05 семестр / Лекции и семинары / Лекции
.pdf
181
30. Комбинированные энергетические установки
30.1. Определения
Одной из приоритетных проблем 21 века является обеспечение энергетической безопасности и развитие технологий энергосбережения, без решения их невозможно развитие общества, экономики, экологии.
Решению вопросов энергосбережения в стационарной и транспортной энергетике направлены разработки комбинированных энергетических установок, дающих возможность существенно увеличить кпд и, следовательно, снижения расхода топлива.
Из широкого спектра комбинированных установок рассмотрим только два направления конструирования эффективных энергетических установок.
1.Парогазовые установки
2.Электрохимические установки на основе электрохимических генераторов на высокотемпературных топливных элементах (ТОТЭ) и ГТУ.
В обоих случаях повышения топливной экономичности достигается в соответствии с теоремой Карноповышением средней температуры подвода теплоты и уменьшением средней температуры отвода теплоты к холодному источнику.
30.2.Парогазовые установки
Основной потерей простого цикла ГТУ являются потери теплоты с уходящими газами. Основным недостатком паротурбинных установок является ограничение минимальной температуры рабочего тела (пара) и достоинствомнизкая средняя температура отвода теплоты к теплоприемнику.
Объединение ГТУ с ПТУ устраняет указанные недостатки, что и приводит расширению разницы температур подвода и отвода теплоты и, следовательно, к увеличению кпд подобных парогазовых установок до 50
Схемы парогазовых установок с низконапорным парогенератором (НПГ)
высоконапорным парогенератором (ВПГ)
Идеальный цикл ПГУ с высоконапорным парогенератором представлен на
рисунке «а». Здесь теплота испарения |
и теплота перегрева |
в паровом |
цикле передается по изобаре 
высокого давления и лишь теплота нагрева воды передается через газовый контур по изобаре 
. На рисунке «б»- схема с
|
182 |
|
НПГ, в теплота испарения |
и перегрева |
передается по изобаре |
низкого давления газового контура.
кпд ГТУ (25
кпд котельной установки (70
80%)
кпд парового цикла (30
35%)
50
55%
Это обстоятельство послужило решению правительства Москвы, РФ оснащению существующих паровых энергоблоков газотурбинными установками, строительством новых ПГУ.
183
30.3. Электрохимические энергоустановки (ЭЭУ) на основе
топливных элементов (ТОТЭ) и ГТУ
184
1-инвертор;
2- газовая турбина;
3- газовая турбина;
4- компрессор;
5- генератор электрический;
6- насос;
7- рекуператор;
8- десульфуризатор;
ПГприродный газ;
В- воздух;
Т(Г)- теплота (нагретые газы);
УГуходящие газы.
185
Эффективный кпд подобной гибридной установки равен сумме кпд ЭХГ и кпд ГТУ
Такие комбинированные установки обладают важными достоинствами: высоким кпд, экологической безопасностью, возможностью использовать разные виды топлива, быстрым монтажом, регенерацией теплоты, воды, электричества, простотой обслуживания.
В топливных элементах ЭХГ химическая энергия топлива превращается непосредственно в электрическую энергию, в то время как обычных тепловых машинах преобразование химической энергии топлива в электрическую протекает через несколько промежуточных стадий.
В результате работы топливного элемента возникает постоянный ток, который в инверторе преобразуется в переменный ток, подаваемый потребителю. Нагретые продукты химической реакции в топливных элементах поступают в газовую турбину, где происходит превращение тепловой энергии отходящих газов от ЭХГ с высокой температурой в электроэнергию.
Такого рода комбинированные энергоустановки в настоящее время интенсивно разрабатываются в качестве альтернативных двигателей для транспорта (в т. ч. автомобилей) и для автономных энергоустройств для бытовых нужд.
186
Основной недостаток таких энергоустановок является их высокая стоимость. Проводимые значительные работы НИР и ОКР во всех ведущих странах мира, включая Россию, позволяют надеяться на снижение их стоимости и широкого внедрения в экономику.
