16.4. Цикл гту с регенерацией теплоты
Газ, прошедший через рабочий орган турбины и отведенный в окружающую среду, имеет более высокую температуру, чем воздух, поступающий в камеру сгорания после сжатия в компрессоре. Это дает возможность усовершенствовать работу установки. Путем использования теплоты уходящих газов для предварительного подогрева воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Процесс этот называется регенерацией.
16.3.1. Цикл гту с подводом теплоты при и регенерацией теплоты
Принципиальная
схема ГТУ с подводом теплоты при
постоянном давлении и цикл с регенерацией
в
-
и
-
диаграммах приведен на рис. 65 и 66.
Рассмотрим процессы цикла: адиабатное сжатие воздуха в компрессоре (1 – 2); после чего поступает в теплообменник, где подогревается уходящими газами при постоянном давлении (2–8).
Подогретый
воздух подается в камеру сгорания;
подогрев рабочего тела продолжается
при постоянном давлении за счет теплоты
,
поступившей от горячего источника
теплоты, т.е. за счет теплоты, выделившейся
при сгорании топлива (8–4).
Затем газ расширяется адиабатно в
газовой турбине (4–5).
Попадает в теплообменник и отдает
теплоту воздуху при постоянном давлении
(5–7).
Дальнейшее изобарное охлаждение 7–1
происходит вне установки за счет передачи
теплоты окружающей среде.
Рисунок 65 – Схема ГТУ с регенерацией и подводом теплоты при постоянном давлении: 1 – камера сгорания; 2 – сопловый клапан; 3 – газовая турбина; 4 – компрессор; 5 – топливный насос; 6 – теплообменник.
υ
Рисунок 66 – Термодинамический цикл ГТУ с регенерацией и с изобарным подводом теплоты.
При
полной регенерации теплоты
и
(пунктирными линиями на рис. 66 показаны
изотермы), поэтому
.
Удельная теплота, подведенная при
наличии регенерации к рабочему телу в
камере сгорания
Количество отводимой теплоты:
Подставляя эти выражения в формулу для термического КПД, получим:
Выразим
температуры в основных точках цикла
через температуру
.
Подставив найденные значения температур в формулу для термического КПД:
Следовательно,
чем выше
и чем ниже
,
тем выше термический КПД цикла.
Однако
действительные теплообменники имеют
конечные размеры. Поэтому теплообмен
с полной регенерацией теплоты
осуществляться не может: воздух в
теплообменнике нагревается лишь до
температуры
,
а газ в том же теплообменнике охлаждается
до температуры
.
Это свидетельствует о том, что в
действительности регенерация не может
быть полной. Ее степень приближения к
полной регенерации оценивается степенью
регенерации,
т.е. отношением фактически регенерированной
теплоты
к предельно возможной (полной)
При
полной регенерации
.
Степень
регенерации увеличивается с увеличением
поверхности нагрева теплообменника.
Однако это приводит к увеличению
габаритов, веса и стоимости установки.
Оптимальная величина
определяется технико-экономическими
расчетами.
Таким
образом, при полной регенерации теплота
с участка 5–7
обратимым путем передается на участке
8–2.
В результате теплота
от внешнего теплоисточника подводится
к рабочему телу при более высокой средней
температуре подвода теплоты, а теплота
отводится к внешнему теплообменнику
при более низкой средней температуре
отвода теплоты.
Следовательно, всякое повышение средней температуры подвода теплоты и всякое понижение температуры отвода теплоты приводит в повышению термического КПД.
Определим
термический КПД цикла с подводом теплоты
при
и неполной регенерацией теплоты
Подставляя
(17) в (20) и учитывая, что
,
найдем
При , данная формула приводится к виду
т.е. приходим к формуле для цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты при отсутствии регенерации.