления в область другого. Работы адиабатических процессов сжатия 1 кг газа в компрессоре wa-cи расширения его в газовой турбинеwz-sопределяются следующим образом: |wa-c|, (22) , (23) а теплота qc-z, подведенная к газу в камере сгорания, – из соотношения , (24)
где = (pc / pa) = (pz / ps) – степень повышения давления газа в компрессоре; C = [(k 1) /k]; k показатель адиабаты. С учетом соотношений (21)(24), а также того, что при анализе теоретических циклов предполагается, что значенияCp,mиkодинаковы для процессова-с,с-z,z-sиs-а, формула для расчета термического КПД цикла Брайтонаt,Бпринимает вид t,Б= 1C. (25) Термический КПД цикла Брайтона возрастает с увеличением степени повышения давления газа в осевом компрессоре и показателя адиабатыk. Из сопоставления термических КПД циклов Гемфри t,Г (с подводом теплоты при v = idem) и Брайтона t,Б (с подводом теплоты при p = idem) (см. рис. 11, г) следует, что в этих циклах: при одинаковой степени повышения давления газа ( = (pc / pa)) t,Б t,Г , (26) а при одинаковой наивысшей температуре Tz t,Б t,Г . (27) Мощность ГТУ без учета механических потерь работы в подшипниках на трение и потерь на преодоление гидравлических сопротивлений в элементах ГТУ G, передаваемая потребителю, определяется из соотношения , (28) где G расход воздуха через осевой компрессор. Реальные процессы сжатия рабочего тела в осевом компрессоре и расширения его в газовой турбине происходят с увеличением энтропии в связи с наличием необратимых превращений работы в теплоту внутреннего теплообме-на см. линии а-сд и z-sд на рис. 10в и рис. 11г. Кроме того, существуют потери давления в камере сгорания, в рекуператоре и в трубопроводах, а также потери полезной мощности ГТУ, что обусловлено наличием трения в подшипниках. Эти факторы снижают значения КПД ГТУ и мощности, передаваемой потребителю. Поэтому вводится понятие эффективного КПД ГТУ, представляющего собой отношение полезной работы ГТУ в реальном процессе к количеству теплоты, выделяемой при сгорании топливно-воздушной смеси. При одинаковых степени повышения давления газа в осевом компрессореи температуре Тm,2 температура Тm,1 в цикле Гемфри (v=idem) больше, чем в цикле Брайтона (p=idem), т.к. изохора в координатах Т-s расположена круче по отношению к оси s, чем изобара. Однако, цикл Брайтона получил большее распространение в ГТУ, применяющихся в различных отраслях промышленности, по сравнению с циклом Гемфри, т.к. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, более просты в конструктивном отношении. Например, в цикле Гемфри для обеспечения непрерывности потока РТ через газовую турбину необходимо устанавливать несколько более сложных в конструктивном отношении клапанных камер сгорания, надежную работу которых трудно обеспечить в течение длительного срока эксплуатации ГТУ. Кроме того, пульсационный режим работы камер сгорания такой ГТУ снижает надежность и показатели эффективнос-ти адиабатические КПД осевого компрессора и газовой турбины ГТУ. В газовой промышленности применяются ГТУ только открытого цикла. Следует отметить, что существуют ГТУ закрытого цикла. В них РТ не выбрасывается в атмосферу, а после расширения в турбине и последующего охлаждения водой или наружные воздухом вновь поступает на вход осевого компрессора. Преимуществами таких ГТУ являются, во-первых, возможность использования высокоэффективных рабочих тел (например, гелия) и, во-вторых, возможность существенного увеличения мощности ГТУ путем повышения давления рабочего тела перед компрессором. Однако, большим недостатком ГТУ закрытого цикла является необходимость применения громоздких и дорогих промежуточных теплообменников. studfiles.net 2.2. Физические основы преобразования энергииВ основе преобразования и использования различных видов энергии лежит ряд фундаментальных законов природы. К ним относятся первый и второй законы термодинамики, закон электромагнитной индукции, закон сохранения вещества. Первый закон термодинамики — это лишь иная формулировка закона сохранения энергии. Совокупность тел, способных энергетически взаимодействовать между собой и с телами, оставшимися за границами, выделяющими эту совокупность, называют термодинамической системой. В энергетике в качестве термодинамической системы рассматривают так называемое рабочее тело — вещество, посредством которого осуществляются рабочие процессы в энергетических установках. Для такой системы всю энергию можно считать состоящей из двух частей: макроскопической и микроскопической. Макроскопическая энергия представляет собой энергию движения системы как целого — это то, что мы называем механической энергией, а микроскопическая энергия включает в себя «скрытую» энергию частиц, т.е. внутреннюю энергию. Если две системы с разными температурами привести в соприкосновение, то возникнет поток тепла от более горячего тела к более холодному. Согласно закону сохранения энергии поступившее в систему тепло должно быть равно сумме приращения внутренней энергии системы и работы, совершенной системой за ее пределами (переданной через границы системы). Чтобы конструировать установки, потребляющие топливо и производящие полезную работу, необходимо знать ограничения, налагаемые вторым законом термодинамики. Сущность второго закона термодинамики состоит в констатации того факта, что любой естественный самопроизвольный процесс в природе протекает в определенном, присущем ему направлении и не может быть проведен в противоположном направлении без затраты энергии. Существует множество формулировок второго закона термодинамики. Приведем только те, которые наиболее просто объясняют протекание процессов в энергетических установках. Формулировка 1. Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому. Формулировка 2. Невозможно создать периодически действующий двигатель, в результате действия которого производилась бы положительная работа за счет взаимодействия его лишь с одним источником теплоты. Этой формулировкой устанавливается, что для работы любого теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различной температурой. Следует подчеркнуть важную особенность тепловых процессов. Механическую работу, электрическую работу, работу электромагнитных сил и т.