16.4. Цикл гту с регенерацией теплоты
Газ, прошедший через рабочий орган турбины и отведенный в окружающую среду, имеет более высокую температуру, чем воздух, поступающий в камеру сгорания после сжатия в компрессоре. Это дает возможность усовершенствовать работу установки. Путем использования теплоты уходящих газов для предварительного подогрева воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Процесс этот называется регенерацией.
16.4.1. Цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const и регенерацией теплоты
Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении и цикл с регенерацией в p, V- и T, S-диаграммах приведены на рис. 67 и 68.
Рис. 67. Схема ГТУ с регенерацией и подводом теплоты при постоянном давлении: 1 – камера сгорания; 2 – сопловый клапан; 3 – газовая турбина; 4 – компрессор; 5 – топливный насос; 6 – теплообменник |
Рассмотрим
процессы цикла: адиабатное сжатие
воздуха в компрессоре (1–2);
после чего поступает в теплообменник,
где подогревается уходящими газами
при постоянном давлении (2–8).
Подогретый воздух подается в камеру
сгорания; подогрев рабочего тела
продолжается при постоянном давлении
за счет теплоты
|
поступившей от горячего источника
теплоты, т. е. за счет теплоты,
выделившейся при сгорании топлива
(8–4).
Затем газ
расширяется
адиабатно в газовой турбине (4–5).
Попадает в теплообменник и отдает
теплоту воздуху при постоянном давлении
(5–7).
Дальнейшее изобарное охлаждение 7–1
происходит вне установки за счет передачи
теплоты окружающей среде. При полной
регенерации теплоты
и
(пунктирными линиями на рис. 68 показаны
изотермы), поэтому
V
Рис. 68. Термодинамический цикл ГТУ
С регенерацией и с изобарным подводом теплоты
Удельная теплота,
подведенная при наличии регенерации к
рабочему телу в камере сгорания:
.
Количество отводимой
теплоты:
Подставляя эти выражения в формулу для термического КПД, получим:
.
Выразим температуры
в основных точках цикла через температуру
:
Подставив найденные
значения температур в формулу для
термического КПД, получим:
Следовательно,
чем выше
и ниже
тем выше термический КПД цикла.
Однако действительные
теплообменники имеют конечные размеры.
Поэтому теплообмен с полной регенерацией
теплоты осуществляться не может: воздух
в теплообменнике нагревается лишь до
температуры
а газ в том же теплообменнике охлаждается
до температуры
Это свидетельствует о том, что в
действительности регенерация не может
быть полной. Ее степень приближения к
полной регенерации оценивается степенью
регенерации,
т. е. отношением фактически
регенерированной теплоты
к предельно возможной (полной)
При полной
регенерации
Степень регенерации увеличивается с
увеличением поверхности нагрева
теплообменника. Однако это приводит к
увеличению габаритов, веса и стоимости
установки. Оптимальная величина
определяется технико-экономическими
расчетами. Таким образом, при полной
регенерации теплота с участка 5–7
обратимым путем передается на участке
8–2.
В результате теплота
от внешнего теплоисточника подводится
к рабочему телу при более высокой средней
температуре подвода теплоты, а теплота
отводится к внешнему теплообменнику
при более низкой средней температуре
отвода теплоты. Следовательно, всякое
повышение средней температуры подвода
теплоты и всякое понижение температуры
отвода теплоты приводит в повышению
термического КПД.
Определим термический
КПД цикла с подводом теплоты при
и неполной регенерацией теплоты
Подставляя
значения температур
,
,
и учитывая, что
,
найдем
При p = 0 данная формула приводится к виду
т. е. приходим к формуле для цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты при отсутствии регенерации.
16.4.2. Цикл ГТУ с подводом теплоты при = const и регенерацией теплоты
В газотурбинных установках, имеющих цикл с изохорным подводом теплоты, также используется регенерация. Термодинамический цикл такой установки в p, V- и T, S-диаграммах показан на рис. 69.
Рис. 69. Термодинамический цикл ГТУ