Учебное пособие 800342
.pdf5
Рис.28 Схема ГТУ: 1 – топливный бак; 2 – топливный насос; 3 – воздушный компрессор;
4 – камера сгорания; 5 – форсунка; 6 – газовая турбина; 7 – электрогенератор
Компрессор засасывает при атмосферном давлении p1 воздух, сжимает его до требуемого давления и направляет в камеру сгорания. Туда же топливным насосом или компрессором подается жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива в камере сго-
рания происходит изобарно при p2 const . Продукты сгорания,
адиабатно расширяясь в сопловых аппаратах газовой турбины, приобретает большую кинетическую энергию и, попадая на лопатки турбины, производят полезную работу, а затем выбрасываются в атмосферу.
Теоретический цикл изображен в системах координат p – v и T – S на рис.29.
Рис.29
51
Этот цикл составляет следующие процессы: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;
2-3 – изобарный подвод тепла к газу в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение газа в лопатках турбины; 4-1 – изобарный отвод тепла от газа в атмосферу.
Термический КПД запишется
|
|
1 |
q2 |
|
(1.160) |
|
t |
q1 |
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
где |
q1 |
cp |
T3 |
T2 ; |
(1.161) |
|
q1 |
cp |
T4 |
T1 . |
(1.162) |
Подставив (1.161), (1.162) в (1.160) получим
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T4 |
|
1 |
|
|
|||
|
|
с p |
T4 |
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
T |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
t |
c p |
T3 |
T2 |
|
|
|
T2 |
|
|
T3 |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
T2 |
p2 |
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Для адиабаты 1-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
p1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K 1 |
|
|
|
|
|
|
|
K 1 |
|||||||
|
|
|
|
T3 |
p3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p2 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
K |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Для адиабаты 3-4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T4 |
p4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p1 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Приравнивая (1.164) и (1.165), имеем |
|
T2 |
|
|
|
T3 |
|
|
или |
T4 |
|
||||||||||||||||
|
T1 |
|
|
|
T4 |
T1 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
С учетом (1.166) зависимость (1.163) преобразуется в |
|||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
T2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
v2 |
|
K 1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Но для адиабаты 1-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
||||||||||||
|
|
T2 |
v1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K 1 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ε – степень сжатия воздуха в компрессоре. Подставив (1.168) в (1.169), получим
(1.163)
(1.164)
(1.165)
T3 .(1.166)
T2
(1.167)
(1.168)
52
|
1 |
1 |
. |
(1.169) |
t |
|
|||
K 1 |
||||
Из (1.169) видно, что термический КПД цикла ГТУ с подво- |
||||
дом тепла при p |
const можно повысить путем увеличения степе- |
ни сжатия воздуха в компрессоре.
1.7.3. Циклы паросиловых (паротурбинных) установок (ПСУ)
Как отмечалось ранее, основная часть производимой, в частности в Росси электрической энергии получается на тепловых электростанциях с помощью ПСУ.
В практике различают две разновидности ПСУ – это конденсационные и теплофикационные ПСУ.
а) Цикл конденсационной ПСУ Такие ПСУ функционируют на электростанциях, вырабаты-
вающих только электрический ток (ТЭС).
На рис.30 представлена схема такой установки.
Рис.30. Принципиальная схема конденсационной ПСУ 1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 –
конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – электрогенератор
В паровом котле образуется насыщенный пар, который в пароперегревателе перегревается при неизменном давлении до более высокой температуры. Перегретый пар поступает в паровую
53
турбину, где расширяется, производя работу. Последняя преобразуется в электрическую энергию генератором. Отработавший в турбине пар с низким давлением и температурой поступает в конденсатор, где при неизменных давлении и температуре превращается в конденсат. Конденсат откачивается и подается питательным насосом в котел.