д. можно без остатка, полностью, превратить в тепло. Что же касается теплоты, то только часть ее может быть превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую и другие виды работ; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику. На основе второго закона термодинамики вводится также понятие обратимого процесса. Обратимым называется процесс, после проведения которого система сохраняет возможность вернуться в первоначальное состояние, так что ни в системе, ни во взаимодействовавших с ней телах не произойдут какие-либо конечные изменения. Не удовлетворяющий этому условию процесс называется необратимым. Источниками необратимости являются разность температур при теплообмене, трение, диффузия и др. Очевидно, что обратимые процессы — это абстракция и все реальные процессы в той или иной степени необратимы. Однако при обратимых процессах достигаются наилучшие характеристики. Поэтому анализируются обратимые процессы, а влияние необратимости учитывается введением эмпирических коэффициентов. В энергетических установках для получения механической и электрической энергии из энергии топлива (тепловой энергии) организуются круговые процессы, в результате которых рабочее тело возвращается в исходное состояние. Такие процессы еще называют циклами. В зависимости от того, как организован цикл, насколько обратимы протекающие в нем процессы, каково рабочее тело, параметры холодного и горячего источника, зависит эффективность получения работы. Эффективность цикла принято определять коэффициентом полезного действия, который в обобщенном виде можно выразить следующей формулой: , где ‑ тепло, полученное от горячего источника;‑ тепло, переданное холодному источнику; ‑ полезная работа, совершенная в цикле. Для простоты представления наиболее характерных циклов энергетических установок представим их графически только в координатах T, s (T, s - диаграммах), где Т — температура рабочего тела (по шкале Кельвина), s — энтропия рабочего тела. Энтропия — это показатель, характеризующий степень обратимости любого процесса. При абсолютном нуле температур (T = 0 K) и любых давлениях энтропия всех веществ равна нулю (третий закон термодинамики). Знание абсолютного значения энтропии необходимо для расчета химического равновесия, в термодинамике ее чаще всего отсчитывают от некоторого условного начала отсчета, так как в технических расчетах представляют интерес изменения энтропии в каких-либо процессах. Функционирование цикла подчиняется описанным выше законам термодинамики. Цикл, представленный в T, s - диаграмме последовательностью линий, следующей по часовой стрелке, называют прямым циклом или циклом двигателя. При минимальном числе источников теплоты (двух) прямой цикл может быть обратимым, если теплообмен происходит при постоянных температурах (изотермическим) и бесконечно малой разнице между температурами рабочего тела и источников теплоты, переход от одного источника к другому осуществляется без теплообмена (адиабатно) и во всех процессах отсутствует трение. Такой цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, называется прямым обратимым циклом Карно (рис. 2.1). Термический КПД цикла Карно можно выразить формулой
откуда , где Т1 — температура горячего источника; Т2 — температура холодного источника. Доказано, что термический КПД цикла Карно является пределом возможности преобразования теплоты в работу с помощью теплового двигателя в заданных условиях. В определенном интервале температур Т1 и Т2 любой произвольный обратимый цикл имеет термический КПД ниже, чем КПД цикла Карно.
Рис. 2.1. Цикл Карно в T, s - координатах КПД любого произвольного обратимого цикла можно также представить в том же виде, что и КПД цикла Карно, используя показатели средней температуры подвода Тср1 и отвода Тср2 тепла:
Основное производство электрической энергии за счет использования энергии сжигаемого топлива осуществляется в паротурбинных, газотурбинных и парогазовых установках. Графическое представление циклов показано на рис.2.2―2.4. Цикл Ренкина (рис. 2.2), по которому работают паротурбинные установки, так же как и цикл Брайтона (рис. 2.3), представляет собой совокупность процессов, состоящих из двух изобар (процессов протекающих при постоянном давлении) и двух адиабат (процессов, протекающих без теплообмена с окружающей средой). Однако, как видно из графического представления циклов, форма их различна. Объясняется это тем, что в цикле Ренкина в качестве рабочего тела используется вода и водяной пар, которые в процессе реализации цикла испытывают фазовые превращения перехода из одного состояния в другое (из жидкого в газообразное и наоборот). В цикле же Брайтона рабочее тело всегда находится в газообразном состоянии.
Рис. 2.2. Цикл Ренкина (цикл паротурбинной установки)
Рис. 2.3. Цикл Брайтона (цикл газотурбинной установки) На всех этих диаграммах линия 1—2 представляет процесс обратимого адиабатного расширения пара в турбине, являющейся в этом случае, согласно уравнению, процессом изоэнтропным (т.е. процессом при постоянной энтропии). Линия 2―2’ соответствует изобарному (а в двухфазной области он является и изотермическим) процессу отвода теплоты q2 при конденсации влажного пара. Обратимый адиабатный (т.е. тоже изоэнтропный) процесс сжатия воды в насосе представлен линией 2’―3, а все последующие стадии подвода теплоты q1 для получения перегретого пара в котле (нагрев воды до кипения, парообразование, перегрев) изображаются различными участками изобары 3—1. Действительный цикл комбинированной установки в T, s - диаграмме представлен на рис. 2.4 (цикл Брайтона―Ренкина). Здесь цикл 1—2—2’―3―1 есть цикл газотурбинной установки (ГТУ), в которой газ после расширения в турбине (точка 2) при атмосферном давлении охлаждается в газоводяном подогревателе (ГВПД) до состояния 2’, отдавая теплоту питательной воде цикла паротурбинной установки (ПТУ), и только после этого отдает теплоту q2Г окружающей среде. В цикле ПТУ 4—5—5’—6—7―4 подогрев питательной воды от состояния 6 до состояния 7 производится в газовом подогревателе за счет теплоты газа ГТУ, а дальнейший подвод теплоты q1В осуществляется за счет сжигания топлива в котле. Таким образом, комбинированный цикл является частично бинарным, т.е. в низкотемпературном цикле часть теплоты (та, что подводится к газоводяному подогревателю) получена из высокотемпературного цикла, а остальная часть — от продуктов сгорания топлива.
