Файл: Васильев В.К. Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок.pdf

Таблица 4

Результаты расчетов процессов идеального цикла по параметрам характерных точек, рассчитанных в табл. 3

Внешний энергообмен в процессе

П р и м е ч а н и е . Баланс теплоты и работы в идеальном цикле служит про­ веркой правильности тепловых расчетов идеального цикла. Знаки плюс и минус при рассчитанных энергетических величинах получаются во всех случаях как результат вычитания из энтальпии конечной точки процесса энтальпии его начальной точки. Плюс в балансе обозначает энергию , полученную рабочим агентом извне, минус — энергию, отданную им во внешнюю среду.

Рассчитаем изобарные внешние теплообмены в этом идеальном

55

Суммарное количество удельной тепловой энергии, полученной в цикле от горячего источника, будет

Qi = Qi + Qi — 583,59 + 181,64 = 765,23 кДж/кг.

в цикле в полезную работу, определяется разностью рассчитанных

Как показывает конфигурация цикла на диаграмме рис. 5, его крайние изобары на участках 4— 5 ц 2"’— 2 эквидистантны. Следо­ вательно, этот участок цикла пригоден для осуществления изотерми­ ческого перехода теплоты с изобары р г на изобару р 2и на этом уча­ стке может быть осуществлен подогрев сжатого воздуха теплотой горячих отработавших газов (регенеративный подогрев). Выполнив это, получим соответственное уменьшение Q{ за счет внутреннего теплообмена Q;, определяемого охлаждением отработавших газов по изобаре 4—5:

Q( = Д14_5 = Д — t5 = 694,21 — 555,44 = 138,77 кДж/кг.

Восприятие этого количества теплоты нагреваемым воздухом по изобаре 2’"— 2 сохраняет его в цикле и уменьшает теплообмен газов с холодным источником, а также теплообмен по изобаре сжа­ того воздуха с горячим источником.

Обратим внимание на то, что регенеративный подогрев воздуха

вусловиях рассматриваемого цикла (фиксация температур точек начала процесса расширения 3 и <3')'не оказывает влияние на про­ цесс расширения и сжатия. Работа компрессоров и турбин остается

втаких условиях неизменной, независимо от того, будет использо­ ван регенеративный подогрев или не будет. Однако его использова­ ние существенно влияет на изменяемость к. п. д. цикла.

Чтобы показать это на рассматриваемом примере, рассчитаем к. п. д. цикла без использования регенеративного подогрева при тех же условиях его протекания. Внешние теплообмены Q! и Q£ при этом останутся неизменными, изменятся лишь теплообмены Q( и Q2:

Qi = Д»2«-з = h — к = 1277,80 — 555,44 = 722,36 кДж/кг,

Q2= Д74—1= к — к = 694,21 — 311,40 = 382,81 кДж/кг,

56

что при наличии регенерации изобарный внешний теплообмен Q1 происходит при более высокой средней температуре Тср. При внеш­ нем теплообмене без регенерации — по изобаре 2"' — 3 эта темпера­

газотурбинном цикле, надо, очевидно, стремиться возможно больше раздвинуть ограничивающие ее изотермы (на рис. 5 это 2—4 и 2"'—5). Это связано со снижением температуры конца многоступен­ чатого процесса сжатия воздуха (на рис. 5 точка 2"') и с повыше­ нием температуры конца многоступенчатого процесса расширения газов в турбинах (точка 4). Особенно существенное значение имеет здесь организация сложного процесса сжатия. Выгодно доводить все ступени промежуточного изобарного охлаждения воздуха до

энтропию, причем снижается также суммарная работа всего процесса сжатия. При этом выгодно назначать отношения давлений процесса сжатия в отдельных ступенях так, чтобы оно было максимальным в первой ступени и постепенно снижалось до минимума в последней. Однако эта рекомендация оправдана лишь в целях приближения к максимальной температуре верхней изотермы цикла и к минималь­ ной — нижней изотермы, что приводит к улучшению экономических показателей цикла (повышению его к. п. д.).

Если условия проектирования установки другие (например, достижение минимальных габарита и веса установки или ее наилуч­ ших маневренных качеств), то отношение давлений следует выбирать иначе. Для выяснения этого вопроса на рис. 6 представлен рассмот­ ренный в § 6 идеальный цикл ГТУ сложной схемы в более мелком

57

Масштабе, чтобы было наглядно видно все интересующее нас поле диаграммы цикла. На том же рисунке нанесен и цикл-эталон, при­ способленный по форме к условиям построения сложного цикла.

