Циклы газотурбинных установок

Газотурбинная установка (ГТУ) представляет собой тепловой двигатель, состоящий в простейшем случае из воздушного компрессора К, камеры сгорания КС и газовой турбины ГТ, приводящей обычно в движение электрический генератор.

Принцип работы такой ГТУ следующий: холодный воздух с параметрами р_о, Т_о сжимается в К и подается в КС, в которую поступает соответствующее количество топлива. Образовавшиеся продукты сгорания заданной температуры направляются из КС в ГТ. Адиабатически расширяясь в турбине, продукты сгорания понижают свою температуру и выбрасываются наружу. Выработанная в газовой турбине механическая энергия с помощью генератора превращается в электрическую.

Простейший регенеративный цикл ГТУ

Большим недостатком цикла ГТУ является относительно высокая средняя температура Т_2ср отвода теплоты, значительно превышающая температуру окружающей среды Т_о. Наличие необратимости в процессе расширения в ГТ еще больше повышает температуру газов на выходе из турбины.

Работа сжатия в компрессоре и пути ее уменьшения

В газотурбинных установках применяют, как правило, турбокомпрессоры, конструктивно подобные газовым турбинам, с тем лишь различием, что рабочие лопатки сжимают воздух (или газ), затрачивая на это определенную работу, отнимаемую от газовой турбины.

Для всех типов нагнетателей, в которых осуществляется непрерывный поток сжимаемого газа, работа компрессора определяется зависимостью

,

где h₁ и h₂ – начальная и конечная энтальпии сжимаемого газа; q_ох – отведенная теплота охлаждения в процессе сжатия.

Сложные циклы газотурбинных установок

Цикл ГТУ с многоступенчатым сжатием.

На рис.1 приведена схема и цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты, двухступенчатым сжатием и регенерацией.

Рис.1

Цикл с многоступенчатым подводом теплоты.

На рис.2 приведена тепловая схема и цикл ГТУ постоянного горения с двукратным подводом теплоты.

Рис.2

Комбинированные циклы ТЭУ

Общие принципы комбинирования циклов

Цель комбинирования различных циклов – повышение значения электрического КПД ТЭУ и уменьшение удельных капитальных вложений. Кроме того, комбинирование циклов дает возможность увеличения маневренности электростанций, использования в них низких температур окружающего воздуха и др.

Комбинированные циклы в зависимости от принципов использования теплоты горячего источника (теплоты топлива) делятся на три группы: бинарные, составные и частично бинарные.

Циклы парогазовых установок

Первую попытку создать комбинированную установку, в которой одновременно участвуют два рабочих тела – продукты сгорания и водяной пар, сделал русский инженер П. Д. Кузьминский еще в 1892–1900 гг. Идея заключалась в том, что теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, частично отдавалась воде, протекающей через змеевики, расположенные в камере сгорания. Вода в змеевиках имела давление свыше 5,0 МПа, что должно было исключить полное парообразование и отложение накипи. Перегретая вода через дроссель направлялась в поток газа, идущий от камеры сгорания к газовой турбине.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называют тепловые двигатели, основным элементом конструкции которых является цилиндр с поршнем.

Сгорание топлива происходит внутри цилиндра в среде сжатого воздуха. Образовавшиеся продукты сгорания расширяются и перемещают поршень, от которого выработанная механическая энергия передается на вал двигателя через кривошипно-шатунный механизм. При обратном движении поршня чистый воздух или рабочая смесь сжимается, что повышает их температуру и ускоряет горение.

ДВС строят двух- и четырехтактными. В первом случае все процессы двигателя – сжатие смеси, горение топлива, расширение продуктов сгорания и выхлоп отработанных газов – производятся за два рабочих хода поршня (один оборот вала). Во втором случае все процессы совершаются за четыре рабочих хода поршня (два оборота вала).

Циклы холодильных машин и тепловых насосов

Общие принципы трансформации теплоты.

Показатели эффективности

Для выработки искусственного холода и преобразования тепловой энергии низкого потенциала в более высокий используют различные термотрансформаторы. Они применяются, в частности, для охлаждения различных продуктов; для искусственного охлаждения до очень низких температур газов с целью их сжижения; для кондиционирования воздуха в промышленных и гражданских зданиях; в некоторых районах они применяются для отопления зданий и т. п.

Все термотрансформаторы в зависимости от назначения и температурного уровня трансформируемой теплоты называют холодильными машинами или тепловыми насосами.

Холодильные машины применяют для понижения температуры охлаждаемых тел ниже температуры окружающей среды и для непрерывного поддержания заданной низкой температуры.

Теплоту, отводимую при температуре ниже окружающей среды, называют холодом.

Тепловые насосы применяют для повышения потенциала отбросной теплоты за счет расхода электрической или другой высоко потенциальной энергии.

Все термотрансформаторы непрерывного действия работают по обратным термодинамическим циклам. Обратными их называют потому, что в термодинамических диаграммах состояния (рv, Тs и др.) их круговые процессы имеют направление против часовой стрелки, в то время как процессы циклов тепловых двигателей всегда направлены по движению часовой стрелки.

Циклы газовых компрессорных термотрансформаторов

Холодильные машины.

Наиболее простой из таких установок является воздушная холодильная машина, принципиальная схема и цикл которой изображены на рис.2.

Рис.2

Тепловые насосы.

Как уже указывалось, между коэффициентом термотрансформации К_т и холодильным коэффициентом К_х существует жесткая связь в виде K_т = K_х + 1.

Следовательно, все мероприятия, повышающие K_х в холодильных установках одинаково эффективны и для тепловых насосов. Однако при этом надо учитывать следующие специфические особенности тепловых насосов.