Рис. 2.4. Цикл Брайтона―Ренкина studfiles.net 6.2. Цикл газотурбинных двигателей – цикл БрайтонаДанный цикл называется также циклом с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 6.2а и 6.2б). От исходного состояния 1 рабочее тело сжимается в адиабатном процессе 1-2. Далее в изобарном процессе 2-3 к нему подводится извне теплота . Затем происходит адиабатное расширение рабочего тела в процессе3-4 до давления р4, равного исходному давлению р1. Отвод теплоты происходит в замыкающем цикл изобарном процессе4-1, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние 1. Для исследования цикла Брайтона необходимо задать:
и степень подогрева рабочего тела в цикле
Определим температуру рабочего тела в характерных точках 2, 3 и 4 данного цикла. При этом для упрощения записей введём обозначение e = Тогда Определим подведённую и отведённую в цикле теплоту. Для изобарного процесса 2-3 Для изобарного процесса 4-1 = Тогда термический КПД цикла Брайтона равен или Отсюда видно, что значение термического КПД цикла Брайтона зависит от рода рабочего тела (k) и степени повышения давления в цикле (рис. 6.3).
Увеличение является одним из основных средств повышения и, следовательно, экономичности тепловых машин, работающих по циклу Брайтона. Практически все современные воздушно-реактивные и газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона. У авиационных двигателей значение в наземных условиях достигает 25…30, а в полёте и того более. Найдём выражение для работы цикла . Как видно, работа цикла зависит от рода рабочего тела (k, R), его начальной температуры Т1, степени повышения давления и степени подогрева рабочего телав цикле. С ростом,Т1 и работа цикла растёт. Работа цикла обращается в нуль при двух значениях , соответствующихe = 1 и e =(рис. 6.4). Следовательно, между этими крайними значениями имеется некоторое оптимальное значение , при котором работа цикла максимальна. Для определенияпродифференцируем формулу дляпоe и приравняем производную нулю: = 0. Отсюда получим =или= Как видно, для данного рабочего тела величина в идеальном цикле Брайтона зависит только от степени подогрева. С увеличениемувеличивается и значениеl и . Следует отметить, что при термический КПД цикла не достигает максимального значения. В области значений>он продолжает увеличиваться с ростом, но величина работы цикла при этом будет уменьшаться и достигнет нулевого значения при = При работа цикла при увеличенииΔ линейно возрастает. Рассмотренный цикл Брайтона реализуется в ряде типов существующих двигателей. В авиации это турбореактивные (рис. 6.5) и турбовинтовые двигатели (рис. 6.6), а также вертолётные газотурбинные двигатели (рис. 6.7). Цикл Брайтона применяется, кроме того, в турбостартёрах и в газотурбинных установках (ГТУ), используемых как вспомогательные силовые установки на тяжёлых самолётах различного назначения.
Применительно к ТРД (рис. 6.5) идеальный цикл Брайтона протекает следующим образом. Рабочее тело (воздух) поступает в двигатель из атмосферы через входное устройство. Адиабатный процесс сжатия воздуха 1-2 (рис. 6.2) происходит во входном устройстве и в компрессоре. С ростом скорости полёта повышение давления во входном устройстве становится всё более значительным, и параметры воздуха на входе в компрессор значительно отличаются от атмосферных параметров (точка в на рис. 6.2). В камере сгорания при постоянном давлении происходит сгорание топлива (процесс 2-3) и к воздуху подводится теплота . Продуктысгорания (газ) с параметрами p, T поступают в газовую турбину, которая служит для привода компрессора. Адиабатное расширение газа (процесс 3-4) происходит в турбине и сопле. Состояние газа за турбиной изображено на рис. 6.2 точкой Т. При расширении в турбине часть энергии газа преобразуется в работу на валу турбины, которая передаётся компрессору. При расширении в сопле происходит разгон потока и он в виде газовой струи с большой скоростью вытекает в атмосферу. Изобарный процесс 4-1 соответствует охлаждению в окружающей атмосфере горячих продуктов сгорания, вытекающих из двигателя, с отводом теплоты Вертолётные ГТД (рис. 6.6) и ТВД (рис. 6.7) используются на летательных аппаратах, предназначенных для полета с дозвуковой скоростью. Поэтому повышение давления во входных устройствах этих двигателей практически не происходит, и сжатие воздуха осуществляется только в компрессоре. У этих двигателей только часть работы турбины затрачивается на привод компрессора. Значительная часть её передаётся через редуктор на воздушный винт. Поэтому у ТВД и вертолётных ГТД процесс расширения продуктов сгорания происходит в турбине практически до атмосферного давления и через выходное устройство они отводятся в атмосферу. studfiles.net Цикл Брайтона - Энциклопедия по машиностроению XXLФормулу термического к. п. д, ГТУ, работающей по циклу с подводом теплоты при постоянном давлении (по циклу Брайтона)" находим из уравнения (10.26), подставляя значения D = 1, X = 1 и Е = рС /, а также учитывая, что т = е = С /. [c.149]В частном случае для идеального газа, имеющего v = 1.4, при Гс = 820°С и отношении давлении 5 1 получаем 7 = 415°С и КПД = = 37 %. Если начальная температура равна 2i° , то для цикла Карно в этом интервале ТЕ мператур получаем КПД = 73%. Это означает, что КПД цикла Брайтона весьма далек от максимально возможного. При этом необходимо еще учесть, что был рассмотрен теоретический цикл, не учитывающий потери давления и теплоты, механические потери в компрессоре турбины и необратимость процессов. [c.77] Убедитесь, что,для цикла Брайтона справедливо соотношение [c.86]И), в верхней (газовой) ступени которого используется цикл Брайтона 12341, а в нижней (паровой)— условный цикл треугольной конфигурации 7567, рассматривавшийся в ряде исследований [6 25 [c.19] Первый сомножитель в этом уравнении — к. п. д. цикла Брайтона, второй сомножитель — комплекс, характеризующий внутренние потери в турбине и компрессоре. [c.22] Для воздуха рассмотрен цикл Брайтона. [c.80] На рис. 6-1 показана схема ГТД с подводом теплоты при постоянном давлении. Соответствующий цикл идеального ГТД (цикл Брайтона) в р, V- и Т, s-диаграммах показан на рис. 6-3. [c.102] Цена условного топлива 17— 18 Цикл Брайтона 102 [c.291] Рис.2.