Регенерация тепла

Регенерация тепла в теплосиловой установке является одним из

эффективных методов повышения КПД и уменьшения расхода топлива на единицу произведенной работы. Сущность регенерации состоит в том,

что начиная с некоторой температуры Т тепло продуктов сгорания можно передавать исходным веществам: топливу и окислителю, нагревая их до этой температуры. При неизменной массе рабочего тела температура горения возрастает. Продукты сгорания отдают тепло в более широком интервале температур, что ведет к росту установки. Однако практическое применение этого метода наталкивается на диссоциацию продуктов сгорания и на температурную стойкость материалов. В паросиловых установках теоретическая температура горения не реализуется. Топка котла экранирована и тепло интенсивно отводится от горящего топлива. Процесс горения не является адиабатическим. Регенеративный подогрев воздуха,

направляемого на горение, невелик и применяется не столько для повышения температуры в топке, сколько для улучшения условий воспламенения. Передача тепла питательной воде в результате отбора части пара, поступающего в турбину, реализуется в цикле Ренкина с регенерацией и, ведет к увеличению КПД.

В газотурбинных установках (ГТУ) камера сгорания адиабатна, а

температура продуктов сгорания, поступающих в турбину, ограничена

прочностными свойствами материалов. Однако, увеличение температуры

может быть скомпенсировано увеличением подачи воздуха, используемого в качестве окислителя. Рост массы рабочего тела на единицу сжигаемого топлива, как увидим ниже, ведет к росту КПД установки.

В паросиловой установке повышение КПД за счет регенерации происходит следующим образом. Часть пара a,поступающего в турбину, отбирается при некотором промежуточном давлении р₀ (p₁ > p₀ > p₂) и

направляется в подогреватель, куда одновременно подается конденсат.

Полезная работа в расчете на 1 кг пара в регенеративном цикле

,

или

. (2.3.1)

Полученную работу нужно сопоставить с количеством теплоты, затрачиваемой на получение 1 кг пара. Пренебрегая повышением температуры

при сжатии в питательном насосе, можно записать, что

,

где энтальпия питательной воды при регенерации

,

откуда,

. (2.3.2)

Из формулы (2.3.1) видно, что удельная полезная работа пара в регенеративном цикле меньше, чем в обычном цикле Ренкина. При сохранении

прежней мощности нужно увеличивать расход пара на единицу мощности.

Одновременно (см. формулу (2.3.2)) уменьшается расход теплоты, идущей

на нагревание, причем быстрее, т.к. . В результате термический КПД цикла Ренкина с регенерацией

.

возрастает:

.

На практике применяются регенеративные циклы с многократными отборами пара, т.к. КПД цикла растет с увеличением числа отборов.

При двух отборах, характеризующихся долями a₁, a₂ и энтальпиями

h₀₁ и h₀₂ термический КПД цикла

.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу: как изменится

термический КПД установки, работающей по циклу Ренкина на перегретом паре Т = 773 К и р = 10 МПа, если сначала пар в турбине полностью расширяется до р = 0,05 МПа, а во втором случае расширение идет двумя частичными отборами пара из проточной части турбины для регенеративного подогрева питательной воды? Первый отбор a₁ = 0,1 кг/кг при

h₀₁ = 2800 кДж/кг, второй a₂ = 0,1 кг/кг при h₀₂ = 2600кДж/кг.

Решение. По h,s диаграмме находим h₁ = 3375 кДж/кг, h₂ = 2300

кДж/кг. Из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара

(состояние насыщения) находим h_2’ = 340 кДж/кг. В первом случае

.

Во втором случае работа цикла

l = 3375 - 2300 - 0,1(2800-2300) - 0,1(2600-2300) = 995 кДж/кг,

а подведенная теплота

q₁ = 3375-340 - 0,1(2800-340) - 0,1(2600-340) = 2563 кДж/кг.

Термический КПД

.

В ГТУ со сгоранием топлива при p=const.(см.рис.2.3.1). Воздух поступает в компрессор (1), где сжимается до требуемого давления и подается в камеру сгорания (2). Сюда же подается топливо. Продукты

сгорания поступают в турбину (3), где расширяясь производят работу. Турбина, компрессор и электрогенератор (4) находятся на одной оси. Часть работы турбины тратиться на привод компрессора, другая часть идет на вращение электрогенератора.

Теоретический цикл изображен на рис.2.3.2 и носит название цикла Брайтона. Сжатие воздуха в компрессоре происходит по адиабате 1-2, затем на участке 2-3 подводится тепло в результате сгорания топлива в камере сгорания. Далее рабочее тело по адиабате расширяется в сопле и отдает работу турбинному колесу (3-4).

В случае использования стандартного топлива можно считать, что в процессе сжатия и расширения участвует один и тот же идеальный газ. КПД установки зависит от одного параметра b - степени повышения давления в процессе сжатия:

. (2.3.3)

Формулу (2.3.3) можно записать в виде

, (2.3.4)

если принять во внимание, что при адиабатном сжатии температура воздуха после компрессора , где Т₁ - температура наружного воздуха, k = 1,41 - постоянная адиабаты для воздуха.

Когда температура отработавших продуктов сгорания , то используется регенерация (см. рис.2.3.3).. Воздух после сжатия в компрессоре 1 поступает в регенератор 4, где нагревается за счет тепла продуктов сгорания, и затем поступает в камеру сгорания 3 совместно с топливом. При регенерации отобранное тепло (см. рис.2.3.4 площадь 54875) передается сжатому воздуху (площадь 926109). Максимальная температура Т₆, до которой можно нагреть воздух, очевидно равна температуре Т₄ продуктов сгорания после турбины (предельная регенерация). Считая теплоемкости продуктов сгорания и воздуха одинаковыми, из уравнения теплового баланса для регенератора находим, что

.

Когда Т₆ = Т₄, отсюда следует, что Т₂ = Т₅. Термический КПД установки с предельной регенерацией

. (2.3.5)

Сравнивая формулу (2.3.5) с (2.3.4) видим, что КПД установки вырос.

Таким образом, при использовании органических топлив КПД установки, т.е. эффективность использования исходного топлива, может быть повышена за счет правильного применения регенерации.

Дата добавления: 2015-06-27