Регенеративные циклы

Рис. 18.9. Регенеративный цикл

Одной из мер повышения степени совершенства перехода теплоты в работу в ГТУ является применение регенерации теплоты. Регенерация теплоты заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, при этом повышается экономичность ГТУ.

В оздух из компрессора 1 направляется в теплообменник 6, где он получит теплоту от газов, вышед­ших из турбины 2. После подогрева воздух направ­ляется в камеру сгорания 3, в которую через форсунку 4 от насоса 5 подводится тепло. Воздух, получивший теплоту от отрабо­тавших газов, должен получить в камере сгорания меньше теплоты для достижения определенной температуры перед турбиной. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты показан на и - диаграммах. Внешне он не отличается от рассмотренного цикла с подводом тепла при p=const.

Рис. 18.10. и - диаграммы

Здесь: 1-2- адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-а- изобарный подогрев воздуха в регенераторе; а-З- подвод теплоты при p=const в камере сгорания; 3-4 - –диабатное расширение газа в турбине; 4-в- отдача теплоты при p=const в регенераторе; в-1- отдача теплоты при p=const в окружающую среду. Таким обозом, определенная часть тепла, ранее уносившаяся отработавшими газами в атмосферу, теперь полезно исполь­зуется.

Если предположить что охлаждение газа в регенераторе происходит до температуры воздуха, поступающего в него , то регенерация будет полной.

Термический КПД цикла при полной регенерации, когда , определится по формуле , где , , тогда .

При принятых параметрах цикла ГТУ с подводом теплоты при p=const

, , , . (18.5)

Формула (18.5) показывает, что термический КПД цикла при полной регенерации зависит как от начальной температуры, так и от температуры в конце адиабатного расширения. Обычно двигатели работают не при полной регенерации, поэтому . При этом термический КПД цикла должен учитывать степень регенерации, определяемую как отношение количества теплоты переданной воздуху к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано при охлаждении газов до температуры воздуха.

Степень регенерации .

При полной регенерации , , .

При этом все располагаемое тепло отработавших газов используется для подогрева воздуха. Очевидно, что этот случай может иметь лишь теоретическое значение, т.к. при нулевой разности температур между отработавшими газами и воздухом невозможен теплообмен в регенераторе.

При отсутствии регенерации , . Величина степени регенерации определяется качеством и величиной рабочих поверхностей теплообменника (регенератора), использование регенерации повышает термический КПД цикла, т.к. в этом случае увеличивается коэффициент заполнения цикла.

Рис. 18.11. - диаграмма

Принципиально регенерацию теплоты возможно осуществить и в ГТУ, работающей по циклу =const. При этом характер цикла, как видно из рисунка изменяется. Подвод теплоты осуществляется как по изохоре, так и по изобаре. В настоящее время регенерация теплоты находит практическое применение в основном в стационарных установках и реже в транспортных установках из-за большого веса и габаритов регенератора.

В действительных условиях . При , будет меньше, чем в случае полной регенерации. В рассмотренных установках каждый новый цикл осуществляется с новой порцией рабочего тела и изображение этих циклов в виде замкнутых было условным.

В установках, работающих по замкнутому циклу, участвует неизменное количество вещества, причем не только воздуха и продуктов сгорания, а любого газа.

Использование одноатомных газов (гелий и аргон) повышает термический КПД цикла, кроме того, позволяет работать с меньшей степенью увеличения давления при тех же , , .

С другой стороны применение замкнутой схемы позволяет выбирать в качестве начального давления цикла не атмосферное, а значительно большее давление, что приводит к уменьшению объемов газа, пропускаемых через элементы установки, габаритов ее, необходимых поверхностей теплообменников и к облегчению создания турбин больших мощностей.

Для увеличения термического КПД ГТУ целесообразно введение ступенчатого сжигания топлива и ступенчатого охлажде­ния сжимаемого рабочего тела. Подобные установки выполняются по разомкнутой схеме; в них достигается достаточно высокий КПД. При бесконечно большом числе ступеней подвода и отвода теплоты и полной регенерации, этот цикл превратится в обобщенный цикл Карно, и его КПД будет зависеть только от отношения низшей температуры к высшей. Однако с увеличением числа ступеней растут потери от необратимости процессов, и усложняется конструкция.