б. Зависимость к.п.д. цикла Брайтона—Рэнкина от температуры на входе турбины. Условия работы температура окружающей среды [c.53] Применение газа в газотурбинных энергетических установках (ГТУ) существенно упрощает задачу повышения средней температуры рабочего тела при подводе теплоты в цикле Брайтона. Вместе с тем значительно сложнее снизить температуру газа при отводе теплоты из цикла, которая имеет тенденцию к увеличению. [c.11] В истории теплоэнергетики можно заметить своеобразное соревнование между паровыми и газовыми установками и их термодинамическими циклами. Отсутствие соответствующих технологий в прошлом не позволяло использовать продукты сгорания в качестве рабочего тела, и водяной пар применялся как промежуточное рабочее тело. Параллельное развитие газовых и паровых циклов, однако, не привело к их антагонизму. Напротив, наметилась тенденция максимально использовать их положительные свойства, создав комбинированную парогазовую установку. В ней теплота выходных газов ГТУ используется почти полностью в нижней паровой части объединенного цикла Брайтона—Ренкина, что значительно повышает экономичность ПГУ [c.11] Изменение параметра Y приведено на рис. 1.7. Как видно из рис. 1.6, б и 1.7, термический КПД цикла Брайтона при адиабатном сжатии воздуха возрастает с увеличением степени повышения давления в компрессоре. [c.28]Энергетические ГТУ открытого цикла имеют высокую температуру уходящих газов. Наличие большого количества выходных газов (100—700 кг/с) с температурой 500—600 °С является причиной снижения экономичности установки. Возможны тепловые схемы ГТУ с регенерацией теплоты этих газов с использованием теплообменных аппаратов — регенераторов. В них уходящие газы передают часть своей теплоты сжатому в компрессоре цикловому воздуху (см. рис. 1.2, б). Термодинамический цикл Брайтона для такого случая представлен на рис. 1.14. Очевидно, что температуру воздуха за компрессором можно в пределе повысить до температуры уходящих газов ГТ. Такой теоретически предельный режим соответствует степени регенерации теплоты 0=1. Обычно используются технические решения, при которых а = 0,6—0,8 о определяют по формуле [c.36] Что определяет изменение термического КПД обратимого цикла Брайтона ГТУ [c.38]Какое влияние оказывает температурный коэффициент на внутренний КПД реального цикла Брайтона [c.38] Конструктивная кинематическая схема ГТУ зависит от параметров термодинамического цикла Брайтона, наличия промежуточного охлаждения воздуха, ступенчатого сжигания топлива, применения регенеративного подогрева циклового воздуха и др. На рис. 4.3 приведены варианты таких схем ряда современных энергетических ГТУ. Простое техническое решение (рис. 4.3, а) основано на наличии общего ротора у компрессора и ГТ (см. также рис. 2.1 2.3). Конструкторы таких установок по возможности отказываются от промежуточного подщипника и разделения валов компрессора и ГТ для упрощения конструкции ГТУ. Использование отработанной конструктивной схемы компрессора и обеспечение соответствующих параметров сжимаемого в нем воздуха связаны в определенных случаях с применением силовых агрегатов с высокой частотой вращения (и = 5000—10 ООО об/мин) и установкой редуктора для подключения электрогенератора (рис. 4.3, б). [c.87] Термодинамический цикл Брайтона ГТУ можно охарактеризовать двумя важнейшими параметрами степенью повышения давления рабочего тела, которая определяет начальное давление газов перед газовой турбиной и начальной температурой этих газов [c.89] При неизменной начальной температуре газов увеличение степени повышения давления в компрессоре приводит к снижению температуры выходных газов. На рис. 4.7 приведено несколько вариантов термодинамических циклов Брайтона при постоянной начальной температуре газов с различной степенью повышения давления циклы А, В vi С, подтверждающие эту зави-90 [c.90] Все актуальнее становится использование современных энергетических ГТУ в комбинированных ПГУ, в которых высокая температура выходных газов за ГТ позволяет генерировать пар повышенных параметров. Исследования ведущих энергетических фирм в России и за рубежом показали, что оптимальная степень повышения давления воздуха в комбинированном цикле Брайтона—Ренкина = 14—18 и соответствующее ей начальное давление [c.92] Простейшая тепловая схема ПГУ представлена на рис. 8.1, а термодинамический цикл Брайтона—Ренкина изображен на рис. 8.2. Выходные газы энергетической ГТУ поступают в КУ, где большая часть их теплоты передается пароводяному рабочему телу. Генерируемый в КУ пар направляется в паротурбинную установку (ПТУ), где вырабатывается дополнительное количество электроэнергии. Отработавший в паровой турбине (ПТ) пар конденсируется в конденсаторе ПТУ, конденсат с помощью насоса подается в КУ. [c.271] Анализ термодинамического цикла Брайтона—Ренкина позволяет получить выражение для внутреннего КПД ПГУ с КУ [c.273] Существует характерная степень расширения в вихревой трубе (или относительная доля охлажденного потока) (рис. 4.11), при которой кинетическая энергия