Регенерация теплоты в цикле ГТУ

 

Цикл ГТУ с регенерацией предусматривает использование теплоты отработавших в турбине газов для подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха. Схема и термодинамический цикл простейшей ГТУ с регенерацией теплоты изображены на рис. 57.

Атмосферный воздух с параметрами  поступает в компрессор, где происходит его сжатие до состояния . После сжатия в компрессоре воздух направляется в регенератор – , где ему передается часть теплоты уходящих из двигателя газов; при этом температура воздуха повышается до значения , а давление остается прежним – . Подогретый в регенераторе воздух поступает в камеру сгорания двигателя. На выходе из камеры сгорания горячие газы имеют состояние, характеризующееся параметрами . В газовой турбине происходит расширение газа, в ходе которого совершается полезная работа, при этом параметры газа снижаются до значений . Отработавшие в газовой турбине газы направляются в регенератор, где отдают часть теплоты нагреваемому воздуху, и затем выбрасываются в атмосферу с параметрами .

Для цикла ГТУ с регенерацией характерны следующие термодинамические процессы:

   – сжатие воздуха в компрессоре;

  – изобарный подвод теплоты к воздуху в регенераторе;

  – изобарный подвод теплоты в КС при сжигании топлива;

 –     расширение газов в газовой турбине;

 –     изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в регенераторе

и передача теплоты нагреваемому воздуху;

 – изобарное охлаждение продуктов сгорания в атмосфере.

Рис. 57. Схема и термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты

Подвод теплоты в цикле ГТУ с регенерацией осуществляется двумя частями: сначала по линии  – в регенераторе,  затем по линии  – в камере сгорания двигателя при сжигании топлива. Отвод теплоты также осуществляется двумя частями: сначала по линии  – в регенераторе, затем по линии  – в атмосферном воздухе. Площадь диаграммы  соответствует количеству теплоты , переданной от продуктов сгорания нагреваемому в регенераторе воздуху. В случае идеального теплообмена, если не происходит потерь теплоты в регенераторе в окружающую среду, количество переданной газами теплоты –  должно быть равно количеству теплоты, полученной воздухом в регенераторе –  (площадь  должна быть равна площади ). Но из-за наличия потерь количество теплоты, фактически полученной воздухом в регенераторе – , всегда меньше теплоты, отданной газами (площадь диаграммы ).

Так как по линии  подводится меньшее количество теплоты, чем по линии , то в цикле ГТУ с регенерацией для достижения заданной температуры газов на выходе из камеры сгорания  необходимо затратить меньшее количество топлива.

Отношение количества теплоты, фактически полученной воздухом в регенераторе –  к предельному количеству теплоты для идеального случая –  характеризует степень использования тепла отработавшего в турбине газа и называется коэффициентом регенерации цикла ГТУ:

Количество теплоты, переданное газом воздуху в регенераторе в единицу времени можно вычислить по формуле:                  

где:

  – общий коэффициент теплопередачи в регенераторе;

– площадь поверхности нагрева в регенераторе;

– средняя разность температур в регенераторе;

– расход воздуха;

– средняя теплоемкость воздуха в процессе его нагрева.

 

Эффективный КПД регенеративной ГТУ:

Таким образом, внедрение в цикл ГТУ регенерации уменьшает потребный запас топлива, но при этом возрастают массогабаритные показатели установки из-за наличия массивного теплообменника – регенератора.

Ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением воздуха (ПОВ)

 

Рис. 58. Цикл ГТУ с изотермическим сжатием воздуха.

Из курса термодинамики известно, что максимальным КПД из термодинамических циклов тепловых двигателей обладает цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно), а работа, затрачиваемая компрессором на сжатие воздуха минимальна при осуществлении изотермического сжатия. Обеспечив в цикле ГТУ изотермическое сжатие воздуха, можно приблизить КПД цикла ГТУ к КПД идеального цикла Карно.

На диаграмме (рис. 58) видно, на какую величину увеличится полезная работа цикла ГТУ при применении изотермического сжатия в компрессоре. Осуществление на практике принципа изотермического сжатия сопряжено с определенными техническими трудностями, поэтому этот процесс обычно заменяют ступенчатым сжатием воздуха с промежуточным его охлаждением в воздухоохладителях между ступенями сжатия.

 

Схема ГТУ с трехступенчатым сжатием и двухступенчатым промежуточным охлаждением воздуха (схема ПОВ) изображена на рис. 59, а термодинамический цикл такой установки – на рис. 60.

Рис. 59. Схема ГТУ с трехступенчатым сжатием и двухступенчатым промежуточным  охлаждением воздуха.

Атмосферный воздух с параметрами  последовательно проходит следующие преобразования: сжатие в КНД, промежуточное охлаждение в воздухоохладителе ВО1, сжатие в КСД, промежуточное охлаждение в воздухоохладителе ВО2 и окончательное сжатие в КВД. Турбина в данной схеме является приводной для всех трех компрессоров и передает мощность на движитель судна.

Термодинамический цикл ГТУ, построенной по приведенной схеме, состоит из следующих процессов (рис. 60):

 

	–	сжатие воздуха в КНД;
	–	изобарное охлаждение воздуха в промежуточном охладителе воздуха – ВО1;
	–	сжатие воздуха в КСД;
	–	изобарное охлаждение воздуха в промежуточном охладителе воздуха – ВО2;
	–	окончательное сжатие воздуха в КВД;
	–	подвод теплоты в камере сгорания двигателя;
	–	расширение газов в газовой турбине;
	–	изобарное охлаждение газов в атмосфере (условный замыкающий    процесс).

 

Рис. 60. Термодинамический цикл ГТУ со ступенчатым сжатием и промежуточным  охлаждением воздуха (ПОВ).

