2522

5

Рис.28 Схема ГТУ: 1 – топливный бак; 2 – топливный насос; 3 – воздушный компрессор;

4 – камера сгорания; 5 – форсунка; 6 – газовая турбина; 7 – электрогенератор

Компрессор засасывает при атмосферном давлении p1 воздух, сжимает его до требуемого давления и направляет в камеру сгорания. Туда же топливным насосом или компрессором подается жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива в камере сго-

рания происходит изобарно при p2 const . Продукты сгорания,

адиабатно расширяясь в сопловых аппаратах газовой турбины, приобретает большую кинетическую энергию и, попадая на лопатки турбины, производят полезную работу, а затем выбрасываются в атмосферу.

Теоретический цикл изображен в системах координат p – v и T – S на рис.29.

Рис.29

51

Этот цикл составляет следующие процессы: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

2-3 – изобарный подвод тепла к газу в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение газа в лопатках турбины; 4-1 – изобарный отвод тепла от газа в атмосферу.

Термический КПД запишется

Подставив (1.161), (1.162) в (1.160) получим

52

ни сжатия воздуха в компрессоре.

1.7.3. Циклы паросиловых (паротурбинных) установок (ПСУ)

Как отмечалось ранее, основная часть производимой, в частности в Росси электрической энергии получается на тепловых электростанциях с помощью ПСУ.

В практике различают две разновидности ПСУ – это конденсационные и теплофикационные ПСУ.

а) Цикл конденсационной ПСУ Такие ПСУ функционируют на электростанциях, вырабаты-

вающих только электрический ток (ТЭС).

На рис.30 представлена схема такой установки.

Рис.30. Принципиальная схема конденсационной ПСУ 1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 –

конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – электрогенератор

В паровом котле образуется насыщенный пар, который в пароперегревателе перегревается при неизменном давлении до более высокой температуры. Перегретый пар поступает в паровую

53

турбину, где расширяется, производя работу. Последняя преобразуется в электрическую энергию генератором. Отработавший в турбине пар с низким давлением и температурой поступает в конденсатор, где при неизменных давлении и температуре превращается в конденсат. Конденсат откачивается и подается питательным насосом в котел.

Идеальный цикл описанной ПСУ изображен в T – S диаграмме на рис.31. Этот цикл составляют процессы:

1-2 – адиабатное расширение пара в лопатках паровой турбины; 2-3 – изобарный отвод тепла от пара в конденсаторе; 3-4 – адиабатное сжатие воды в насосе; 4-5-6 – изобарный подвод тепла в котле;

6-1 – изобарный подвод тепла в пароперегревателе.

Для повышения экономичности ПСУ конденсационного типа необходимо повышать температуру и давление пара при входе в паровую турбины и уменьшать давление пара при выходе из турбины.

t p2

54

Эффективный КПД таких ПСУ достигает 30-35%. б) Цикл теплофикационной установки

В паросиловых установках конденсационного типа до 50% тепла от сгоревшего топлива уносится с водой, охлаждающей конденсатор. Имеется возможность повысить эффективность ПСУ Путем увеличения давления и температуры за турбиной до величины, когда отбросную теплоту можно было использовать для отопления, горячего водоснабжения и технологических процессов.

Станция, работающая с одновременной выработкой электрической и тепловой энергий, называется теплоэлектроцентралью (ТЭС). Охлаждающую воду после конденсатора можно использовать для отопления лишь при условии, что ее температура не будет ниже 70-100˚С.

Принципиальная схема Псу теплофикационного типа представлена на рис.32

Рис.32. Принципиальная схема ПСУ теплофикационного типа 1 – паровой котел; 2 – перегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – по-

требитель тепловой энергии; 5 – питательный насос; 6 – электрический генератор

В теплофикационной ПСУ пар выходит из турбины при давлении не ниже 1атм. и температуре выше 100˚С. Пар с такими параметрами направляется к потребителю тепловой энергии. Здесь

он отдает свое тепло при p2 const и конденсируется. С помощью

питательного насоса конденсат подается в котел. В остальном схема не отличается от схемы конденсационной ПСУ. Теплофикационная ПСУ обеспечивает комбинированную выработку электрической энергии за счет работы паровой турбины, приводящей электрогенератор, и тепловой энергии, посылаемой потребителю в виде пара.

Теоретический цикл ПСУ теплофикационного типа пред-

55

ставлен на рис.33.

Рис. 33 Принципиальное отличие этого цикла от цикла ПСУ кон-

денсационного типа состоит в том, что в данном цикле линия 2-3 изображает не отвод тепла в конденсаторе, а отвод тепла то пара к тепловому потребителю. Эффективность теплофикационного цикла принято характеризовать коэффициентом использования тепла, который представляет собой отношение суммарного использованного в цикле тепла, ко всему теплу, подведенному в цикле.

