Термодинамический расчет цикла парогазовой установки

Цель выполнения курсовой работы по курсу «Техническая термодинамика» – углубление знаний по теории тепловых двигателей и расчету термодинамических процессов в газовых и пароводяных циклах, приобретение навыков использования справочной и учебной литературы, в частности, таблиц теплоемкостей различных газов, таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара, а также hS – диаграммы водяного пара.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Парогазовые установки (ПГУ) являются типичными бинарными установками с коэффициентом заполнения цикла, приближающимся к единице. В ПГУ используется тепло продуктов сгорания топлива газотурбинных установок (ГТУ) для подогрева воды, парообразования и перегрева пара. Типичная принципиальная схема ПГУ изображена на рис.1.

Воздух, сжатый в компрессоре 1, подается в камеру сгорания парогенератора 2, работающего на газовом топливе. Часть тепла продуктов сгорания топлива идет на парообразование и перегрев пара. Теплота выхлопных газов после газовой турбины 3 используется для подогрева питательной воды паровой части установки в газоводяном подогревателе 4. Электроэнергия вырабатывается в двух генераторах, приводимых в действие паровой 5 и газовой 3 турбинами, часть мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора 1, а часть мощности паровой турбины на привод насоса 7.

Рис.1.Принципиальная схема парогазовой установки:

1- компрессор; 2- парогенератор; 3- газовая турбина;

4- газоводяной подогреватель; 5- паровая турбина;

6- конденсатор; 7- водяной насос.

Термодинамический цикл ПГУ состоит из двух циклов – газового abcda и пароводяного 1234561 , изображенных на рис.2.

Рис.2.Термодинамический цикл парогазовой установки.

I. Термодинамический расчет газового цикла

1. Расчет начинается с нахождения термических Р, , T параметров в характерных точках цикла (a, b, c, d). Если в точке известно два из трех параметров, то третий находится из уравнения состояния идеального газа (уравнение Клапейрона – Менделеева).

Так как в качестве рабочего тела используется смесь идеальных газов, то необходимо сначала найти газовую постоянную смеси газов.

Если в данной точке известен один параметр, то исходя из уравнения соответствующего процесса, например, = адиабатного, можно найти второй параметр и т.д. Если в исследуемой точке неизвестен ни один из параметров, то необходимо из рис.3, определить один или два параметра, а затем расчет провести, как сказано выше. Полученные данные занести в таблицу 1.

Таблица 1.1.Параметры газового цикла.

Точка/Параметры	P, бар	υ, /кг	T, K	t,	,
1
2
3
4

2. Средняя массовая изобарная теплоемкость смеси газов для каждого процесса находится по формуле:

n

=

i=1

где - массовая доля i – ого компонента газовой смеси;

- средняя массовая изобарная теплоемкость i-го компонента в интервале температур от до , определяемая по формуле:

=

- средняя массовая изобарная теплоемкость i-го компонента при данной температуре, которую можно найти в таблице 2. Если в таблице нет вашего значения или , то нужно произвести интерполяцию, т.е. найти промежуточное значение величины данной таблицы по некоторым известным значениям.

Таблица 2.Средняя массовая теплоемкость различных газов .

				CO				воздух
0	0,9148	1,0392	14,195	1,0396	0,8148	0,607	1,8594	1,0036
100	0,9232	1,0404	14,352	1,0417	0,8658	0,636	1,8728	1,0061
200	0,9353	1,0434	14,421	1,0463	0,9102	0,662	1,8937	1,0115
300	0,9500	1,0488	14,448	1,0538	0,9487	0,687	1,9192	1,0191
400	0,9651	1,0567	14,477	1,0634	0,9826	0,708	1,9477	1,0283
500	0,9793	1,0660	14,509	1,0748	1,0128	0,724	1,9778	1,0387
600	0,9927	1,0760	14,542	1,0861	1,0396	0,734	2,0092	1,0496
700	1,0048	1,0869	14,587	1,0978	1,0639	0,754	2,0419	1,0605
800	1,0157	1,0974	14,641	1,1091	1,0852	0,762	2,0754	1,0710
900	1,0258	1,1076	14,706	1,1200	1,1045	0,775	2,1097	1,0815
1000	1,0350	1,1179	14,776	1,1304	1,1225	0,783	2,1436	1,0907
1100	1,0434	1,1271	14,853	1,1401	1,1384	0,791	2,1771	1,0999
1200	1,0509	1,1359	14,934	1,1493	1,1530	0,795	2,2106	1,1082
1300	1,580	1,1447	15,023	1,1577	1,1660	-	2,2429	1,1166
1400	1,0647	1,1526	15,202	1,1656	1,1762	-	2,2743	1,1242
1500	1,0714	1,1602		1,1731	1,1895	-	2,3048	1,1313

Например, найдем теплоемкость кислорода при температуре 170 . Так как значения температуры 170 в таблице нет, то выпишем ближайшие значения:

100

= 0,9232

0

200

= 0,9353

0

Теперь проинтерполируем между этими значениями:

170 100

= + 70 = 0,9232 + 70 = 0,9317

0 0

Среднюю массовую изохорную теплоемкость можно найти по формулам термодинамических процессов:

Адиабатный; = const, S=const, dq=0: Из уравнения Майера: = –

Изохорный; =const: Из уравнения Майера: = –

Изотермический; T=const:

Изобарный; P=const: = –

Политропный; =const: = –

3. Изменения внутренней энергии ΔU и энтальпии Δi для каждого процесса цикла рассчитываются по формулам:

Δ = ( – ) ; Δ = ( – )

Изменение энтропии ΔS для каждого процесса цикла можно найти из следующих формул:

Для адиабатного: Δ = 0

Для изохорного: Δ = ln = ln

Для изотермического Δ = ln = ln

Для изобарного: Δ = ln =

Для политропного: Δ = ln =

Т.к. U, i и S являются функциями состояния, то за весь цикл:

n

i=1

n

n

0

i=1

; i=1

4. Теплота и работа в каждом процессе определяются по следующим формулам:

Адиабатный: = 0; = - Δ

Изохорный: = Δ = ( – ) ; = 0

Изотермический: = = T ln = T ln

Изобарный: = = ( – ) ; = P ( - )

Политропный: = ( – ) , где = ;

= ( ) = ( – )

Таблица 1.2. Результаты расчета газового цикла

Процессы	n				Δ ,	Δ	Δ	q,	l,
a-b
b-c
c-d
d-a

5. Определим подведенную ( в процессе расширения рабочего тела) теплоту и отведенную ( в процессе сжатия) теплоту и суммарную работу за цикл с учетом правила знаков для работы ( работа расширения положительна, сжатия – отрицательна).

=

= – |

=

=

Согласно первому закону термодинамики для цикла: =

6. Термический к.п.д. цикла:

= =

7. Изобразим на ТS - диаграмме, в масштабе, газовый цикл. Первая точка строится полу произвольно, по оси ординат откладываем температуру , а по оси абсцисс точку откладываем произвольно. Дальнейшие точки строятся строго в соответствии со значениями температур и ΔS для каждого процесса.