2.2.3. Цикл гту с двухступенчатым сжатием и промежуточным

охлаждением воздуха

Задача 3

Исследовать, как изменится эффективность работы открытой ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении при использовании двухступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения воздуха до первоначальной температуры по сравнению с базовым циклом ГТУ, рассмотренным в задаче 1. Изобразить принципиальную схему и цикл установки на рабочей и тепловой диаграммах.

Решение

Схема установки и цикл изображены на рис. 2.5.

Примем начальное давление воздуха перед компрессором низкого давления (КНД) равным атмосферному 0,1 МПа. Тогда давление воздуха после компрессора высокого давления (КВД) рассчитывается из соотношения

,

где β = 7 – степень повышения давления (принято из условия задачи 1, см. стр.37)

Для уравнивания мощностей КНД и КВД промежуточное давление определяется из соотношения

.

Тогда температура воздуха после сжатия в КНД (при Т₁ = =300,15К, см. условие задачи 1, стр.37)

.

Рис.2.5. Принципиальная схема и цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием

И промежуточным охлаждением воздуха:

обозначения на принципиальной схеме: I – пусковой двигатель; II – топливный насос; III – топливный бак; IV – камера сгорания; V_В и V_Н – компрессоры высокого и низкого давления; VI_В и VI_Н – газовые турбины высокого и низкого давления; VII – охладитель воздуха; VIII – потребитель энергии;

обозначения на диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре низкого давления; 2-3 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду (промежуточное охлаждение воздуха); 3-4 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре высокого давления; 4-5 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу; 5-6 – адиабатное расширение газов; 6-1 – изобарный отвод теплоты от газов в окружающую среду; штриховыми линиями на p,v диаграмме показаны: изотерма сжатия, исходящая из точки 1 адиабаты сжатия1-2', и изотерма из конечной точки адиабаты расширения 5-6, а также 2-2´–продолжение адиабаты сжатия 1-2

Температура воздуха после сжатия в КВД

(Т₃=Т₁ вследствие промежуточного охлаждения воздуха до начальной температуры).

Термический КПД цикла

,

где

• суммарная отводимая в цикле теплота

• подводимая теплота

( по условию задачи 1, стр.37).

Сравнивая полученные результаты с соответствующими результатами задачи 1, можно заключить, что при двухступенчатом сжатии воздуха увеличивается полезная работа (см. рис.2.5 диаграмму p,v), однако уменьшается термический КПД установки в связи с понижением температуры начала подвода теплоты в цикле. Положительным эффектом двухступенчатого сжатия является также улучшение условий для регенерации теплоты отработавших газов благодаря понижению температуры воздуха при его двухступенчатом сжатии (сравните температуры точек 2', 4 и 6 на рис. 2.4 T,s – диаграммы). Докажем это расчетом ГТУ с двухступенчатым сжатием и регенерацией теплоты отработавших газов.

2.2.4. Цикл гту с двухступенчатым сжатием, промежуточным

охлаждением воздуха и регенерацией теплоты

Задача 4

На базе исходных данных, рассмотренных выше задач, исследовать совместное влияние на эффективность цикла ГТУ двухступенчатого сжатия с промежуточного охлаждения воздуха до температуры окружающей среды и регенерации теплоты отработавших газов.

Решение

Исследование ведем на базе исходных данных предыдущих задач. Расчет для различных значений σ проводим в компактной табличной форме. Термодинамический цикл и принципиальная схема ГТУ, соответствующие условию предложенной задачи, приведены на рис. 2.6.

Из сопоставления результатов приводимой ниже таблицы и таблицы, соответствующей одноступенчатому сжатию воздуха (см. стр.42) следует, что в регенеративных циклах с двухступенчатым сжатием воздуха значение КПД выше, чем в циклах с одноступенчатым сжатием воздуха при равных значениях σ. Так, в рассматриваемом цикле при предельной регенерации КПД повышается на 51,6 % по сравнению с КПД цикла без регенерации. В то время как в соответствующем цикле с одноступенчатым сжатием воздуха рост КПД составляет только 32 %. Таким образом, двухступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением способствует дальнейшему росту КПД почти на 20 % благодаря улучшению условий для регенерации теплоты.

Основания для расчета	Расчетные соотношения	Степень регенерации, σ
		0	0,4	0,6	0,8	1,0
адиабатный процесс 1-2		396,35	396,35	396,35	396,35	396,35
адиабатный процесс 3-4		396,33	396,33	396,33	396,33	396,33
из определения σ		396,33	491,80	539,53	587,27	635,0
из теплового баланса		635	539,53	491,8	444,06	396,33
формула для КПД		0,3944	0,4555	0,4941	0,5390	0,5934
повышение КПД	%	0	16,3	26,2	37,7	51,6

*КПД при отсутствии регенерации (σ = 0).

Рис. 2.6. Принципиальная схема и цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и

промежуточным охлаждением воздуха, атакже с регенерацией теплоты:

обозначения на принципиальной схеме: I – пусковой двигатель; II – топливный насос; III – топливный бак; IV – камера сгорания; V_В и V_Н – компрессоры высокого и низкого давления (КВД и КНД); VI_В и VI_Н – газовые турбины высокого и низкого давления; VII – охладитель воздуха; VIII – потребитель механической энергии; IX – регенеративный теплообменник;

обозначения на диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в КНД; 2-3 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду (промежуточное охлаждение воздуха); 3-4 – адиабатное сжатие воздуха в КВД; 4-5 – регенеративный подогрев воздуха; 5-6 – подвод теплоты к рабочему телу от внешнего источника теплоты; 6-7 – адиабатное расширение газов в турбинах; 7-8 – охлаждение отработавших газов в регенеративном подогревателе воздуха; 8-1 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду; штриховыми линиями на p,v диаграмме показаны изотерма сжатия, исходящая из точки 1 адиабаты сжатия1-2', и изотерма, исходящая из конечной точки адиабаты расширения 6-7