Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 201

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

§ 24. Потери энергии за счет утилизации отведенного от турбины тепла

В турбинах с открытыми системами охлажде­ ния все тепло, отбираемое теплоносителем, утилизируется в проточ­ ной части. В турбинах с закрытой системой охлаждения отобранное тепло может быть передано другому теплоносителю и дополнительно использовано. Для определения потери энергии в процессе передачи тепла от одного к другому теплоносителю воспользуемся рис. 69. В правой части рисунка показано изменение энтропии теплоносителя при подводе к нему тепла от газа. Поскольку количество охлаждаю­ щего теплоносителя, участвующего в процессе теплообмена, обычно меньше, чем количество газа, т. е. все отведенное от газа тепло воспри­ нимается значительно меньшим количеством охлаждающего теплоно­ сителя, то к одному килограмму теплоносителя подводится в (VСт­ раз больше количества тепла, чем отводится от одного килограмма газа. Поэтому при расчете изменения энтропии теплоносителя по таблицам или диаграмме Т—s (или і—s), построенным для 1 кг тепло­ носителя, необходимо учитывать, что количество тепла, подведенное к 1 кг теплоносителя,

Ят = Яг^-

(61)

и изменение энтропии теплоносителя (1 кг)

Asr = /(<7T).

После расчета изменения энтропии 1 кг теплоносителя может быть получено изменение энтропии теплоносителя, отнесенное к 1 кг газа:

AsT = AsT -£-.

(62)

Такой учет разного количества теплоносителя и газа необходим при расчете потери. Это объясняется тем, что в случае значительного нагрева теплоносителя, особенно в области фазового перехода, изме­ нение теплоемкости теплоносителя может внести значительную погрешность в расчет. При мало изменяющейся температуре теплоно­ сителя расчет упрощается. Из выражения (41) для этого случая

т. е. расчет можно производить по таблицам или диаграмме для тепло­ носителя без учета количества теплоносителя, участвующего в про­ цессе (по величине количества тепла, отнимаемого от одного кило­ грамма газа). На рис. 69 линия а—b изображает процесс нагрева теплоносителя в каналах при охлаждении /-го элемента проточной части турбины.

Энтропия теплоносителя увеличивается также за счет потери дав­ ления теплоносителя в каналах из-за прокачивания его через охлаж­ даемые элементы турбины. На диаграмме Т—s для теплоносителя этот процесс выражается прямой линией be, параллельной оси абс­ цисс. Конечное состояние теплоносителя после его нагрева в каналах и понижения давления определяется положением точки с. Увеличение энтропии 1 кг теплоносителя за счет потери давления можно подсчи­ тать по выражению

 

 

As

= R In

,

 

 

 

 

 

Рч

 

где рх—начальное

давление

теплоносителя;

 

р 2

— конечное

давление

теплоносителя;

 

R

— удельная

газовая постоянная.

 

Поскольку в процессе участвует на

1 кг газа GT/Gr

теплоносителя,

то изменение энтропии теплоносителя, отнесенное к

1 кг газа, равно:

 

 

AsT

= £ t f l n - ^ .

(63)

Площадь фигуры а—Ь—Ьх—ах—а

соответствует

всему отведен­

ному теплу q, площадь фигуры а0—Ь0—Ьг—ах—а0

— необратимой

потере энергии при нагреве среды. Площадь фигуры

а—b—b0—а0—а

изображает часть отведенного от газа тепла, которое можно исполь­

зовать

полезно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При отводе тепла от венца к окружающей среде, имеющей темпе­

ратуру

Т0,

все

отведенное

тепло изображается

площадью а0—C'Q—

с[—ах—а0,

при этом все тепло q не может быть полезно использовано.

