методичка по курсовому проекту - термодинамика. Методические указания к курсовой работе для студентов всех форм обучения направления 13. 03. 01 Теплоэнергетика и теплотехника

• Название: Методические указания к курсовой работе для студентов всех форм обучения направления 13. 03. 01 Теплоэнергетика и теплотехника
• Дата: 26.05.2022
• Размер: 2.46 Mb.
• Имя файла: методичка по курсовому проекту - термодинамика.doc
• Тип: Методические указания; #551861
• страница: 1 из 5

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Уральский энергетический институт

Кафедра теплоэнергетики и теплотехники
Термодинамический расчет циклов тепловых двигателей. Расчет циклов газотурбинных установок (ГТУ).

Методические указания к курсовой работе

для студентов всех форм обучения

направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»

Екатеринбург 2021

Цель работы

Применить основные законы и понятия термодинамики к расчету одного из циклов тепловых двигателей – циклу газотурбинной установки (ГТУ). Проанализировать влияние потерь энергии и регенерации теплоты на КПД цикла ГТУ.

Задание

ГТУ мощностью N работает на природном газе с теплотворной способностью Q_н^р. Воздух на входе в компрессор имеет температуру t₁ и давление p₁. Продукты сгорания на входе в турбину имеют температуру t₃. Степень повышения давления в компрессоре .

Рабочее тело считать идеальным газом, обладающим свойствами воздуха. Теплоемкости определять по классической теории без учета влияния температуры.
Рассчитать циклы ГТУ по указанию преподавателя.
Определить для каждого цикла:

1. 
   Параметры рабочего тела (p, T, v) в узловых точках цикла (свести их в таблицу).
   
2. 
   Удельную работу компрессора и турбины, удельное количество подведенной и отведенной теплоты.
   
3. 
   Полезную работу цикла, термический КПД цикла.
   
4. 
   Расходы рабочего тела и топлива.
   

Изобразить схемы установок и циклы в (p-v), (T-s) диаграммах в масштабе.
Сделать выводы, сравнив термические КПД, расходы рабочего тела и топлива в рассчитанных циклах.

Данные для расчета задаются преподавателем индивидуально.
1. АНАЛИЗ ЦИКЛОВ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из воздушного компрессора К, камеры сгорания КС, газовой турбины ГТ (см. рис. 1.1). На одном валу с газовой турбиной находится также топливный насос ТН для подачи мазута или топливный компрессор ТК для подачи природного газа и электрогенератор ЭГ (если ГТУ используется для выработки электроэнергии) или другая нагрузка. Сжатый в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо. Сгорание происходит при p = const. Из камеры сгорания газы поступают через сопла на рабочие лопатки газовой турбины и приводят во вращение ее ротор. Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.

Рис. 1.1. Схема ГТУ с подводом теплоты при p = const
На рис. 1.2 представлен теоретический цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const. Цикл состоит из двух адиабат и двух изобар и характеризуется степенью повышения давления .

Рис. 1.2. Цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const:

1–2 – адиабатное сжатие рабочего тела;

2–3 – изобарный подвод теплоты (горение топлива);

3–4 – адиабатное расширение;

4–1 – изобарный отвод теплоты (с выхлопом продуктов сгорания в окружающую среду)
Количество подведенной в процессе 2–3 удельной теплоты (см. рис. 1.2) находится как

, (1.1)

а количество отведенной в процессе 4–1 удельной теплоты –

. (1.2)

Удельная работа, производимая турбиной:

. (1.3)

Удельная работа, затрачиваемая на привод компрессора:

. (1.4)

Удельная полезная работа цикла

. (1.5)

Термический КПД цикла можно найти по определению, рассчитав долю подводимой теплоты, преобразованной в полезную работу:

, (1.6)

или по характеристикам цикла:

(1.7)

Зная мощность установки N и теплотворность топлива , можно найти расходы рабочего тела и топлива В_т:

; (1.8)

. (1.9)
Одним из способов увеличения термического КПД газотурбинной установки является регенерация теплоты, при которой часть теплоты, отводимой с продуктами сгорания, используется в регенераторе (теплообменном аппарате ТА) для нагрева воздуха перед камерой сгорания (см. рис. 1.3).

Эффективность передачи теплоты от продуктов сгорания к воздуху оценивается степенью регенерации σ

. (1.10)

Случай, когда температура воздуха на выходе из регенератора равна температуре поступающих туда горячих продуктов сгорания ( ), а температура продуктов сгорания, покидающих регенератор, равна температуре подаваемого туда холодного воздуха , является предельно возможной регенерацией теплоты (рис. 1.3). В этом случае удельные количества подводимой и отводимой теплоты будут определяться выражениями

; (1.11)

. (1.12)



Рис. 1.3. Схема установки и цикл ГТУ с подводом теплоты

при p = const и с регенерацией теплоты
Зная степень регенерации σ, которая определяется экспериментально, а также рассчитав значения температур T₂ и T₄ из анализа теоретического цикла, можно найти реальные температуры воздуха и продуктов сгорания после регенератора. Удельные количества подводимой и отводимой теплоты будут считаться по тем же формулам, с заменой T_а и T_b на T_а' и T_b́.

Реальные (действительные) процессы в турбине и компрессоре являются необратимыми и, в соответствии со вторым законом термодинамики, идут с возрастанием энтропии (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Действительный цикл ГТУ
Потери из-за необратимости процессов сжатия в компрессоре и расширения в турбине оцениваются значениями внутренних относительных КПД компрессора

(1.13)

и турбины

, (1.14)

где действительные работы турбины и компрессора

; (1.15)

, (1.16)

а теоретические работы компрессора l_к и турбины l_т рассчитываются по формулам (1.3) и (1.4). Зная значения и , можно найти температуры Т_2д и Т_4д.
Газотурбинная установка с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением рабочего тела и с регенерацией теплоты изображена на рис. 1.5. Воздух сжимается в 1-ой ступени компрессора, затем охлаждается в теплообменном аппарате – охладителе, вследствие чего его температура понижается. Затем воздух сжимается во второй ступени компрессора. Сжатый в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо. Сгорание происходит при p = const.

Из камеры сгорания газы поступают через сопла на рабочие лопатки первой ступени газовой турбины и приводят во вращение ее ротор. Затем к газам подводится дополнительное количество теплоты во второй камере сгорания, за счет чего их температура повышается. После этого газы поступают во вторую ступень турбины.

Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.

На рис. 1.6 представлен теоретический цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением рабочего тела и с регенерацией теплоты. Степени повышения давления в обеих ступенях компрессора и степени понижения давления в обеих ступенях турбинах одинаковы. Охлаждение воздуха после первой ступени компрессора производится до температуры, равной . Температура газов перед обеими ступенями турбинами одинакова и равна t_max.

Рис. 1.5. Схема ГТУ с с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением рабочего тела и с регенерацией теплоты



Рис. 1.6. Цикл ГТУ с с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением рабочего тела и с регенерацией теплоты:

1–2, 3- 4 – адиабатное сжатие рабочего тела в ступенях компрессора;

2–3 – изобарное охлаждение воздуха в теплообменнике-охладителе;

4- а – подвод теплоты в регенераторе;

а - 5 – подвод теплоты в основной камере сгорания;

5-6, 7-8 - адиабатное расширение в ступенях турбины;

6–7 – подвод теплоты в дополнительной камере сгорания;

8–1 – изобарный отвод теплоты (с выхлопом продуктов сгорания в окружающую среду).
При расчете всех циклов ГТУ считаем, что рабочее тело обладает свойствами воздуха. Теплоемкости находятся по молекулярно-кинетической теории.