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

пийного сжатия из-за усложнения и удорожания установки. Часто применяют лишь одну такую ступень с промежуточным охлаждением; иногда их делают две или три, но не больше.

Анализируя простой цикл, можно рекомендовать и другие меро­ приятия, ведущие к усложнению цикла и повышению его эффектив­ ности. Установлено, например, что к. п. д. цикла с изотермическим сжатием снижается из-за увеличения внешнего изобарного тепло­ обмена Qx. Возникает вопрос о возможности устранения этого недо­ статка. Рассматривая рис. 1, можно видеть, что изобара 4 — 1 и часть изобары р 2 от точки. 2Т до точки 4', лежащей на одной изо­ терме с точкой 4, эквидистантны по изотермам. Это обстоятельство позволяет при изобарном охлаждении отработавших в турбине газов отводить выделяемую теплоту не в окружающую среду, а передавать ее по изотермам на изобару р 2 для нагрева сжатого изотермически воздуха. Неиспользованная в процессе расширения отработавшими в турбине газами теплота регенерируется и возвращается в цикл для участия в создании полезной работы. Таким образом, участок цикла 4—1—2Т—4' будет участком регенеративного теплообмена, являющегося внутренним теплообменом и вытесняющего соответ­ ствующую часть внешнего теплообмена при нагреве сжатого воздуха с уменьшением Q'a при неизменном процессе расширения и получения полезной работы.

Выполним расчеты процессов цикла для этого случая. При рас­ четах используем данные табл. 1. Влияние регенерации на числовые значения величин будем отмечать надстрочным индексом «р».

Величина Qf (по столбцу 15 табл. 1)

Qs> = ц — h = 657,86 — 288,30 — 369,56 кДж/кг

— уже не потеря с отработавшими газами, эта теплота возвращается в- цикл и нагревает сжатый воздух по изобаре 2Т—4'. Энтальпия воздуха повышается и в конце регенеративного нагрева, в точке 4’,

в точке 3 происходит за счет внешнего теплообмена:

Qi = h — h = 1083,80 — 657,86 = 425,94 кДж/кг.

Теплообмен с холодным источником проходит по изотерме 1—2Т и равен вычисленной выше величине Q2t:

Q2t = 148,18 кДж/кг.

Тогда к. п. д. цикла с регенерацией и изотермическим сжатием получится:

45

Выше был рассчитан к. п. д. цикла ОК с теми же предельными температурами: г)ок= 0,7211 и к. п. д. простого цикла с изоэнтро-

пийными процессами: % = 0,3863.

Сопоставляя эти данные, можно установить, что регенерация отработавшей теплоты в ГТУ является эффективным средством повы­ шения к. п. д. цикла.

Та же величина в простом цикле с изотермическим процессом сжатия будет

Регенеративный подогрев воздуха в этом цикле не изменяет вели­

чину D? = DT.

Неблагоприятным результатом внутреннего подогрева сжатого воздуха за счет регенеративного теплообмена или применения изо-' энтропийного процесса сжатия* является снижение внешнего тепло­ обмена Qi и вызываемое этим увеличение удельного массового рас­ хода потока расширяющегося рабочего агента. Хотя внутренний подогрев Qt-и позволяет оставить неизменными температуру и энталь­ пию рабочего агента в начале процесса расширения, но удельный расход его, как мы видели, увеличивается и, если не предусмотреть оптимизацию габаритных характеристик ГТУ, а оставить их такими же, как габаритные показатели при простом цикле, установка по­ лучится недогруженной, поскольку она может использовать свои проточные части для реализации D = 4,304 г/кДж взамен получен­ ных 3,600 г/кДж. В таких случаях следует предусмотреть дополни­

«энерговооруженность» рабочего агента. Она определяется количест­

* При сравнении имеется в виду только процесс повышения температуры нагре­ ваемого воздуха, безотносительно к удельной полезной работе цикла, его к. п. д. и массовому удельному расходу рабочего агента.

Пусть в конце изоэнтропийного процесса сжатия воздуха достигнута темпера­ тура f2. При этом воздух нагрелся от температуры t x до температуры f2 за счет теплоты процесса сжатия. Воздух может сжиматься при постоянной температуре tl изотермически и далее по изобаре р 2 в регенераторе нагреваться до той же темпера­ туры t2. Здесь источником нагрева будут горячие отработавшие газы. В обоих слу­ чаях имеем один и тот же результат: нагрев сжатого воздуха с повышением темпера­

теплообмену от горячего источника (выше он обозначен Qx), так как он получен как частичный возврат теплоты энергетических потерь, источником которых была теплота Qv Но воздух из-за указанного внутреннего теплообмена уже не может вновь воспринять количество теплоты Qx извне. ■

