2.3.2. Изотермический подвод и отвод теплоты.
Э кономичность ГТУ можно повысить, осуществив изотермический подвод и отвод теплоты. Для этого в компрессорах для приближения процесса сжатия к изотермическому применяют многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением. Аналогично в турбинах применяют ступенчатое сгорание с расширением продуктов сгорания в отдельных ступенях турбины. Обычно ГТУ делают с двухступенчатым расширением и трехступенчатым сжатием. На рис.2.3.4 изображена принципиальная схема ГТУ с двухступенчатым сжатием, двухступенчатым расширением и регенерацией теплоты уходящих газов. Здесь КНД - компрессор низкого давления, КВД - компрессор высокого давления, ТВД - турбина высокого давления, ТНД - турбина низкого давления, Г - электрогенератор, КСВД - камера сгорания высокого давления, КСНД - камера сгорания низкого давления.
Рис.2.3.4. Принципиальная схема ГТУ с двухступенчатым
сжатием, двухступенчатым расширением и регенерацией
теплоты уходящих газов.
В оздух последовательно сжимается в отдельных ступенях компрессора и охлаждается в промежуточных холодильниках. Идеальный цикл ГТУ изображен на рис.2.3.5.
Сжатый до высокого давления воздух поступает в первую камеру сгорания, где нагревается до максимальной температуры. После расширения в турбине (процесс 3-4) его температура падает. Отработанный газ поступает во вторую камеру, где опять нагревается. Продукты сгорания расширяются во второй турбине. Цикл с регенерацией теплоты в такой ГТУ приближается к обобщенному регенеративному циклу Карно.
Таким образом, повышение КПД ГТУ состоит в :
- регенерации теплоты;
- многоступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением;
- ступенчатом расширении.
2.3.2. Бинарные циклы. Температуры горения органических топлив достаточно велики, и
используемый температурный интервал в основном ограничен свойствами
конструкционных материалов при высоких температурах. В настоящее
время в стационарных ГТУ достигнуты начальные температуры 1150 С.
КПД цикла Карно при такой температуре и нижней температуре Т= 300 К
составляет 0,74. Термический КПД цикла Брайтона при = 15 и данном перепаде температур при k =1,41 составляет всего
.
В паросиловых установках верхняя температура достигает 540 С, КПД
цикла Карно 0,63, а термический КПД регенеративного цикла Ренкина
н е превосходит 0,45. Невозможность эффективно перекрыть весь освоенный сегодня температурный интервал с помощью одного рабочего тела привела уже более 50 лет назад к выводу, что нужно использовать бинарные и даже тройные циклы с различными рабочими телами в каждом температурном интервале. Бинарный цикл с двумя циклами Ренкина (см. рис.2.3.6) был реализован.
Полезная работа цикла Ренкина на водяном паре (площадь 5-6-7-8-9-5) значительноменьше полезной работы цикла Карно (площадь 5-0-8-9-5). Количество отводимой теплоты (площадь s-5-9-s ) для обоих циклов одинаково. КПД цикла Ренкина
меньше КПД цикла Карно (слагаемое q /l - больше), совершающегося в
пределах тех же температур. Работа цикла Ренкина растет с увеличением температуры кипения (точка 6). Рабочее тело, совершающее цикл 1-2-3-4 должно иметь более высокую температуру кипения при приемлемом давлении. В качестве такой жидкости была выбрана ртуть. Цикл с двумя рабочими телами получил название бинарного.
Н а рис.2.3.7 дана схема бинарной ртутно-водяной установки. Ртутный пар, полученный в котле 1, направляется в ртутную турбину 2, откуда поступает в конденсатор-испаритель 3, где пары ртути конденсируются, а высвобождающееся тепло расходуется на испарение воды. Насыщенный водяной пар из конденсатора-испарителя поступает в пароперегреватель 4, затем в турбину 5 и далее конденсатор 6. Конденсат с помощью насоса подается в конденсатор-испаритель.
Рис.2.3.7. Схема бинарной ртутно-водяной установки
Цикл, совершаемый ртутью, 1-2-3-4-1 (см. рис.2.3.6). Точка 1 характеризует состояние ртути при поступлении ее в ртутный котел. Процесс 1-2 - нагрев ртути до температуры кипения (точка 2). Давление, соответствующее кипению, выбирают исходя из наибольшей допустимой температуры (давление 1 МПа соответствует температуре кипения 515 С). Линия 2-3 изображает процесс парообразования в котле. Линия 3-4 – адиабатное расширение ртутного пара в паровой ртутной турбине,
4-1 - процесс конденсации отработанного пара в конденсаторе 8 испарителе. Выбор точки ; зависит от давления второго рабочего тела - воды. Ртутно - водяной бинарный цикл был реализован, но установки не получили развития из-за технических трудностей.
Найдем КПД бинарной установки , в которой подвод теплоты в
нижнюю
часть цикла
осуществляется
только за счет всей теплоты,
отводимой
из его верхней части
,
т.е.
.
По определению
,
,
а
.
Следовательно,
,
или
,
(2.3.6)
Здесь 1 , 2 - термические КПД верхней и нижней части бинарного цикла.
В настоящее время начинают широко распространяться бинарныециклы, у которых в верхней части температурного интервала используется газотурбинный цикл Брайтона, а в нижней - пароводяной цикл Ренкина. Такие установки получили название парогазовых (ПГУ). ПГУ обеспечивают значительное повышение КПД, достаточно технологичны и дешевы. Если принять для и лучшие, достигнутые сегодня значения
( 1 = 0,34, 2 = 0,38),то КПД бинарного цикла = 0,59. В действительности при сочетании двух циклов возникают дополнительные потери.
В результате КПД бинарной установки достигает 0,5-0,51.
В качестве верхней ступени цикла предлагались другие варианты:
термоэмиссионная надстройка, МГД генератор. Оба этих варианта позволяют, в принципе, повысить верхнюю температуру цикла по сравнению
с ГТУ. Однако по техническим и технологическим причинам эти над-
стройки не были отработаны.