2.2.6. Преобразование энергии, выделяющейся при горении

топлива, в работу.

В результате окисления топлива образуются продукты сгорания с температурой (2.2.25), которые затем охлаждаются и совершают работу. При изменении их температуры на dT максимальная работа , как следует из теоремы Карно,

,

где - температура окружающей среды. Полная максимальная работа

. (2.2.26)

Величина, стоящая под знаком интеграла, – эксергия теплоты (см. раздел 2.1.6). Проведем интегрирование, заменив теплоемкость под знаком интеграла на ее среднее значение, тогда

. (2.2.27)

Коэффициент преобразования теплотворной способности топлива в работу естественно определить как отношение полученной работы к теплотворной способности топлива. Следовательно, максимально возможное значение коэффициента использования топлива

. (2.2.28)

2.2.6. Основные направления совершенствования

энергетических установок

Горячие продукты сгорания углеводородных топлив являются источником тепловой энергии, которая преобразуется в электрическую энергию в энергетических установках. В паротурбинных установках (ПТУ) тепло от продуктов сгорания в парогенераторах передается рабочему телу, которым служит перегретый водяной пар. В газотурбинных установках (ГТУ) и двигателях внутреннего сгорания сами продукты сгорания являются рабочим телом. В случае ГТУ высокие температуры горения открывают возможности создания энергетических установок с более высоким коэффициентом использования топлива, чем в ПТУ. Кроме того, они после запуска быстро выходят на стационарный режим работы, что полностью снимает проблему пиковой нагрузки.

В ГТУ, работающих на природном газе (в основном метане, Q _p = 12500 ккал/кг), для получения приемлемой температуры на входе в турбину используют избыточное количество воздуха ( 3). При стехиометрической реакции горения (  = 1) на каждый моль метана СН₄ необходимо 2 моля кислорода:

.

Кроме того, в камере сгорания присутствуют 23,67 = 7,34 молей инертного азота. При  = 3 в продуктах сгорания помимо СО₂ и Н₂ О будут

присутствовать 4 моля кислорода и 63,26 = 22,56 молей азота. Иными cловами, реакцию горения следует писать так:

,

где ₁ = 22,56; ₂ = 4. Теплоемкость продуктов сгорания

С_p = ( 0,23*44 + 2*44/4,19 + 22,56*7 + 4*7)/16 = 13,56 ккал/ К.

При вычислении вклада в теплоемкость паров воды, мы приняли теплоемкость одного моля паров воды равной 44 кДж/моль. Теоретическая температура горения

Т_th = Q_p /С_p + Т_p = 1250/13,56 + 298 = 1220 К ,

максимальный коэффициент преобразования теплоты в работу

• = 1 - (13,56*298/12500)ln(1220/298) = 0,55.

КПД цикла Карно при верхней температуре цикла Т = 1220 К и Т₀ = 298 К

_k = 0,76.

Реальная ГТУ с начальной температурой 1220 К имеет КПД около 0,3. Столь существенная разница в первую очередь объясняется тем, что продукты сгорания выбрасываются с температурой 450 - 500 С, когда они обладают еще значительной работоспособностью. Кроме того, реальный КПД учитывает несовершенство турбин и компрессора.

Учесть первое обстоятельство можно путем изменения нижнего предела

интегрирования в формуле (2.2.26) для максимальной работы:

,

где Т₂ – температура уходящих газов. Теперь

и

.

В данном случае

= (1220-798)/(1220-298)- (13,5298)/12500 ln(1220/798) =

= 0,46-0,14=0,32.

Увеличение коэффициента полезного использования топлива в ГТУ путем увеличения температуры рабочего тела наталкивается на проблему прочностных свойств материалов при высоких температурах. Тем не менее непрерывное увеличение максимальных температур рабочего тела является одним из наиболее эффективных путей увеличения полезного использования топлива в тепловых двигателях. Работы по освоению все более высоких температур ведутся в нескольких направлениях:

• создание новых металлических сплавов с жаропрочными и

жароупорными свойствами;

- создание керамических композиционных материалов;

- разработка систем охлаждения лопаток.

С внедрением охлаждаемых лопаток температура газа повысилась с 850С,

когда применялись неохлаждаемые лопатки до 1750 С в авиационных ГТУ. Освоенные уровни температур в стационарной энергетике до 1220 К. Однако, и эти температуры продолжают постоянно повышаться.

Отработанные газы имеют достаточно высокую температуру. Для повышения коэффициента полезного использования топлива используются комбинированные циклы. В парогазовых установках (ПГУ) отработавшие в турбине газы поступают в топку котла. Такие установки разработаны, надежно работают и в них может быть обеспечена независимая работа газового и парового контура.