46

вом тепла, воспринятого 1 кг газа в цикле от горячего источника путем внешнего теплообмена. Выше это количество обозначалось Qx кДж/кг. Основной задачей разработки цикла является получение за счет этого теплообмена r[^Q х полезной работы, используемой потре­ бителем. Очевидно, что количество может быть увеличено за счет r\t и Qx. Если внешний нагрев рабочего агента в цикле— изобарный, то заданная температура начала процесса расширения определяет внешний теплообмен Qi по изобаре р 2. Если процесс расширения при­ нят изоэнтропийным, то Qi = Qx, и в цикле не остается процесса, в котором мог бы быть осуществлен дополнительный внешний тепло­ обмен нагрева.

Но, отступая от непрерывного изоэнтропийного процесса расши­ рения и переходя к прерывистому процессу, последовательные сту­ пени которого разделены изобарами, можно эти последние использо­ вать как дополнительные изобары промежуточного внешнего на­ грева сверх изобары р 2■Если суммарное количество такого изобар­ ного внешнего теплообмена обозначим через Qi, то энерговооружен­ ность рабочего агента в цикле будет

Qi = Qi + Qi

и удельная^выработка полезной энергии увеличится. Цикл будет эффективнее, чем при непрерывном изоэнтропийном процессе расши­ рения. Очевидно, пределом повышения эффективности был бы изо­ термический процесс расширения. Его можно было бы назвать про­ цессом предельной энерговооруженности рабочего агента; для этого нужны изотермические турбины, которые пока не разработаны.

Прерывистые изоэнтропийные процессы расширения в ГТУ осу­ ществляются путем дополнительного изобарного нагрева в соответ­ ствующих камерах сгорания, где осуществляется межступенчатый изобарный нагрев частично расширенного рабочего агента.

Далее следует рассмотреть другие процессы цикла и убедиться, что максимальная энерговооруженность используется с наиболее высоким к. п. д. цикла.

Прежде всего устанавливаем, что при изотермическом процессе расширения или в случае приближения к нему (при Т 3ср) повышается температура отработавших в турбине газов, и выбрасывать их в ат­ мосферу — это значит напрасно терять значительную часть восприня­ той от горячего источника тепловой энергии. Если применить иде­ альную регенерацию этой теплоты, то температура нагрева сжатого воздуха окажется чрезвычайно высокой и будет вытеснена большая часть внешнего теплообмена Q(. В случае изотермического процесса расширения Qi — 0, и требуется 100%-ная регенерация теплоты отработавших газов. В этом предельном случае изобарный внешний теплообмен полностью заменяется изотермическим. Указанное обстоя­ тельство может вызвать трудности, связанные с созданием изотерми­ ческих турбин.

Таким образом, нужно констатировать (по крайней мере для дан­ ной стадии развития газотурбостроения) невозможность отказа от адиабатных турбин и наряду с этим целесообразность использо­

47

Если отображенный цикл может казаться излишним в случае простого цикла ГТУ, то при рассмотрении и конструировании слож­ ного цикла он весьма полезен, так как позволяет сделать надежный выбор комбинации простых циклов по самому важному признаку: наибольшей полезной отдаче в поставленных условиях.

Для построения идеального цикла ГТУ, принципиальная тепло­ вая схема которой приведена на рис. 4, прежде всего следует рассчи­ тать параметры характерных точек (обозначены на схеме цифрами). Расчеты производим, исходя из точки 1 по движению газового потока через части оборудования схемы. По мере получения параметров точек наносим их на диаграмму Т — s цикла на рис. 5.

Т о ч к а 1. Задана температура t 1 = 38° С. По таблицам для воздуха [72] соответственно этой температуре определяем остальные параметры рассматриваемой точки. Заносим их в первую строку табл. 3. Точка 1 является началом изоэнтропийного процесса сжатия воздуха 1—2' на рис. 5.

П р и м е ч а я н е. Результаты расчетов тепло- и энергообмена см. в табл. 4.

То ч к а 2'. Известным методом (§3) рассчитываем по таблицам

[72]изоэнтропийный процесс сжатия и получаем параметры его конца — точки 2'. Заносим эти результаты во вторую строку табл. 3. Отношение давлений всего процесса изоэнтропийного сжатия воздуха берем по заданному р 21рг = 16 с разбивкой на две последовательные ступени с одинаковыми отношениями давлений р'/рх = 4. Это зада­ ние служит отправной точкой для расчетов всего процесса сжатия.

То ч к а 2". Конец процесса сжатия в первой ступени (точка 2') лежит на изобаре р' = 4 ед. давл. Здесь прерывается изоэнтропий­

5Q