вынужденного вихря становится больше исходной. На режимах вращения вынужденного вихря отстает от закона вращения твердого тела — со = onst. Избыточная кинетическая энергия свободного вихря расходуется на трение о стенки (работа внешних поверхностных сил) и на работу внутренних поверхностных сил. При турбулентном течении пульсационное движение непрерывно извлекает энергию из ос-редненного движения. Эта чдсть энергии обеспечивает работу переноса турбулентных молей в поле радиального фадиента статического давления [121, 122]. Если допустить, что под действием турбулентности перемещаются среднестатистические турбулентные моли с массой dm, совершающие элементарные циклы парокомпрессионных холодильных машин, то можно найти работу, затраченную на их реализацию. Объем турбулентного моля и путь его перемещения невелики по сравнению с контрольным объемом П, поэтому изменение температуры при изобарных процессах теплообмена моля с окружающими его частицами незначительно. Это позволяет, не внося существенной погрешности, заменить цикл Брайтона циклом Карно. Тогда работа по охлаждению выделенного контрольного объема П равна сумме элементарных работ турбулентных молей [c.206] Принципиальная схема простейшей ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при р = idem приведена на рис. 10,6. Цикл ГТУ с подводом теплоты при р = idem иногда называют циклом Брайтона. [c.146] В гл. 4 было показано, что температура на выходе газовой турбины (работающей в цикле Брайтона) довольно высока — от 300 до 400Х. Эту теплоту можно использовать для производства технологического пара высокого давления с вполне приемлемой температурой. Система, позволяющая это сделать, схематически изображена на рис. 8.15. Выхлопные газы дизельных двигателей также имеют достаточно высокую температуру (300—450°С), и эти двигатели можно легко приспособить для получения небольших количеств технологической теплоты. [c.226] В подобной системе обессеривание угля становится гораздо проще на стадии газифика-цш1, так что продукты сгорания, содержащиеся в выхлопных газах турбины, весьма незначительно загрязняют окружающую среду. Кроме того, использование угля для производства электрического газа содействовало бы экономии запасов нефти и природного газа, а ведь эти виды топлива наиболее часто применяются на электростанциях, работающих в цикле Брайтона. Во-первых, общий КПД комбинированного цикла может быть несколько выше, чем КПД установки с использованием одной лишь паровой турбины. Это объясняется более высокими рабочими температурами, которые используются в газовой турбине по сравнению с паровой турбиной. В результате [c.228] Определим термический к. п. д. цикла газотурбинной установки со сгоранием при p= onst, иногда называемого циклом Брайтона. Как и раньше, считаем рабочее тело идеальным газом с постоянной теплоемкостью. [c.331] После рассмотрения принципа работы газотурбинного двигателя изучим его диаграмму. Термодинамический цикл начинается в компрессоре 2, где происходит адиабатическое сжатие воздуха, поступившего из окружающей среды. На гу-диаграмме этот процесс отображается адиабатой АС (рис. 9.4, а). Далее в камере 3 при сгорании происходит подвод теплоты. В двигателях с подводом теплоты Q, при постоянном давлении (цикл Брайтона) это осуществляется по изобаре Z], а в двигателях с подводом теплоты Q, ( при постоянном объеме (цикл Гемфри) — по изохоре Z . Затем в турбине происходят адиабатический процесс расширения газа по линии Z E (или ZiE) и условный изобарический процесс отвода теплоты Q,i — выброс газовой смеси продуктов сгорания (линия ЕА на рис. 9.4, а). [c.112] Многие тепловые двигатели из числа активно применяемых в наши дни относятся к числу "циклических" в связи с циклическим изменением запаса энергии (например, циклы Отто или Дизеля). Циклы Рэнкина (Rankin, для паровой турбины) и Брайтона (Bryton, для газовой турбины) и их различные варианты характеризуются постоянным тепловым потоком. Циклы Отто, Дизеля и Брайтона суть циклы внутреннего сгорания, при которых топливо сжигается в рабочем потоке, и поэтому наивысшая температура цикла достигается не посредством теплопереноса. Однако она зависит от свойств материала деталей, контактирующих с горячим потоком. В газовой турбине, где используется цикл Брайтона, камера сгорания и детали турбины контактируют с "постоянно горячим" рабочим потоком, тогда как в циклах Отто и Дизеля поток попеременно то горячий, то холодный. Следовательно, в циклах Отто и Дизеля пиковая температура может быть стехиометрической, а газовая турбина может приближаться к стехиометрическим температурам лишь настолько, насколько позволяют свойства использованных в ней материалов. В данной главе внимание сосредоточено на работе газовой турбины. [c.49] Аналогичные выгоды от применения усоверщенствованного сплава могут быть получены и в случае использования энергоустановок комбинированного цикла Брайтона-Рэнкина. Около 2% стоимости ее турбин приходится на суперсплавы. Изучив последние данные о производстве электроэнергии, находим, что в среднем современная плата за 1 кВт-ч (отражающая стоимость электростанции) 7,5 дол. Разумная цена топлива— 75 дол./кВт-ч. Согласно рис. 2.6 увеличением температуры входа турбины на 56 °С можно увеличить к.п.д. на 2,25 %. При указанных ценах на топливо и энергоустановку рентабельность сохраняется, даже если за счет роста температуры на входе турбины стоимость установки возрастает на 22,5 %. Если бы требовалось только усовер-щенствование материалов горячей зоны, одиннадцатикратное увеличение стоимости ее материалов можно было бы допустить. [c.54]
