Файл: Otvety_po_termodinamiki_ekzamen.pdf

35. Цикл газовой турбины 

Газотурбинные  установки  относятся  к  числу  двигателей  внутреннего 

сгорания.  Газ,  получившийся  в  результате  сгорания  топлива  в  камере 

сгорания,  направляется  на  турбину.  Продукты  сгорания,  расширяясь  в 

сопловом  аппарате  и  на  рабочих  лопатках  турбины,  производят  на  колесе 

турбины механическую работу. 
         

ГТУ по сравнению с поршневыми двигателями обладают целым рядом 

преимуществ: 

1)

простота силовой установки; 

2)

отсутствие поступательно движущихся частей, что позволяет повысить 

механическийк.п.д.; 

3)

получение  больших  чисел  оборотов,  что  позволяет  существенно 

снизить вес и габариты установки; 

4)

осуществление  цикла  с  полным  расширением  и  тем  самым  большим 

термическим к.п.д. 

Эти  преимущества  ГТУ  способствовали  ее  распространению  во 

многих отраслях техники и особенно в авиации. 

В  основе  работы  ГТУ  лежат  идеальные  циклы,  состоящие  из 

простейших термодинамических процессов. Термодинамическое изучение 

этих  циклов  базируется  на  предположениях  аналогичных  тем,  которые 

были  сделаны  в  предыдущем  разделе  (циклы  ДВС),  а  именно:  циклы 

обратимы, подвод теплоты происходит без изменения химического состава 

рабочего  тела  цикла,  отвод  теплоты  предполагается  обратимым, 

гидравлические  и  тепловые  потери  отсутствуют,  рабочее  тело 

представляет собой идеальный газ с постоянной теплоемкостью. 

К числе возможных идеальных циклов ГТУ относят: 

а) цикл  с  подводом  теплоты  при  постоянном  давлении  (р = const)  -  цикл 

Брайтона; 

б) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const); 

в) цикл с регенерацией теплоты. 
         

Во всех циклах ГТУ отвод теплоты при наличии полного расширения в 

турбине происходит при постоянном давлении. 
         

Из-за  сложной  конструкции  камеры  сгорания  цикл  ГТУ  с  изохорным 

подводом теплоты применяется крайне редко даже несмотря на то, что имеет 

повышенный  КПД  по  сравнению  с  циклом  Брайтона. Из  перечисленных 

циклов  наибольшее  применение  получил цикл  с  подводом  теплоты 

при р = const, поэтому далее подробно его рассмотрим. 
  

Схема и цикл ГТУ с подводом теплоты при p=const 

(цикл Брайтона) 

Обратимый цикл ГТУ при p=const называется циклом Брайтона. Схема 

ГТУ  представлена  на  рис.  10.  Компрессор  (ВК)  ,  приводимый  в  движение 

газовой  турбиной  (ГТ),  подает  сжатый  воздух  в  камеру  сгорания  (КС),  в 

которую  впрыскивается  жидкое  топливо,  подаваемое  насосом  (ТН), 

находящимся на валу турбины. Продукты сгорания расширяются на рабочих 

лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу. 

Рис. 10. Схема ГТУ (ВК – воздушный компрессор, 

ТН – топливный насос, КС – камера сгорания, 

ГТ – газовая турбина, ЭГ – электрогенератор) 

Изобразим цикл на рабочей и тепловой диаграмме (рис.11). 

Характеристиками этого цикла являются: 

степень повышения давления воздуха

(или степень сжатия 

) 

степень предварительного расширения 

. 

При  расчете  цикла  определяют  параметры  в  характерных  точках.  Как 

правило, исходными данными являются параметры в точке 1:

. 

Рис. 11. Цикл Брайтона. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы. 

(1-2 – 

адиабатное сжатие в компрессоре, 

2-3 –  

изобарный подвод теплоты в камере сгорания, 

3-4 – 

адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках газовой турбины, 

4-1 – 

изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в атмосферу) 

Расчет параметров в характерных точках цикла 

Процесс 1-2: 
Из уравнения адиабаты в виде

определяем 

, 

в виде T

1

v

1

k-1

=T

2

v

2

k-1

определяем 

Процесс 2-3: 

Процесс 4-1: 

Энергетические характеристики цикла 

Количество подведенной за цикл теплоты: 

Количество отведенной за цикл теплоты: 

Цикловая работа: 

Тогда термический КПД этого цикла: 

Запишем уравнение адиабаты в следующей форме: 

Отсюда степень повышения давления в компрессоре равна 

, а 

степень сжатия 

Тогда  

Из  формулы следует,  что термический КПД ГТУ  при данном рабочем 

теле  и  постоянном  значении k зависит  только  от  степени  повышения 

давления в компрессоре, причем с ростом π

k

термический КПД цикла растет. 