Идеальный цикл описанной ПСУ изображен в T – S диаграмме на рис.31. Этот цикл составляют процессы:
1-2 – адиабатное расширение пара в лопатках паровой турбины; 2-3 – изобарный отвод тепла от пара в конденсаторе; 3-4 – адиабатное сжатие воды в насосе; 4-5-6 – изобарный подвод тепла в котле;
6-1 – изобарный подвод тепла в пароперегревателе.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 31 |
|
|
|
|
|
|
|
Термический КПД цикла имеет вид |
|
|
i1 |
i2 |
, |
|
(1.170) |
|||||||||
t |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
i / |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
где i1 |
|
- энтальпия пара при входе в паровую турбину; |
i2 - энталь- |
|||||||||||||
пия пара, |
выходящего из турбины; i2/ |
|
- энтальпия кипящей воды |
|||||||||||||
|
i / |
|
t |
2 |
|
; |
t |
2 |
- температура насыщения при давлении p |
2 |
. |
|||||
|
|
|
||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для повышения экономичности ПСУ конденсационного типа необходимо повышать температуру и давление пара при входе в паровую турбины и уменьшать давление пара при выходе из турбины.
~ |
p1t1 |
. |
(1.171) |
t p2
54
Эффективный КПД таких ПСУ достигает 30-35%. б) Цикл теплофикационной установки
В паросиловых установках конденсационного типа до 50% тепла от сгоревшего топлива уносится с водой, охлаждающей конденсатор. Имеется возможность повысить эффективность ПСУ Путем увеличения давления и температуры за турбиной до величины, когда отбросную теплоту можно было использовать для отопления, горячего водоснабжения и технологических процессов.
Станция, работающая с одновременной выработкой электрической и тепловой энергий, называется теплоэлектроцентралью (ТЭС). Охлаждающую воду после конденсатора можно использовать для отопления лишь при условии, что ее температура не будет ниже 70-100˚С.
Принципиальная схема Псу теплофикационного типа представлена на рис.32
Рис.32. Принципиальная схема ПСУ теплофикационного типа 1 – паровой котел; 2 – перегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – по-
требитель тепловой энергии; 5 – питательный насос; 6 – электрический генератор
В теплофикационной ПСУ пар выходит из турбины при давлении не ниже 1атм. и температуре выше 100˚С. Пар с такими параметрами направляется к потребителю тепловой энергии. Здесь
он отдает свое тепло при p2 const и конденсируется. С помощью
питательного насоса конденсат подается в котел. В остальном схема не отличается от схемы конденсационной ПСУ. Теплофикационная ПСУ обеспечивает комбинированную выработку электрической энергии за счет работы паровой турбины, приводящей электрогенератор, и тепловой энергии, посылаемой потребителю в виде пара.
Теоретический цикл ПСУ теплофикационного типа пред-
55
ставлен на рис.33.
Рис. 33 Принципиальное отличие этого цикла от цикла ПСУ кон-
денсационного типа состоит в том, что в данном цикле линия 2-3 изображает не отвод тепла в конденсаторе, а отвод тепла то пара к тепловому потребителю. Эффективность теплофикационного цикла принято характеризовать коэффициентом использования тепла, который представляет собой отношение суммарного использованного в цикле тепла, ко всему теплу, подведенному в цикле.
|
lo |
q2 |
. |
(1.172) |
|
т.ф. |
q1 |
||||
|
|
||||
|
|
|
|
где lo - тепло, преобразованное в цикле в полезную работу; q2 - тепло, использованное для производственных целей; q1 - подведенное в цикле тепло.
В теоретическом цикле должны иметь |
т.ф. |
100% , однако дейст- |
|
|
вительный КПД теплофикационной ПСУ составляет 65-70%. Потери тепла имеют место в паровом котле, трубопроводах, паровой турбине. Общее использование тепла в ПСУ теплофикационного типа всегда значительно выше чем в ПСУ конденсационного типа. Это преимущество теплофикационных ПСУ является основной причиной их широкого использования в последнее время на теплоцентралях (ТЭЦ).
1.7.4. Цикл компрессионной холодильной установки
56
Для поддержания температуры какого-либо тела ниже температуры окружающей среды необходимо отводить тепло от этого тела в окружающую среду. Эту задачу выполняют холодильные установки, получившие широкое распространение в промышленности и в быту. Наиболее удобной и выгодной холодильной установкой является паровая компрессионная установка. В ней в качестве рабочего тела или хладагента используются жидкости, имеющие низкую температуру кипения. В качестве хладагента используются аммиак NH3 , фреоны (фторхлорпроизводные этана и метана), двуокись углерода CO2 и сернистый ангидрид SO2.
Принципиальная схема паровой компрессионной холодильной установки имеет следующий вид:
2
1
3
4
Рис.34. Принципиальная схема паровой компрессионной холодильной установки
1 – компрессор;
2 – конденсатор;
3 – дроссельный вентиль;
4 – испаритель.