где lo - тепло, преобразованное в цикле в полезную работу; q2 - тепло, использованное для производственных целей; q1 - подведенное в цикле тепло.

вительный КПД теплофикационной ПСУ составляет 65-70%. Потери тепла имеют место в паровом котле, трубопроводах, паровой турбине. Общее использование тепла в ПСУ теплофикационного типа всегда значительно выше чем в ПСУ конденсационного типа. Это преимущество теплофикационных ПСУ является основной причиной их широкого использования в последнее время на теплоцентралях (ТЭЦ).

1.7.4. Цикл компрессионной холодильной установки

56

Для поддержания температуры какого-либо тела ниже температуры окружающей среды необходимо отводить тепло от этого тела в окружающую среду. Эту задачу выполняют холодильные установки, получившие широкое распространение в промышленности и в быту. Наиболее удобной и выгодной холодильной установкой является паровая компрессионная установка. В ней в качестве рабочего тела или хладагента используются жидкости, имеющие низкую температуру кипения. В качестве хладагента используются аммиак NH3 , фреоны (фторхлорпроизводные этана и метана), двуокись углерода CO2 и сернистый ангидрид SO2.

Принципиальная схема паровой компрессионной холодильной установки имеет следующий вид:

2

1

3

4

Рис.34. Принципиальная схема паровой компрессионной холодильной установки

1 – компрессор;

2 – конденсатор;

3 – дроссельный вентиль;

4 – испаритель.

Хладагент в виде пара поступает в компрессор 1 и сжимается в нем. Из компрессора хладагент попадает в конденсатор 2 и при p const отдает тепло охлаждающей среде. При этом пары хлада-

гента полностью конденсируются. Жидкий хладагент поступает в дроссельный вентиль 3 и дросселируется. В процессе дросселирования давление и температура хладагента уменьшаются, и он частично испаряется. Влажный насыщенный пар хладагента, имеющий низкую температуру, поступает в испаритель 4 и при p const

57

отбирает тепло от этого помещения, при этом пар подсушивается. Из испарителя пары хладагента поступают в компрессор, и рабочий цикл повторяется.

Теоретический цикл холодильной установки представлен на рис.35.

x=0

q2

x=1

Цикл установки состоит из следующих процессов:

1-2 – адиабатное сжатие паров хладагента в компрессоре; 2-3-4 – изобарный отвод тепла от хладагента в конденсаторе; 4-5 – процесс дросселирования в вентиле; 5-1 – изобарный подвод тепла к хладагенту в испарителе.

Холодильный коэффициент цикла изображается в виде

Количество тепла, отдаваемого от хладагента в конденсаторе равно

Количество тепла, подводимого к хладагенту из охлаждаемого помещения

По условию дросселирования

С учетом (1.176) перепишем (1.175), как

58

Где i1, i2, i4 находим из i – S диаграммы или таблиц пара хладагента.

1.7.5. Термодинамический анализ процессов в поршневых компрессорах

Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия газов.

Принцип действия поршневого компрессора состоит в следующем.

p2

При движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления внешней среды и под действием разности этих давлений открывается всасывающий клапан (ВС), при этом цилиндр заполняется газом – линия 4-1, в системе p – v (рис.36). В процессе обратного движения поршня всасывающий

59

клапан закрывается, и газ сжимается по линии 1-2.

Давление в цилиндре повышается до тех пор, пока не станет больше p2. Под действием разности этих давлений нагнетательный клапан (наг.) открывается и газ выталкивается поршнем (линия 2-3). После этого нагнетательный клапан закрывается и все процессы повторяются.

Для описания цикла в компрессоре видно, что он состоит их 3-х процессов: всасывание, сжатие и нагнетание. Причем из этих 3- х процессов лишь один – сжатие является термодинамическим. Процессы всасывания и нагнетания не являются термодинамическими, т.к. в них нет ни теплового взаимодействия газа с внешней средой, ни расширения, ни сжатия газа.

Работа, которую необходимо затратить для осуществления указанного теоретического процесса в компрессоре по абсолютной величине равна

Здесь Lвс - работа всасывания, т.е. та, которую совершает газ против внешних сил, приложенных к поршню в процессе наполнения цилиндра; Lсж - работа сжатия газа; Lн - работа нагнетания газа из цилиндра к потребителю.

Работа, выражаемая формулой (1.180), называется теоретической работой компрессора.

Работа всасывания равна

где p1 – сила, с которой действуют засасываемый в цилиндр газ на поршень; h – ход поршня при всасывании; F – площадь сечения поршня; V – объем газа в конце всасывания.

Аналогичным образом находится Lн .

60