Увеличение энтропии окружающей среды в этом

случае

 

 

 

 

 

 

 

As

 

 

—3-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

""окр. ср

 

То '

 

 

 

 

 

 

Таким образом, при отводе тепла к окружающей среде с темпера­

турой

Т0

термодинамическая

потеря

в цикле ВГТУ без

регенерации

за счет отвода тепла в охлаждаемой части турбины выражается

как

сумма

потерь для всех

п

охлаждаемых

элементов проточной

ча­

сти:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я т

= І \ [ q

-

(ц

-

Q]

+

t

(L -

Іохл)в),

 

(64)

где

 

 

 

q — тепло,

отведенное

от

каждого

данного

1-го

 

 

 

 

венца лопаток или элементов проточной части,

 

 

 

 

расположенного

между

і'-м

и t +

1-м венцами;

 

 

 

t4 — ц — изменение

энтальпии

газа

на выходе его

из

 

 

 

 

данного охлаждаемого элемента за счет отвода

 

 

 

 

тепла;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~£i(L

—

Ьохл)в

— уменьшение полезной

работы газа в последую­

щи

 

 

щих элементах за данным охлаждаемым элемен­

 

 

 

 

 

 

 

 

том

турбины.

 

 

 

 

 

 

 

 

Потеря в цикле ГТУ в случае полезного использования отведен­ ного от проточной части турбины тепла, соответственно, равна:

 

 

Я т =

S ([ТаЬ&г —(ц

— Q +

Sx (L

— ихяЦ

+ Я у т ,

(65)

где

Я У т

— потеря в процессе

утилизации

тепла.

 

 

 

При этом количество тепла, которое можно использовать полезно

(на

1 кг

газа),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<?ут = (ІЬт — tar) — ^0 (%r — sar),

 

(66)

где

iur

и

sbT

— энтальпия и энтропия теплоносителя в точке Ь;

 

 

iaT

и

s(1T

— энтальпия и энтропия

теплоносителя

в точке

а.

 

Потери в процессе утилизации тепла Я У т

должны быть вычислены

особо. Их можно рассматривать как часть потерь в цикле ГТУ. При передаче тепла (или его части) какому-либо другому теплоносителю потеря

Л у т =

Т0 (As** — As*T) + # In

,

 

 

Pi

 

где As* — уменьшение

энтропии

теплоносителя;

 

As" — увеличение

энтропии

теплоносителя,

к которому отво­

дится тепло.

В случае замкнутой системы охлаждения (термосифонной) тепло­ носитель после отдачи тепла другому теплоносителю поступает снова в турбину и вновь принимает участие при теплообмене с газом в охла­ ждаемых элементах турбины. В такой системе остаточное тепло в теплоносителе не теряется, а температура его на входе в турбину выше температуры окружающей среды.

В случае открытой системы охлаждения это тепло отводится

кокружающей среде и является потерей.

§25. Потери энергии,

связанные с отбором и прокачиванием охлаждающего агента

Кроме термодинамической потери, связанной с передачей тепла от газа к охлаждающей среде и утилизацией этого тепла в цикле, существует также потеря энергии, связанная с затра­ той работы на отбор и прокачивание охлаждающего агента в охлаж­ даемых элементах турбины. Эта потеря зависит от типа системы охла­ ждения и может составлять значительную величину.

В воздушной системе охлаждения с выпуском охлаждающего воздуха в проточную часть с целью создания необходимых (для доста­ точной теплоотдачи) скоростей в элементах систем требуются разно­ сти давлений охлаждающего воздуха. Потери давления при этом мо­ гут быть: 1) в подводящих трубопроводах от компрессора к турбине; 2) в охлаждающих каналах ротора или статора и 3) на выходе из лопаток в проточную часть.

8 Г. Г. Ж а р о в

113

Кроме того, наблюдаются потери давления на дросселирование в случае, если воздух, отбираемый от компрессора при определенном давлении, используется для параллельного охлаждения нескольких ступеней турбины. В данном случае разность давления охлаждаю­ щего воздуха на первом охлаждаемом еєнцє должна обеспечить необ­ ходимые скорости в каналах лопаток этого венца, омываемого газом с более высокой температурой. В последующих венцах давление газа на выходе охлаждающего воздуха из лопаток ниже, чем в первом; поэтому часть давления должна быть сдросселирована. К тому же температура газа на последующих венцах также ниже, чем в первом, что требует меньших скоростей и соответственно перепадов в каналах.