Хладагент в виде пара поступает в компрессор 1 и сжимается в нем. Из компрессора хладагент попадает в конденсатор 2 и при p const отдает тепло охлаждающей среде. При этом пары хлада-
гента полностью конденсируются. Жидкий хладагент поступает в дроссельный вентиль 3 и дросселируется. В процессе дросселирования давление и температура хладагента уменьшаются, и он частично испаряется. Влажный насыщенный пар хладагента, имеющий низкую температуру, поступает в испаритель 4 и при p const
57
отбирает тепло от этого помещения, при этом пар подсушивается. Из испарителя пары хладагента поступают в компрессор, и рабочий цикл повторяется.
Теоретический цикл холодильной установки представлен на рис.35.
T |
|
|
p2 |
K |
|
p1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
q1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x=0
q2
x=1
Рис. 35 |
S |
Цикл установки состоит из следующих процессов:
1-2 – адиабатное сжатие паров хладагента в компрессоре; 2-3-4 – изобарный отвод тепла от хладагента в конденсаторе; 4-5 – процесс дросселирования в вентиле; 5-1 – изобарный подвод тепла к хладагенту в испарителе.
Холодильный коэффициент цикла изображается в виде
q2 |
|
q2 |
|
|
|
|
|
. |
(1.173) |
lo |
q1 q2 |
Количество тепла, отдаваемого от хладагента в конденсаторе равно
q1 i2 i4 . |
(1.174) |
Количество тепла, подводимого к хладагенту из охлаждаемого помещения
q2 |
i1 i5 |
(1.175) |
По условию дросселирования
i5 |
i4 . |
(1.176) |
С учетом (1.176) перепишем (1.175), как
58
q2 |
i1 |
i4 |
(1.177) |
|
В соответствии с (1.173) и (1.177) |
|
|||
q1 |
q2 |
i2 i1 . |
(1.178) |
|
Подставив (1.177) и (1.178) в (1.173), получим |
|
|||
|
i1 |
i4 |
, |
(1.179) |
|
|
|
||
|
i2 |
i1 |
|
Где i1, i2, i4 находим из i – S диаграммы или таблиц пара хладагента.
1.7.5. Термодинамический анализ процессов в поршневых компрессорах
Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия газов.
Принцип действия поршневого компрессора состоит в следующем.
P |
3 |
2 2’’ 2’ |
p2
4 |
1 |
|
|
|
|
v62 |
5 |
|
v1 |
v |
|
h |
|
|
F |
|
|
Рис. 36 |
|
|
При движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления внешней среды и под действием разности этих давлений открывается всасывающий клапан (ВС), при этом цилиндр заполняется газом – линия 4-1, в системе p – v (рис.36). В процессе обратного движения поршня всасывающий
59
клапан закрывается, и газ сжимается по линии 1-2.
Давление в цилиндре повышается до тех пор, пока не станет больше p2. Под действием разности этих давлений нагнетательный клапан (наг.) открывается и газ выталкивается поршнем (линия 2-3). После этого нагнетательный клапан закрывается и все процессы повторяются.
Для описания цикла в компрессоре видно, что он состоит их 3-х процессов: всасывание, сжатие и нагнетание. Причем из этих 3- х процессов лишь один – сжатие является термодинамическим. Процессы всасывания и нагнетания не являются термодинамическими, т.к. в них нет ни теплового взаимодействия газа с внешней средой, ни расширения, ни сжатия газа.
Работа, которую необходимо затратить для осуществления указанного теоретического процесса в компрессоре по абсолютной величине равна
Lo Lн Lсж Lвс |
(1.180) |
Здесь Lвс - работа всасывания, т.е. та, которую совершает газ против внешних сил, приложенных к поршню в процессе наполнения цилиндра; Lсж - работа сжатия газа; Lн - работа нагнетания газа из цилиндра к потребителю.
Работа, выражаемая формулой (1.180), называется теоретической работой компрессора.
Работа всасывания равна
Lвс p1 F h p1V1 , |
(1.181) |
где p1 – сила, с которой действуют засасываемый в цилиндр газ на поршень; h – ход поршня при всасывании; F – площадь сечения поршня; V – объем газа в конце всасывания.
Аналогичным образом находится Lн .
60