2.2.3. Цикл с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха

Задача 3. Исследовать, как изменится эффективность работы открытой ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении при использовании двухступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения воздуха до первоначальной температуры по сравнению с базовым циклом ГТУ, рассмотренным в задаче № 1. Изобразить принципиальную схему установки и цикл на рабочей и тепловой диаграммах.

Решение.

Схема установки и цикл изображены ниже на рис. 2.5.

Примем начальное давление воздуха перед компрессором низкого давления (КНД) равным атмосферному 0,1 МПа. Тогда давление воздуха после компрессора высокого давления (КВД) рассчитывается из соотношения:

Рис.2.5. Принципиальная схема и цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха:

I – пусковой двигатель, II – топливный насос, III – топливный бак, IV – камера сгорания, V_В и V_Н – компрессоры высокого и низкого давления, VI_В и VI_Н – газовые турбины высокого и низкого давления, VII – охладитель воздуха, VIII – потребитель энергии;

1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре низкого давления, 2-3 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду(промежуточное охлаждение воздуха), 3-4 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре высокого давления, 4-5 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу, 5-6 – адиабатное расширение газов, 6-1 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду

Для уравнивания мощностей КНД и КВД промежуточное давление определяется следующим образом:

Тогда температура воздуха после сжатия в КНД (при Т₁ = 300,15 К — см. условие задачи № 1)

Температура воздуха после сжатия в КВД

(Т₃=Т₁ вследствие промежуточного охлаждения до начальной температуры).

Термический КПД цикла

где суммарная отводимая в цикле теплота:

подводимая теплота:

(по условию задачи № 1).

Сравнивая полученные результаты с соответствующими данными задачи 1 можно заключить, что при двухступенчатом сжатии увеличивается полезная работа (см. диаграмму p,v), однако уменьшается термический КПД установки в связи с понижением температуры начала подвода теплоты в цикле. Положительным эффектом двухступенчатого сжатия является также улучшение условий для регенерации теплоты отработавших газов благодаря понижению температуры воздуха после его сжатия в КВД (см. точки 2', 4 на рис. 2.4). Докажем это расчетом ГТУ с двухступенчатым сжатием и регенерацией теплоты отработавших газов.

2.2.4. Цикл с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха и регенерацией теплоты

Задача 4. На базе исходных данных, рассмотренных выше задач, исследовать совместное влияние на эффективность цикла ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха до температуры окружающей среды и регенерацией теплоты отработавших газов.

Решение.

Исследование ведем на базе исходных данных предыдущих задач. Расчет для различных значений σ проводим в компактной табличной форме. Термодинамический цикл и принципиальная схема ГТУ, соответствующие условию рассматриваемой задачи, приведены на рис. 2.6.

Из приведенной ниже таблицы и предыдущей таблицы (см. стр. 33) следует, что в регенеративном цикле с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха значение КПД выше, чем в аналогичном цикле с одноступенчатым сжатием воздуха. В данной задаче при предельной регенерации КПД повышается на 51,6% по сравнению с КПД цикла без регенерации. В то же время при предельной регенерации в цикле с одноступенчатым сжатием воздуха рост

Рис. 2.6. Принципиальная схема и цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха и регенерацией теплоты:

I – пусковой двигатель, II – топливный насос, III – топливный бак, IV – камера сгорания, V_В и V_Н – компрессоры высокого и низкого давления (КВД и КНД), VI_В и VI_Н – газовые турбины высокого и низкого давления, VII – охладитель воздуха, VIII – потребитель энергии, IX – регенеративный теплообменник.

1-2 – адиабатное сжатие воздуха в КНД, 2-3 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду (промежуточное охлаждение воздуха), 3-4 – адиабатное сжатие воздуха в КВД, 4-5 – регенеративный подогрев воздуха, 5-6 – подвод теплоты к рабочему телу от внешнего источника, 6-7 – адиабатное расширение газов в турбинах, 7-8 – охлаждение отработавших газов в регенеративном подогревателе воздуха, 8-1 – изобарный отвод теплоты в окружающую сред

воздуха рост КПД составляет только 32%. Таким образом, двухступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением способствует дальнейшему росту КПД почти на 20% благодаря улучшению условий для регенерации теплоты.

Основания для расчета	Расчетные соотношения	Степень регенерации, σ
		0	0,4	0,6	0,8	1,0
Адиабатный процесс 1-2		396,35	396,35	396,35	396,35	396,35
Адиабатный процесс 3-4		396,33	396,33	396,33	396,33	396,33
Из определения σ		396,33	491,80	539,53	587,27	635,0
Из теплового баланса		635	539,53	491,8	444,06	396,33
Формула для КПД		0,3944	0,4555	0,4941	0,5390	0,5934
	%	0	16,3	26,2	37,7	51,6

* при отсутствии регенерации (σ = 0).