В случае индивидуального отбора воздуха от компрессора для охлаждения каждого венца указанная потеря отсутствует. В откры­ той системе охлаждения воздух, поступая в проточную часть, расши­ ряется в последующих ступенях турбины и производит некоторую

полезную работу. Однако при этом могут возникать

дополнительные

аэродинамические потери, связанные с выходом и

смешением его

с потоком газа.

 

Минимально возможная потеря на сжатие охлаждающего воздуха равна потере давления в охлаждающих каналах при условии, если обеспечены индивидуальный отбор воздуха для охлаждения каждого венца лопаток, отсутствие аэродинамических потерь и отдельное расширение газа и воздуха в проточной части. Энергетическая потеря при падении давления воздуха равна работе, затраченной на его сжа­ тие. Эта потеря на 1 кг воздуха в цикле ГТУ равна:

 

 

 

 

г

 

 

 

 

 

ППР=

£

g b L

K ^

,

(67)

Q

 

 

 

і

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где GB =

в

— относительный

расход

охлаждающего

воздуха;

^

LK — работа компрессора

на 1 кг воздуха;

 

є

— отношение падения

давления охлаждающего воз-

 

о х л , в

 

 

 

 

 

 

 

 

духа к отношению давлений в цикле;

 

 

2 — число охлаждаемых

венцов в турбине.

 

Относительный расход

охлаждающего

воздуха (GB)

зависит от

совершенства данной системы охлаждения. Для открытой системы охлаждения подогрев охлаждающего воздуха может достигать

300—350 К.

С учетом теплоемкости воздуха, которая мало меняется в преде­ лах от нуля до 300 — 350 К, формулу (67) можно записать так:

^ - S n f c ^ V -

<6 8 >

і

где q — количество тепла, отбираемого от венца турбины; AT — подогрев воздуха в венце;

ср — теплоемкость подогреваемого воздуха.

В закрытых системах охлаждения воздух не поступает в проточ­ ную часть, в результате чего в таких системах отсутствуют аэродина­ мические и термодинамические потери, связанные с охлаждением газа при подмешивании воздуха. После нагрева в венце рабочих или сопловых лопаток воздух используется в последующих венцах. Поэтому в закрытой системе охлаждения воздух нагревается до тем­ пературы 500—600 К, что позволяет полностью использовать его охлаждающую способность.

Потерю на прокачивание охлаждающей среды в закрытой системе охлаждения при использовании для охлаждения воздуха вычисляют по формуле (67). Эта потеря для случая любой охлаждающей среды выражается формулой

77п р = GT0 J

Asn p = GT0 £

R In j±.

(69)

і

і

1

 

Потеря давления охлаждающей среды в последовательно охлаждае­ мых венцах может оказаться меньше располагаемого перепада, тогда от последнего охлаждаемого венца агент отводится и дополнительно используется в отдельной турбине при давлении р х и температуре Тш, или в последних венцах турбины, или в теплообменниках. При этом получается значительная полезная работа. Эта работа зависит от способа утилизации тепла. При использовании энергии охлаждающей среды в турбине потерю на прокачивание для закрытой системы охлаждения находят по формуле

ППР = 0 То ^ R In

— (£.р а с т — £с ж)

(70)

В частном случае, при использовании в закрытой системе охлаж­ дения несжимаемой жидкости (вода), потеря на прокачивание сво­ дится к затрате работы на прокачивание жидкости насосом:

/ 7 n p = £ G L H a c

(71)

і

или с учетом нагрева жидкости

п

1

Поскольку работа, затраченная на повышение давления несжимае­ мой жидкости, значительно меньше, чем при использовании в качестве охлаждающих агентов сжимаемых сред (воздуха или пара), то и по­ теря на прокачивание при использовании жидкости получается значи­ тельно меньше.

8*

115

Смотрите также файлы