Термический КПД обратимого цикла Брайтона для идеального газа (рис. 1.6, а) при Ср = onst определяется соотношениями [c.28] С момента начала работы первой в мире ГТУ не прекращались попытки оптимизировать ее характеристики с целью увеличить ее эффективность и экономичность. Первые усилия были направлены на карнотизацию термодинамического цикла Брайтона. С этой целью использовались внешнее охлаждение воздуха на стадии его сжатия в компрессоре, регенерация теплоты уходящих газов и подогрев сжатого в компрессоре воздуха перед камерами сгорания, промежуточный перегрев газов при расщирении (рис. 1.17). Все эти мероприятия необходимо комплексно проанализировать и разработать. [c.37] Увеличение степени повышения давления в цикле Брайтона приводит к по-выщению температур на выходе из компрессора, поэтому его ступени изготавливают из высокопрочных материалов с высоким содержанием хрома, молибдена, ванадия и др. Лопаточный аппарат рассчитан для работы в химически агрессивной среде без дополнительного покрытия. В проекте энергетической ГТУ типа ГТЭ-180, например, рабочие лопатки первых восьми ступеней компрессора выполнены из титана, а диски — из стали марки 26ХНЗМ2ФА (проект АО ЛМЗ, ОАО Авиадвигатель , Пермь, АО ВТИ). [c.47] В тепловой схеме современных энергетических ГТУ типов GT24 и GT26 (производства фирмы АВВ) используется ступенчатое сжигание топлива в камерах сгорания КС1 и КС2, что позволяет повысить степень приближения цикла Брайтона к циклу Карно (см. рис. 4.3, д). В этой схеме ГТ высокого давления состоит из одной ступени, обе газовые турбины ТВД и ТНД) и компрессор имеют общий ротор. [c.89] mash-xxl.info Цикл Брайтона—Ренкина - Энциклопедия по машиностроению XXLВ истории теплоэнергетики можно заметить своеобразное соревнование между паровыми и газовыми установками и их термодинамическими циклами. Отсутствие соответствующих технологий в прошлом не позволяло использовать продукты сгорания в качестве рабочего тела, и водяной пар применялся как промежуточное рабочее тело. Параллельное развитие газовых и паровых циклов, однако, не привело к их антагонизму. Напротив, наметилась тенденция максимально использовать их положительные свойства, создав комбинированную парогазовую установку. В ней теплота выходных газов ГТУ используется почти полностью в нижней паровой части объединенного цикла Брайтона—Ренкина, что значительно повышает экономичность ПГУ [c.11]
Простейшая тепловая схема ПГУ представлена на рис. 8.1, а термодинамический цикл Брайтона—Ренкина изображен на рис. 8.2. Выходные газы энергетической ГТУ поступают в КУ, где большая часть их теплоты передается пароводяному рабочему телу. Генерируемый в КУ пар направляется в паротурбинную установку (ПТУ), где вырабатывается дополнительное количество электроэнергии. Отработавший в паровой турбине (ПТ) пар конденсируется в конденсаторе ПТУ, конденсат с помощью насоса подается в КУ. [c.271] Анализ термодинамического цикла Брайтона—Ренкина позволяет получить выражение для внутреннего КПД ПГУ с КУ [c.273] Цикл Брайтона—Ренкина 13,17 [c.575] Функция подогревателя, как отмечалось ранее, заключается в предварительном подогреве воздуха, поступающего в камеру сгорания. Это позволяет сэкономить топливо и обеспечить двигатель преимущественными характеристиками меньших тепловых потерь от продуктов сгорания. Подобные подогреватели иногда используются в паротурбинных установках с циклом Ренкина и газотурбинных установках с циклом Брайтона в таких случаях принято говорить, что двигатели работают по регенеративному циклу . [c.121] Вопросу применения теплоаккумулирующих систем с двигателем Стирлинга для автомобилей был посвящен и ряд более поздних работ и, в частности, работа [38], где подобная ситуация рассматривалась применительно к компактному легковому автомобилю. Обсуждению различных схем автомобильных силовых установок с использованием аналогичного принципа нагрева посвящена и работа [128], в которой авторы пришли к выводу о том, что двигатель Стирлинга имеет значительные преимущества по сравнению / с двигателями, работающими по циклу Брайтона или Ренкина. Вопросы надежности высокотемпературных теплоаккумулирующих систем, проанализированные на основании экспериментальных данных, накопленных фирмой Филипс , рассмотрены в работе [61]. [c.311] Динамические тепловые преобразователи имеют большую удельную мощность и КПД по сравнению со статическими, однако это различие менее выражено при малых мощностях. Таким образом они являются предпочтительными при мощности преобразователей, превышающей 100 Вт (верхняя граница мощности не определена). Динамические тепловые преобразователи включают все типы тепловых двигателей, однако очевидно, что двигатели с подводом воздуха —дизели и бензиновые ДВС — не могут быть использованы для подводных и космических систем. В этих областях имеются три типа двигателей двигатели Стирлинга, двигатели, работающие по циклу Ренкина (паровые), и газотурбинные, работающие по замкнутому циклу Джоуля—Брайтона. Эти двигатели работают по замкнутому циклу, превращая теплоту в механическую работу для привода электрических генераторов, насосов или других механизмов. Они могут использовать любой источник теплоты, значительная часть которой должна отводиться от системы. Существует большое разно- [c.345]