187
Часть I
1.Термодинамика как наука |
3 |
2.Основые понятия и определения |
6 |
3.Параметры состояния термодинамической системы |
7 |
4.Обратимые и необратимые процессы |
8 |
5.Энергия системы,работа и телпота |
9 |
6.Уравнение состояния общие определения |
10 |
7.Газовые смеси |
14 |
8.Уравнение состояния в дифференциальной форме |
17 |
9.Теплоемкость газов |
18 |
9.1.Основные виды теплоемкостей газов |
18 |
9.2.Зависимость теплоемксоти газовой от температуры.Истинная и средняя |
19 |
теплоемкости. |
|
9.3.Определения теплоемкости газовой смеси |
20 |
10.Первый закон термодинамики |
21 |
10.1.Определения |
21 |
10.2.Закрытая система . Работа процесса |
22 |
10.3.Метематическое выражение I закона термодинамики для закрытой |
24 |
системы |
|
10.4.Внутренняя энергия рабочего вещества |
25 |
10.5.Открытая термодинамическая система.Располагаемая техническая |
27 |
работа |
|
10.6.Энтальпия газа |
29 |
10.7.Математическое выражение I закона термодинамики для открытых |
30 |
систем |
|
11.Математическиие характеристики функции состояния и функций |
32 |
процесса |
|
12.Энтропия идеального газа |
33 |
13.ТS-диаграмма и её свойства |
35 |
14.Исследование обратимых термодинамических процессов |
37 |
14.1.Изохорные процессы |
37 |
14.2.Изобарныые процессы |
39 |
14.3.Изотермические процессы |
42 |
14.4.Адиабатные процессы |
43 |
14.5.Политропные процессы |
47 |
14.5.1.Определения |
47 |
14.5.2.Изображение политропных процессов в PV-диаграмме |
47 |
14.5.3.Вывод уравнения политропы |
48 |
14.5.4.Определение теплоемкости политропного процесса |
48 |
14.5.5.Соотношения основных параметров P,V,T в политропных процессах |
50 |
188
14.5.6.Определение работы расширения политропных процессов |
50 |
14.5.7.Изменение энтропии в политропных процессах |
50 |
14.5.8.Классификация политропных процессов по характеру энергобалансов |
51 |
14.5.9.Определение показателя политропы по графику в PV-диаграмме |
53 |
15.Определение располагаемой работы в обратимых процессах |
54 |
16.is-диаграмма.Изображение термодинамических процессов |
57 |
17.Итоговые формулировки I закона термодинамики |
59 |
18.II закон термодинамики.Исследование круговых процессов |
60 |
18.1.Содержание II закона |
60 |
18.2.Базисные формулировки второго закона термодинамики |
60 |
18.3.Круговые процессы или циклы |
61 |
18.4.Цикл Карно.Учение Карно |
66 |
18.5.Основные свойства цикла Карно |
68 |
18.6.Макимальная полезная работа |
69 |
18.7.Обратный цикл Карно |
70 |
18.8.Регенерации теплоты |
73 |
18.9.Общая математическая характеристика обратимых процессов |
75 |
18.10.Энтропия как функция состояния или свойство любого тела |
77 |
18.11.Эксергия рабочего тела |
79 |
18.12.Уравнение эксергитического баланса для обратимых процессов |
81 |
18.13.Общая математическая характеристика необратимых процессов |
82 |
18.14.Принцип возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых |
84 |
процессах |
|
18.15.Уравнение эксергобаланса для необратимых процессов |
86 |
18.16.Энтропия и статический характер II закона термодинамики |
86 |
19.Рабочие тела тепловых машин |
88 |
19.1.Определения |
88 |
19.2.Уравнение состояния Вандер-Вальса для реальных газов |
88 |
19.3.Фазовые переходы правило фаз Гиббса |
91 |
19.4.Уравнение Клайперона-Клаузиуса |
94 |
19.5.Свойсвтва водяного пара |
95 |
19.6.Три стадии процесса парообразования |
97 |
19.7.Определение параметров насыщенного пара и кипящей воды |
99 |
19.8.Определение параметров перегретого пара |
100 |
19.9.Энтальпия воды и водяного пара |
100 |
19.10.Энтропия воды и водяного пара |