36. Первичные источники энергии. ВЭР. Классификация. Повышение 

потенциала ВЭР. Примеры использования ВЭР. 

Первичная  энергия  —  форма  энергии  в  природе,  которая  не  была 
подвергнута  процессу  искусственного  преобразования.  Первичная  энергия 
может  быть  получена  из  невозобновляемых  или  возобновляемых 
источников энергии. 

Концепция  первичной  энергии  используется  в  энергетической  статистике  в 
компиляции  энергетических  балансов,  а  также  как  определение  в 
энергетике.  В  энергетике,  источник  первичной  энергии  (PES)  относится  к 
форме  энергии,  которая  требуется  энергетическому  сектору  для 
преобразования  и  совершения  последующей  поставки  полученных 
энергоносителей в целях их использования человеческим обществом. 

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) 

Отходы производства и потребления, используемые повторно, с выделением 
тепловой и/или электрической энергии. 

Необходимость  использования  ВЭР  объясняется  тем,  что  коэффициент 
полезного  использования  (КПИ)  энергоресурсов  –  главный  показатель 
эффективности  производства  –  не  достигает  40%,  что  свидетельствует  о 
существовании  больших  ресурсов  экономики.  Утилизация  ВЭР  позволяет 
получить  большую  экономию  топлива  и  существенно  снизить  капитальные 
затраты на создание соответствующих энергосберегающих установок. 

На  современных  нефтеперерабатывающих  заводах  в  процессе  тепловой 
переработки  затрачивается  до  12%  нефти,  теплота,  от  сжигания  которой 

рассеивается  в  атмосфере,  т.е.  теряется  безвозвратно.  Велики  тепловые 
потери  и  на  газокомпрессорных  станциях  магистральных  газопроводов. 
Большие  количества  топлива  потребляет  и  химическая  промышленность,  а 
также производство строительных материалов: цемента, керамики, кирпича, 
стекла, железобетонных изделий и т.п.; потери теплоты в них достигают 40 – 
50%. 

Значительное  количество  теплоты  (более  70%)  рассеивается  с  выхлопными 
газами,  имеющими  температуру  270  —  400°С,  газотугосударствоминных 
установок (ГТУ), на компрессорных станциях магистрального газопровода. 

Теплота  отработанных  газов  двигателей  внутреннего  сгорания  (ДВС)  может 
быть  использована  для  отопления  транспортных  средств.  Эти  задачи 
решаются с помощью теплообменников на тепловых трубах. 

Применительно к ВЭР вводятся следующие термины и понятия; 

Общие  энергетические  отходы  –  это  энергетический  потенциал  всех 
материальных  потоков  на  выходе  из  технологического  агрегата  (установки, 
аппарата) и все потери энергии в агрегате. 

Общие энергетические отходы подразделяются на три потока: 

1) неизбежные потери энергии в технологическом агрегате; 

2)  энергетические  отходы  внутреннего  использования  –  энергетические 
отходы,  которые  возвращаются  обратно  в  технологический  агрегат  за  счет 
регенерации и рециркуляции; 

3) энергетические отходы внешнего использования – энергетические отходы, 
представляющие собой вторичные энергетические ресурсы. 

Различают ВЭР: горючие, тепловые и избыточного давления. 

Горючие ВЭР – это горючие газы и отходы одного производства, 

которые могут быть применены непосредственно в виде топлива в 

других производствах. Это доменный газ – металлургия; щепа, опилки, 

стружка – деревообрабатывающая промышленность; твердые, 

жидкие, промышленные отходы в химической и 

нефтегазоперерабатывающей промышленности и т.д. 

ВЭР избыточного давления – это потенциальная энергия 

покидающих установку газов, воды, пара с повышенным давлением, 

которая может быть еще использована перед выбросом в атмосферу.