Этот неиссякаемый, но в то же время нерегулярный, источ-ни1 энергии в последнее время вновь привлек внимание иссле-дов-ателей, использующих для самых различных его применений различные устройства. Обычно конечной целью является выработка электрической энергии, которую можно использовать разными способами, даже в пилотируемом космическом полете. Солнечной энергией нагревают воду, которую затем можно использовать в системах промышленного и коммунального теплоснабжения или в виде пара непосредственно для привода паровой турбины (цикл Ренкина), а также для нагрева рабочего тела в теплообменнике газовой турбины (цикл Брайтона), хотя вода представляется наиболее подходящей рабочей средой. От дополнительного теплоносителя можно отказаться, если применить двигатель Стирлинга, на нагреватель которого с помощью системы линз Френеля можно сфокусировать солнечные лучи. Эта идея не нова. Так, еще в XIX в. был предложен аппарат. [c.396] mash-xxl.info Газотурбинные установки. Конструкция, динамика и прочность турбомашин (Ответы на экзаменационные вопросы и задания), страница 8Так как при дроссельном парораспределении состояние пара в промежуточных ступенях меняется по линиям постоянной энтальпии, изменение нагрузки приводит к меньшим колебаниям температуры корпуса и меньшим температурным напряжениям. 79. Какие типы теплофикационных турбин используются в энергетике? Т – с отопительным отбором; П – с производственным отбором; ПТ – с производственным и отопительным отбором; Р – с противодавлением; ПР – с производственным отбором и противодавлением; 80. Что такое сетка расходов пара через турбинную решетку (сетка А.В.Щегляева)? Сетка расходов выражает зависимость между относительным расходом пара через суживающуюся решетку q0 с начальным и конечным относительными давлениями ε и ε0. Газотурбинные установки 1. Чем принципиально отличается цикл Брайтона от цикла Ренкина? В цикле Ренкина рабочее тело – вода. Вода в цикле меняет фазовое состояние – испаряется и превращается в пар. В цикле Брайтона – рабочее тело не меняет фазового состояния, всегда остается газообразным. 2. Почему коэффициент полезной работы ГТУ значительно ниже, чем у паротурбинной установки? На привод полезной нагрузки идет около 1/3 полезной работы, остальные 2/3 идут на привод компрессора. Также имеются большие потери с уходящими газами, так как температура сбрасываемых газов довольно высокая (400-500 °С). 3. В чем причина того что КПД простой ГТУ сравнительно низкий? Способы увеличения КПД ГТУ. На привод полезной нагрузки идет около 1/3 полезной работы, остальные 2/3 идут на привод компрессора. Также имеются большие потери с уходящими газами, так как температура сбрасываемых газов довольно высокая (400-500 °С). КПД ГТУ можно увеличить несколькими способами: организацией регенерации, охлаждения воздуха в компрессоре, введение промежуточных камер сгорания. 4. Как влияет температура Tа на входе в ГТУ на характеристики цикла ГТУ. 5. Как влияет температура Tс перед турбиной на характеристики цикла ГТУ? Данные температуры влияют на характеристики цикла ГТУ в соответствии со следующими выражениями:
В общем, выгодно увеличивать температуру перед турбиной и уменьшать температуру окружающей среды(перед компрессором). 6. Как влияет КПД компрессора и турбины на характеристики цикла ГТУ? Влияют на характеристики согласно следующим выражениям:
7. В чем заключается регенерация теплоты в ГТУ? В простой ГТУ открытого цикла рабочее тело покидает установку с высокой температурой и поэтому теряется много теплоты, что является одной из причин низкого КПД.
8. Что такое степень регенерации? Чему она примерно равна в ГТУ?
Для каждого значения 9. Как влияет степень сжатия в компрессоре на КПД и коэффициент полезной работы ГТУ? Увеличивает. 10. Как учитываются потери в подводящем и отводящем патрубках компрессоров и турбин ГТУ? Потери в подводящем и отводящем патрубках существенно сказываются на КПД турбины, поэтому: · необходима тщательная проектировка · в газовом тракте газовой турбины отсутствуют клапаны, регуляторы и т. д.
11. В чем заключается основная идея способа учета реальных свойств продуктов сгорания ГТУ?
vunivere.ru Термодинамические циклы газотурбинных установок — МегаЛекцииРазличают два термодинамических цикла ГТУ: циклы с изобарным подводом теплоты – цикл Брайтона (рис. 4а) и с изохорным подводом теплоты – цикл Гемфри (рис. 4б).
Рис. 4. Термодинамические циклы ГТУ: а) Брайтона, б) Гемфри
Основными характеристиками термодинамических циклов ГТУ являются: § – степень повышения давления рабочего тела в процессе сжатия в компрессоре ; § – соотношение давлений в процессе подвода теплоты при , ; § – степень предварительного расширения в процессе подвода теплоты при , ; Термический коэффициент полезного действия цикла Гемфри может быть определен из соотношения
, (38)
а термический КПД цикла Брайтона по формуле
. (39)
Сопоставление значений термических КПД циклов газотурбинных установок при одинаковых исходных параметрах и степени повышения давления рабочего тела в процессе сжатия показывает, что
. (40)
Следует отметить, что циклы поршневых ДВС характеризуются изохорным отводом, а циклы ГТУ – изобарным отводом теплоты. В реальных ГТУ и ДВС процессы сжатия и расширения не являются адиабатными. С достаточной для технических расчетов точностью их можно считать политропными с постоянными показателями политропы.
Пример расчета термодинамического цикла Поршневого двигателя внутреннего сгорания Рассчитать термодинамический цикл поршневого ДВС (рис. 5), если рабочим телом является 1 кг смеси идеальных газов следующего состава: ü кислород – ; ü азот – ; ü углекислый газ – ; ü водяные пары – . Процессы сжатия и расширения в цикле политропные. Показатель политропы в процессе сжатия (1-2) равен , а в процессе расширения (4-5) – . Температура и давление рабочего тела в начале процесса сжатия равны соответственно и . Кроме того, заданы степень сжатия , степень повышения давления и степень предварительного расширения в процессе подвода теплоты.