102 |
19.11.TS-диаграмма водяного пара |
104 |
19.12.is-диаграмма водяного пара |
106 |
19.13.Определение эксергии водяного пара |
109 |
20.Процесс дросселирования газов и паров |
111 |
21.Смесь воздуха и водяного пара |
115 |
22.Струйные аппараты .Сопла и диффузоры |
118 |
189
22.1.Определения |
118 |
22.2.Уравнение движения потока газа без трения |
119 |
22.3.Определение скорости истечения и расхода через сопло газа. |
121 |
22.4.Исследование формул скорости истечения и расхода газа.Выбор формы |
123 |
канала сопла |
|
22.5.Технические характеристики суженных сопел |
128 |
22.6.Расчет сужено-расширенного сопла.Сопло Лаваля |
129 |
22.7.Диффузоры |
130 |
22.8.Выбор формы канала диффузора |
132 |
22.9.Параметры торможения адиабатического потока |
134 |
23.Дифференциальные уравнения термодинамики |
134 |
23.1.Определения .Условия взаимности.Полные дифферинциалы |
135 |
23.2.Соотношение Максвела |
136 |
23.3.Дифференциальные уравнения для du,di,ds |
137 |
23.4.Соотношения между теплоемкостями Cp и Cv |
139 |
II часть
Исследование циклов теплоэнергетических установок |
140 |
24.Система КПД для оценки эффективности теплоэнергетических установок |
140 |
25.Паротурбинные установки |
141 |
25.1.Общая схема |
141 |
25.2.Идеальный цикл паротурбинной установки простейшего типа.Цикл |
142 |
Ренкина |
|
25.3.Основные явления необратимости паротурбинных установок |
145 |
25.4.Опеределение расхода пара на турбину |
147 |
25.5.Влияние основных параметров на величину цикла Ренкина |
147 |
25.6.Теплоэлентроцентарль(ТЭЦ) |
153 |
26.Компрессоры |
154 |
26.1.Определения |
154 |
26.2.Одноступенчатый поршневой компрессор |
154 |
26.3.Процесс сжатия в турбокомрессорах |
159 |
26.4.Оценка экономичности компрессора |
162 |
27.Двигатели внутреннего сгорания |
163 |
27.1.Определения |
163 |
27.2.Цикл с подводом теплоты при V=const и P=const(цикл Тринклера) |
164 |
27.3.Цикл с подводом теплоты при P=const(цикл Дизеля) |
165 |
27.4.Цикл с подводом теплоты при V=const(цикл Отто) |
168 |
28.Циклы газотурбинных установок (ГТУ) |
168 |
28.1.Определения |
169 |
190
28.2.Идеальный цикл в PV и TS-диаграмме с изобарическим (P=const) и |
171 |
изохорическим (V=const) подводом теплоты |
|
28.3.Пути повышения эффективности циклов ГТУ |
173 |
28.4.Cхема ГТУ с регенерацией теплоты отработавших газов в турбине |
173 |
29.Холодильные машины и тепловые насосы |
176 |
29.1.Определения |
176 |
29.2.Воздушная компрессионная холодильная машина |
177 |
29.3.Тепловой насос |
179 |
30.Комбинированные энергетические установки |
181 |
30.1.Определения |
181 |
30.2.Парогазовые установки |
181 |
30.3.Электрохимические установки (ЭЭУ) на основе топливных элементов |
183 |
(ТОТЭ) и ГТУ |
|
Исспользованная литература
1.А.Ф.Котин «Курс лекций по технической термодинамике»,часть 1,Волго-Вятское книжное издательство,Горький,1967 г.
2.А.Ф.Котин «Курс лекций по технической термодинамике ,часть 2,Волго-Вятское книжное издательство,Горький,1967 г.
3.А.Ф.Котин ,В.И.Шишкин «Принципы и методы теории тепловых машин и аппаратов»
Учебное пособие ,Горьковского политехнического института,1980 г.
4.В.М.Селиверстов ,П.И.Бажан
«Термодинамика,теплопередача и теплообменные аппараты»Москва «Транспорт»,1988 г.
5.Л.И Слободянюк,В.И.Поляков
«Судовые паровые и газовые турбины»
Ленинград , «Судостроение» ,1983 г.
6.”Техническая термодинамика” под редакцией В.И Крутова издание «Высшая школа» Москва 1971 г.
7.Елисеев Ю.С и др. «Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок» Москва ,изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000 г.