16.3.2. Цикл гту с подводом теплоты при и регенерацией теплоты

В газотурбинных установках, имеющих цикл с изохорным подводом теплоты, также используется регенерация. Термодинамический цикл такой установки в - - диаграммах показан на рис. 67.

Процесс регенерации 2–8 в этом цикле, так же как и в цикле с изобарным подводом теплоты, осуществляется по изобарному процессу, что связно со стремлением не усложнять конструкцию теплообменника-регенератора. В связи с этим воздух, сжатый адиабатно в компрессоре 1–2, а затем подогреваемый при 2–8 в теплообменнике-регенераторе, с параметрами точки 8 поступает в камеру сгорания. За счет сгорания топлива к рабочему телу в изохорном процессе 8–4 подводится теплота , после чего в газовой турбине происходит адиабатное расширение 4 – 5 до давления окружающей среды . Перед выбросом в окружающую среду отработавший газ проходит теплообменник-регенератор, где отдавая теплоту сжатому воздуху, охлаждается при 5–7. Дальнейшее охлаждение 7–1 отработавших газов происходит в окружающей среде.

υ

Рисунок 67 – Термодинамический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты и регенерацией.

Термический КПД цикла с изохорным подводом теплоты и с полной регенерацией

Для того, чтобы эту зависимость записать через параметры цикла, необходимо кроме уже известных параметров и ввести степень подогрева регенерацией ,

При полной регенерации .

Так как

;

;

.

Тогда термический КПД

В действительности процесса полной регенерации получить не удается, поэтому практически осуществляемые циклы с подводом теплоты при и с регенерацией имеют термические КПД, меньшие, чем рассчитанные.

16.4. Цикл с многоступенчатым сжатием воздуха и промежуточным охлаждением

Термический КПД ГТУ можно также повысить, введя ступенчатый подогрев рабочего тела и ступенчатое сжатие воздуха в компрессоре с охлаждением между ступенями.

Схема газотурбинной установки, имеющей регенерацию, представлен на рис. 68, а цикл ГТУ с регенерацией, промежуточным охлаждением, подогревом рабочего тела и изобарным подводом теплоты на рис. 69.

Рисунок 68 – Схема газотурбинной установки со ступенчатым сгоранием, ступенчатым сжатием в компрессоре и с регенерацией: 1 – топливный насос; 2 – камера сгорания; 3 – первая ступень газовой турбины; 4 – вторая ступень газовой турбины; 5 – камера сгорания; 6 – теплообменник-регенератор; 7 – компрессор второй ступени; 8 – компрессор первой ступени 9 – теплообменник-холодильник; 10 – потребитель энергии.

Воздух, всасываемый из атмосферы, сжимается адиабатно 1–1’ в первой ступени компрессора. Затем он попадает в теплообменник-холодильник, где охлаждается при постоянном давлении 1–1” до первоначальной температуры и далее по адиабате 1”–2 сжимается во второй ступени компрессора.

Сжатый воздух поступает в теплообменник регенератор, где подогревается по изобаре 2–8. Подогретый в регенераторе воздух попадает в камеру сгорания, в которой подогревается дополнительно за счет подвода теплоты по изобаре 8–4, от горячего источника теплоты (за счет сгорания топлива, поданного насосом).

Рабочее тело с параметрами точки 4 подается в первую ступень газовой турбины, где происходит адиабатный процесс расширения 4–4’. Отработавшее в первой ступени рабочее тело вновь подается в камеру сгорания и по изобаре 4’–4” подогревается до температуры в точке 4 за счет подвода теплоты . Далее на вторую ступень газовой турбины, где расширяется по адиабате 4”–5.

Отработавшее в турбине рабочее тело поступает в теплообменник-регенератор, где отдает теплоту проходящему по змеевику воздуху по изобаре 5–7, выбрасывается в атмосферу и охлаждается по изобаре 7–1. Выработанная установкой энергия используется потребителем.

Чем больше промежуточных ступеней подогрева и охлаждения, тем выше термический КПД цикла. Действительно, если представить, что в цикле показанном на рис. 70 в процессе 2–3 теплота подводится к рабочему телу только за счет охлаждения рабочего тела в процессе 4–1, то в силу эквидистантности процессов эти теплоты не должны учитываться при определении термического КПД цикла.

υ

Рисунок 69 – Цикл ГТУ с регенерацией, промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, промежуточным подогревом рабочего тела, с подводом теплоты при постоянном давлении.

Для определения КПД цикла ГТУ с большим числом ступеней сжатия и сгорания представим приближенно теплоты (теплота, подведенная к рабочему телу в процессе 3–4) и (теплота, отведенная от рабочего тела в процессе 1–2) в виде

где , –изменение энтропии в соответствующих процессах.

Рисунок 70 – Цикл ГТУ с большим количеством промежуточных ступеней подогрева и охлаждения рабочего тела с изобарным подводом теплоты.

Тогда термический КПД такого цикла будет равен

.

Ввиду эквидистантности кривых 2 – 3 и 4 – 1 , отсюда