Рис. 5. Термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты
Определить: 1. Значения параметров и функций состояния в характерных точках цикла 2. Изменения функций состояния термодинамическую и потенциальную работы и теплообмен во всех процессах цикла. 3. Работу цикла , его термический КПД и КПД цикла Карно , осуществляемого в том же интервале температур. 4. Как измениться термический КПД цикла и его термодинамическое совершенство, если политропный процесс расширения (4-5) заменить на изотермический? Изобразить цикл в координатах и . 1. Определение характеристик рабочего тела. Из справочной литературы определяются молярные массы компонентов газовой смеси ( ) (Приложение. Табл. 1) [3] . Средняя молярная масса смеси
.
Газовая постоянная смеси
.
Интерполируя справочные данные (Приложение. Табл. 1) [3], находятся значения изобарной теплоемкости идеальных газов – компонентов смеси при температуре рабочего тела в начале процесса сжатия
а затем определяются средняя удельная изобарную теплоемкость средняя удельная изохорная теплоемкость
и показатель адиабаты смеси идеальных газов
.
2. Расчет термодинамических параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла (рис. 5). Точка 1
; .
Точка 2
; ; ; .
Точка 3
; ; ; .
Точка 4
; ; ; .
Точка 5
; ; ; .
Результаты расчета заносятся в таблицу 1. Таблица 1 Значения параметров и функций состояния в характерных точках цикла
3. Определение функции состояния рабочего тела в характерных точках цикла ( ). а) Внутренняя энергия ( ):
б) Энтальпия ( ):
в) Энтропия ( ). Принимаем, что теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры, тогда , , и: ; ; ; ; .
Найденные значения функций состояния рабочего тела заносятся в таблицу 1. 4. Изменение функций состояния в каждом процессе цикла определяются как разность значений этих функций в конечной и начальной точках процесса . Результаты этих вычислений заносятся в таблицу 2. Таблица 2 Изменение функций процесса и состояния в процессах цикла
5. Находим термодинамическую , потенциальную работы и теплообмен во всех процессах цикла. Процесс 1-2 – политропное сжатие. Характеристика сжатия
; ; ; .
Процесс 2-3 – изохорный подвод теплоты.
; ; .
Процесс 3-4 – изобарный подвод теплоты.
; ; .
Процесс 4-5 – политропное расширение. Характеристика расширения ; . ; .
Процесс 5-1 – изохорный отвод теплоты.
; ; .
Результаты вычислений заносятся в таблицу 2. Проверка полученных результатов проводится по первому началу термодинамики для каждого процесса и цикла в целом
, .
Проверка полученных результатов показывает, что относительная погрешность расчетов, наличие которой связано с проводимыми округлениями, составляет , что допустимо для приближенных термодинамических расчетов. 6. Определяем работу цикла , термический КПД цикла и КПД цикла Карно :
или , где – удельное количество подведенной теплоты, ; или .
7. Изобразим цикл поршневого ДВС в координатах и (рис. 6). Для этого определим координаты промежуточных точек в процессах цикла. Рис. 6. Термодинамический цикл поршневого ДВС со смешанным подводом теплоты
а) Расчет промежуточных точек для построения цикла в координатах . Промежуточная точка в процессе политропического сжатия 1-2 Выбираем , тогда из уравнения политропы
.
Промежуточная точка в процессе политропического расширения 4-5 Принимаем , тогда из уравнения политропы
.
б) Расчет промежуточных точек для построения цикла в координатах . Промежуточная точка в процессе 1-2 Принимаем , тогда:
, ,
Промежуточная точка в процессе изохорного подвода теплоты 2-3 Принимаем . Так как ,
, . Промежуточная точка в процессе изобарного подвода теплоты 3-4 Принимаем , при этом:
, .
Промежуточная точка в процессе 4-5 Принимаем . При этом:
,
Промежуточная точка в процессе изохорного отвода теплоты 5-1 Принимая , и учитывая, что , получим:
, .
8. Проведем расчет термодинамического цикла поршневого ДВС с изотермическим расширением рабочего тела в процессе 4-5. При данном изменении в цикле определяем термодинамические параметры состояния в точке 5′:
; ; .
Рассчитываем термодинамическую работу и теплообмен . Процесс 4-5′
.
Процесс 5′-1
; .
Находим работу цикла
,
где – число процессов в цикле, удельное количество теплоты, подведенной к рабочему телу
,
термический КПД цикла
или .
КПД цикла Карно остался неизменным, так как не изменились минимальная и максимальная температуры рабочего тела в цикле. 9. Замена политропического процесса расширения с показателем политропы на изотермический, приводит к снижения термического коэффициента полезного действия. Кроме того, снижается и термодинамическое совершенство цикла, так как в первом случае работа цикла составляет 66% от теоретически возможной работы цикла , а во втором случае этот показатель, называемый коэффициентом заполнения, снижается до 51%.
megalektsii.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
- т.е. увеличение 
(или уменьшение 
) на 1% увеличивает 
на 2%.
- увеличение 
на 3%, а уменьшение 
- увеличение КПД компрессора или турбины на 1% увеличивает 
- увеличение КПД компрессора на 1% дает увеличение 
- уменьшается при использовании регенерации, следовательно, увеличивается КПД: 
, уходящие газы нагревают воздух после компрессора(перед камерой сгорания).
– степень регенерации – отношение тепла, подведенного к воздуху, к максимально возможному количеству тепла. Обычно принимает значения 0,6-0,8. 
имеется оптимальное значение степени повышения давления в компрессоре 
.
- переменное и для каждого 
