МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет»

Институт механики и машиностроения

Кафедра «Энергообеспечение предприятий»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

«Газотурбинные и парогазовые установки»

на тему:

«Термодинамический расчет цикла парогазовой установки»

Вариант 21

Выполнил: ст. гр. ТТм-21

Семенов Д.А.

Проверил: доцент, к.т.н.

Медяков А.А.

Йошкар-Ола

2017

Цель работы – 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 паров 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.

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

Рис. 2 Термодинамический цикл парогазовой установки

Задание

Термодинамический расчет цикла ПГУ будет основываться на расчетах двух циклов: газового и пароводяного.

1 Газовый цикл

Цикл отнесен к 1кг газовой смеси, состав которой приведен в таблице 1.

Таблица 1 Состав газовой смеси

№ варианта	Способ задания смеси	Состав газовой смеси
		CO2	H2	CO		N2	H2O		SO2		O2
21	Массовый	10	-		-	75		5		-		10

Требуется:

1. Определить параметры P, V, T для основных точек цикла и занести в таблицу 2.

2. Определить значения средних теплоемкостей Cpm и Cvm для каждого процесса.

3. Найти изменения внутренней энергии (ΔU), энтальпии (Δh), энтропии (ΔS) в каждом процессе.

4. Определить теплоту (q) и работу (l) в каждом процессе.

5. Найти суммарную работу за цикл.

6. Определить подведенную q1^г и отведенную q2^г теплоты в цикле.

7. Результаты расчетов занести в таблицу 3.

8. Определить термический к.п.д. газового цикла

9. Построить в масштабе в TS – диаграмме газовый цикл.

II Пароводяной цикл.

1. Определить с помощью hS – диаграммы и таблиц воды и водяного пара параметры P, V, T, h, U, S, X для основных точек цикла и занести в таблицу 6.

2. Определить кратность газа m из уравнения теплового баланса газоводяного подогревателя.

3. Определить удельную полезную работу пароводяного цикла 1в.

4. Определить теоретическое удельное количество теплоты, полученное рабочим телом, ql.

5. Определить теоретический к.п.д. парогазового цикла.

6. Определить термический к.п.д. парогазового цикла.

7. Изобразить в масштабе циклы в TS – диаграмме.

Расчетные данные:

Таблица 1 Состав газовой смеси

№ варианта	Способ задания смеси	Состав газовой смеси
		CO2	H2	CO		N2	H2O		SO2		O2
21	Массовый	10	-		-	75		5		-		10

Парогазовый цикл представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 Парогазовый цикл

Таблица 4 Данные для газового цикла

№ вар.	Pa Бар	Pb Бар	Pc Бар	Pd Бар	ta ℃	tb ℃	tc ℃	td ℃	Va м3/кг	Vb м3/кг	Vc м3/кг	Vd м3/кг	n
21	-	3	10	-	-	25	-	250	-	-	-	-	-

Таблица 5

№ Варианта	21
P0, бар	105
t0, ℃	545
Pк, бар	0,04
tп.вод, ℃	220

Термодинамический расчет газового цикла

1. Расчет начинаем с нахождения термических p, V, t параметров в характерных точках цикла (a, b, c, d):

Для 1 кг идеального газа уравнение состояния идеальных газов: PV = 1*RT

Газовая постоянная смеси идеальных газов будет равна:

Где

– универсальная газовая постоянная

Дж/моль*К

– молярная масса газа

Найдем молярные массы газов:

𝜇(CO₂) = 12 + 2*16 = 44 г/моль

𝜇(N₂) = 2*14 = 28 г/моль

𝜇(H₂O) = 2*1+16 = 18 г/моль

𝜇(O₂) = 2*16 = 32 г/моль

Определим газовые постоянные:

Найдем газовую постоянную смеси идеальных газов:

,

где – массовая доля газа в долях единицы

.

Процесс a-b:

Изобарный процесс P = const, то P_a = P_b = 3 бар

Точка a:

Воспользуемся уравнением Менделеева-Клапейрона для точки цикла:

P_a*V_a = R_см*T_a

3*10⁵*V_a = 290,55*(250+273,15)

Точка b:

P_b*V_b = R_см*T_b

3*10⁵*V_b = 290,55*(25+273,15)

Процесс с-d:

Изобарный процесс P = const, то P_c = P_d = 10 бар

Точка d:

P_d*V_d = R_см*T_d

10*10⁵*V_d = 290,55*(250+273,15)

Процесс b-c:

Адиабатический процесс S = const

Найдем параметры точки c:

P_c*V_c^k = P_b*V_b^k

10*10⁵*V_c^k = 3*28,876^k

V_c^k = 0,3*28,876^k

Где k – показатель адиабаты

, С_p – изобарная теплоемкость, С_v – изохорная теплоемкость.

Количество степеней свободы идеальных газов:

i(CO2) = 6 – трехатомный газ,

i(N2) = 5 - двухатомный,

i(H2O) = 6 - трехатомный,

i(O2) = 5 – двухатомный.

Определим изохорную теплоемкость газов:

Полная изохорная теплоемкость газов будет равна:

Определим изобарную теплоемкость газов:

Полная изобарная теплоемкость:

Определим показатель адиабаты:

Вычислим удельный объем газов в точке с:

V_c^k = 0,3*28,876^k

V_c^1,4 = 0,3*28,876^1,4

V_c = 0,12 м³/кг

Найдем температуру T_c:

P_с*V_с = R_см*T_с

10*10⁵*0,12 = 290,55*T_c

t_c = T_c – T = 416,9 – 273,15 = 143,75 ≈ 144 ℃

Таблица 2 Параметры газовой смеси:

Точки/параметры	P, бар	V, м3/кг	T, К	t, ℃
a	3	0,51	523,15	250
b	3	0,29	298,15	25
c	10	0,12	416,9	144
d	10	0,15	523,15	250