Увеличивая количество ступеней сжатия и проме-жуточных охладителей до бесконечности, можно вплот-ную приблизится к процессу термодинамического сжатия. Но использование большого числа компрессоров и охладителей влечет за собой значительное усложнение установки, увеличение ее массогабаритных показателей и удорожание (с каждым последующим увеличением ступеней сжатия воздуха и промежуточного охлаждения КПД цикла меняется менее значительно). По этой причине в судовых ГТУ наиболее целесообразным считается применение двухступенчатого сжатия воздуха с однократным его промежуточным охлаждением.

 

Из диаграммы (рис. 60) видно, что применение ПОВ не только сопряжено с уменьшением работы, затрачиваемой на сжатие воздуха в компрессоре, но одновременно влечет за собой увеличение затрат теплоты на подогрев воздуха в камере сгорания: при использовании цикла с ПОВ по линии  необходимо подвести большее количество теплоты, чем при однократном сжатии воздуха (линия ) без охлаждения. Отсюда следует, что КПД цикла с ПОВ в чистом виде будет всегда меньше КПД исходного цикла  при той же степени повышения давления. По этой причине ГТУ, выполненные по схеме ПОВ, используются только в совокупности с регенерацией тепла в цикле. Наличие регенерации значительно увеличивает эффективность ступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения и является необходимым условием повышения КПД установки.

Промежуточный подогрев газа в цикле ГТУ (ППГ)

 

Увеличение полезной работы цикла может быть достигнуто не только за счет уменьшения работы, затрачиваемой на сжатие воздуха, но и за счет увеличения работы расширения в газовой турбине. Работа расширения будет максимальной, если процесс будет осуществлен изотермически. Увеличение полезной работы цикла ГТУ при изотермическом расширении газа показано на рис. 61.

Рис. 61. Цикл ГТУ с изотермическим расширением газа в газовой турбине.

Но изотермическое расширение, как и изотермическое сжатие, в реальных установках осуществить технически сложно, поэтому его заменяют процессом ступенчатого сжигания топлива в камерах сгорания, последовательно расположенных по ходу движения газа между турбинами (цикл с промежуточным подогревом газа – ППГ).

 

Схема ГТУ с трехступенчатым сжиганием топлива показана на рис. 62, а термодинамический цикл такой установки – на рис. 63.

Рис. 62. Схема ГТУ с трехступенчатым промежуточным подогревом газа (ППГ) в камерах  сгорания.

Воздух, сжатый в компрессоре до параметров , поступает в камеру сгорания высокого давления – КСВД. Из нее образовавшаяся смесь продуктов сгорания и избыточного воздуха поступает в ТВД, совершает полезную работу расширения и направляется в камеру сгорания среднего давления – КССД. Вследствие большого коэффициента избытка воздуха топливо в КССД сгорает без дополнительной подачи воздуха. Из КССД горячие газы поступают в ТСД, расширяются в ней и направляются в камеру сгорания низкого давления – КСНД, где осуществляется еще одна ступень подогрева газа. После последнего подогрева в КСНД горячие газы окончательно расширяются в ТНД и выбрасываются в атмосферу.

 

Рабочий цикл ГТУ, построенной по схеме ППГ, состоит из следующих термодинамических процессов:

	–	сжатие воздуха в компрессоре;
	–	изобарный подвод теплоты (сгорание топлива) в КСВД;
	–	расширение газов в ТВД;
	–	изобарный подвод теплоты в КССД (повторное сгорания топлива);
	–	расширение газов в ТСД;
	–	изобарный подвод теплоты в КСНД;
	–	окончательное расширение газов в ТНД;
	–	изобарное охлаждение газов в атмосфере (условный замыкающий процесс.

 

 

При рассмотрении цикла ППГ видно: увеличение числа ступеней подогрева (камер сгорания и турбин) до бесконечности приближает процесс расширения газа к изотермическому. Однако для судовых ГТУ число ступеней промежуточного подогрева газа редко делают более двух из-за значительного усложне-ния и удорожания установки. Дальнейшее увеличение числа промежуточных ступеней подогрева дает менее существенное повышение КПД из-за роста гидравли-ческих сопротивлений по ходу движения газа.

Рис. 63. Термодинамический цикл ГТУ с трехкратным промежуточным подогревом газа.

 

Промежуточный подогрев газа оказывает примерно такое же влияние на КПД цикла ГТУ без регенерации, как и ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением воздуха. Однако при наличии в цикле регенерации применение схемы ППГ дает более ощутимый экономический эффект, чем схема с ПОВ.

В практике газотурбостроения при создании мощных ГТУ нередко применяют сочетание циклов ПОВ и ППГ в одной установке. Такая комбинация схем, несмотря на усложнение установки, позволяет не только значительно повысить КПД, но и еще в большей степени увеличить оптимальную степень повышения давления и, в итоге, резко увеличить единичную мощность ГТУ. Схема такой установки и ее термодинамический цикл показаны на рис. 64.

Рис. 64. Схема и термодинамический цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха и двухступенчатым подогревом газа.

 

При рассмотрении цикла установки с комбинацией ПОВ и ППГ нетрудно заметить, что общий сложный цикл состоит из трех простых: основного цикла и присоединенных к нему циклов ПОВ и ППГ. Так как КПД идеального цикла ГТУ зависит только от степени сжатия воздуха в компрессоре – , то КПД основного цикла всегда выше, чем каждого из присоединенных. Таким образом, присоединенные циклы понижают общую степень сжатия сложного цикла и в чистом виде, без применения регенерации теплоты, несколько снижают общий КПД установки. Однако использование регенерации в совокупности с циклами ПОВ и ППГ позволяет значительно повысить КПД и экономичность ГТУ.

 

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: