Компрессор; 2 – воздушный регенератор-теплообменник ; 3 – камера сгорания; 4 – турбина

Термодинамический цикл ГТУ со сгоранием топлива при и регенерацией теплоты (рис. 12.4) состоит из следующих процессов: 1-2 – процесс сжатия воздуха в компрессоре; 2-5 – изобарный подогрев воздуха в регенераторе; 5-3 – изобарный процесс подвода теплоты в камере сгорания топлива; 3-4 – адиабатное расширение газов в турбине; 4-6 – изобарное охлаждение рабочего тела в регенераторе; 6-1 – изобарная отдача рабочим телом теплоты окружающему воздуху.

На sT-диаграмме (рис.12.4,б) теплота, отдаваемая продуктами сгорания на участке изобары 4-6 (пл.с64dc), подводится в регенераторе к сжатому воздуху на участке изобары 2-5. Регенерация будет полной, если охлаждение продуктов сгорания в регенераторе-теплообменнике происходит до температуры воздуха, то есть от , до . При этом количество теплоты, воспринятое воздухом от регенератора, равно количеству теплоты, отдаваемому в нем продуктами сгорания:

.

При имеем: .

Термический КПД при полной регенерации определяется выражением:

.

Количество подведенной теплоты в цикле с полной регенерацией:

. (12.5)

Количество отводимой теплоты в цикле с полной регенерацией:

. (12.6)

Тогда

. (12.7)

Согласно уравнениям, приведенным в таблице 12.1, имеем:

.

а	б

Рис.12.4. Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты

при и регенерацией теплоты:

а - в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме.

Термический КПД с полной регенерацией:

. (12.8)

Из выражения (12.8 ) видно, что термический КПД ГТУ с изобарным подводом теплоты с полной регенерацией теплоты и адиабатным сжатием воздуха в компрессоре зависит от температуры газа в конце адиабатного расширения и начальной температуры газа . Чем выше и чем ниже , тем выше .

13 Циклы паросиловых установок

Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (ПСУ). Принципиальная схема простейшей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, показана на рис. 13.1, теоретический цикл – на рис. 13.2. Вода, поступающая в котел 1 (т.3), в объеме которого поддерживается постоянное давление, нагревается за счет теплоты, получаемой при сжигании топлива в топке (процесс 3-4) и достигает температуры насыщения Т_нпри заданном давлении .

Рис. 13.1. Принципиальная схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина:

а – с насыщенным паром; б - с перегретым паром;

1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина; 4 – электрогенератор;

5 – конденсатор; 6 – насос.

а – в - координатах; б – в - координатах.

При осуществлении цикла Ренкина с сухим насыщенным паром адиабатное расширение пара осуществляется после достижения состояния, характеризуемого т.5 (сухой насыщенный пар). Т.е. процесс расширения в данном случае - 5-d.

Для ПСУ в заданном температурном интервале термодинамически наиболее выгодным циклом также мог бы быть цикл Карно (цикл с45d). В цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе 2-3 осуществляется неполностью, поэтому в адиабатном процессе 3-4 сжимается не вода, а влажный пар, который имеет относительно большой объем. Сжатие пара связано с наличием специального компрессора и затратой относительно большой работы на сжатие (пл. с4 ). Кроме того, затрата работы на сжатие увеличивается при повышении начальных параметров пара и или уменьшении конечных параметров и . При работе во влажном паре происходит механический износ лопаток последних ступеней турбины и компрессора каплями воды. По этим причинам цикл Карно практически не применяется в паросиловых установках и сохраняет лишь теоретическое значение как эталонный цикл, имеющий в заданном температурном интервале максимальный термический КПД.

В рассмотренном выше цикле Ренкина осуществляется полная конденсация пара с последующим адиабатным сжатием 2¢-3 конденсата в насосе, что значительно уменьшает работу на адиабатное сжатие (пл. 2¢3 ). Термический КПД цикла Ренкина может быть вычислен по общему выражению:

. (13.1)

Теплота сообщается на участках 3-4-5-1 (рис 13.2) при постоянном давлении и ее можно определить как разность энтальпий конечной (точка 1) и начальной (точка 3) точек процесса:

. (13.2)

Отвод теплоты происходит в конденсаторе по изобаре 2-2¢, следовательно,

. (13.3)

Подставив выражения (13.2) и (13.3) в выражение (13.1), получим:

. (13.4)

Полезная работа цикла равна разности работы паровой турбины и работы, затраченной на привод насоса:

.

Работа паровой турбины равна уменьшению энтальпии в процессе 1-2:

.

При адиабатном сжатии воды в насосе и подаче ее в котел затрачивается работа:

,

Тогда

.

Обычно величиной работы насоса, вследствие ее малости по сравнению с работой турбины, пренебрегают, тогда и выражение (13.4) принимает вид:

. (13.5)

14 Обратные термодинамические циклы

Холодильный цикл – обратный круговой процесс, предназначенный для передачи теплоты от тел менее нагретых к телам более нагретым при помощи холодильных установок или тепловых насосов. Для охлаждения можно применять воздушную или паровую компрессорные холодильные установки.