Прежде всего условимся (и будем соблюдать это условие при ана­ лизе других циклов любой сложности) о разбивке данного сложного

Рис. 6. Диаграмма Т—s идеального цикла сложной тепловой схемы ГТУ с раз­ бивкой сложного цикла на составляющие.

и р 2 данного сложного цикла. В состав основного цикла входят изобарные процессы внешнего теплообмена 20— 3 и 4 0—1, причем, естественно, о регенерации в основном цикле не может быть и речи из-за более низкой температуры точки 4 0 конца изоэнтропийного расширения по сравнению с температурой точки 20, конца изоэн­ тропийного сжатия. В сложных циклах отношение давлений p jp г настолько велико, что нагрев воздуха в процессе непрерывного изоэнтропийного сжатия бывает значительным и температура конца этого процесса оказывается более высокой, чем температура непре­ рывного изоэнтропийного процесса расширения в его конце (в точке 40).

Простой цикл при больших отношениях предельных давлений не­ экономичен, и этот цикл вводится в рассмотрение лишь как звено, связывающее теорию простых циклов с теорией сложных. Для ком­ пенсации этой недостаточности простого цикла вводятся дополни­ тельные циклы, примыкающие к простому по его изоэнтропам рас­ ширения и сжатия.

Основной цикл обозначим индексом «О».

58

2. Дополнительный цикл работы процесса расширения, обозначае­ мый индексом «т». Этот, цикл может иметь несколько ступеней пре­ рывистого изоэнтропийного процесса расширения с линией изобар­ ного нагрева перед каждой ступенью. Дополнительный цикл имеет целью поднять весь многоступенчатый процесс расширения (вместе с его первой ступенью, осуществляемой в простом цикле «О») в зону более высоких температур. Многоступенчатость цикла «т» позволяет распределять работу по ступеням с целью наилучшего удовлетворе­ ния условий проектирования. Если, например, желательно в воз­ можно большей степени использовать регенерацию, то можно за­ кончить процесс расширения в последней ступени при высокой тем­ пературе, что позволит увеличить к. п. д. цикла. Если надо добиться малых габаритов и веса установки, а громоздкие регенераторы мешают этому, то можно больше нагрузить последнюю ступень процесса рас­ ширения, закончив в ней процесс при сравнительно низкой темпера­ туре. В этом случае удобно принять равенство температур точек конца процессов расширения и сжатия и таким образом вовсе исклю­ чить регенеративный подогрев сжатого воздуха, что и сделано в рас­ сматриваемом примере.

3. Дополнительный цикл работы процесса сжатия, обозначае­ мый индексом «к». Этот цикл предназначен выправить недостатки основного цикла при сжатии воздуха, причем основная его задача заключается в снижении работы сжатия путем переноса изоэнтроп его ступеней в область уменьшенных температур и энтропий. Первая ступень прерывистого процесса изоэнтропийного сжатия начинает работу с заданной точки 1, но все последующие ступени сжатия из-за наличия между ними изобарного охлаждения все больше и больше переносят свои участки изоэнтроп в область сниженных температур

иэнтропий. При этом соответственно снижается и работа сжатия. Наибольший положительный эффект можно получить при охлажде­ нии воздуха, сжатого в отдельных ступенях, до наинизшей темпера­ туры цикла. Воздух, сжатый в последней ступени, не охлаждается

иидет в теплообменные аппараты для дальнейшего подогрева до заданной наивысшей температуры цикла. В облегченных установ­ ках, где приходится избегать больших габаритов теплообменников,

полезно бывает увеличить по сравнению с другими ступенями сжа­ тия работу последней ступени, чтобы поднять температуру воздуха перед дальнейшим внутренним теплообменом (регенеративным) или даже максимально приблизить ее к температуре отработавших газов в конце их процесса расширения. Тогда можно будет совсем изба­ виться от регенеративного подогрева и значительно снизить габарит установки. При этом, конечно, снижается ее экономичность.

Учитывая все сказанное, рассмотрим на рис. 6 основной и до­ полнительные циклы рассчитываемой ГТУ. Полезная работа основ­ ного цикла определяется площадью 1—20—3—4 0—1. Она измеряется

разностью работы расширения Ai\ и работы сжатия Ai*:

Qio — Q20— Ai] — A/s = (гз — Чо) — (г2о — h) = 310,70 кДж/кг.

59