Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

141

і Q

— температура й тепловий потік генератора; T

і Q

—

абсорбера; Тс і Qc — конденсатора; Q

і Т

— випарника.

Узагальнена діаграма р-Т-х.

Абсорбційний тепловий насос - це просто теплова машина, об'єднана з

тепловим насосом; його характерні температури указані на рис. При цьому

Реальні цикли в деяких відносинах відрізняються від описаного, тому

що пари хладоагента й розчинника спеціально підбираються із сильною

взаємною спорідненістю. Вимоги до властивостей робочих тіл такі:

1) значна спорідненість для одержання великих змін концентрацій у

розчинах;

2) високе значення летючості для підвищення ККД генератора;

3) помірний робочий тиск, що визначає тиск парів

хладоагента;

4) хімічна стабільність для запобігання розкладання в генераторі.

Абсорбційний цикл широко застосовується для кондиціювання повітря й

охолодження із двома парами хладоагент - розчинник: аміак - вода й вода -

бромистий літій. Обидві пари речовин мають ряд переваг, але при

використанні в теплових насосах також і істотні недоліки, зазначені нижче:

Аміак - вода

1. Оскільки

як аміак, так і вода дають пару в генераторі, потрібно

рефлюкс-конденсатор для поділу потоків.

2. Аміак дає пару занадто високого тиску (близько 2 МПа при 50°С).

3. Пари аміаку помітно токсичні, що вимагає певних заходів безпеки.

4. Аміак викликає корозію міді, і її не можна застосовувати в

теплообмінній апаратурі.

Вода - бромистий літій

1. Ефективність циклу обмежується початком кристалізації, що визначає

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

142

досяжну концентрацію.

2. Вода як хладоагент має дуже низький тиск пари, тому весь цикл

проходить при тиску нижче атмосферного.

3. Вода замерзає при 0° С, тому випарник не може працювати при

більше низьких температурах. Це виключає застосування абсорбційного

теплового насоса при використанні низькопотенційного тепла повітря.

Досліджено багато інших комбінацій, серед яких виявилися

перспективними

хладоагенти R21 або R22 з органічними розчинниками.

Недоліком фторвуглецевих хладоагентів є більш низька стабільність при

високих температурах генератора. Вони схильні до розкладання.

Термоелектричний тепловий насос

Термоелектричний тепловий насос, або Пельтьє-тип теплового насоса,

досить відомий. Він знайшов одне або два застосування, де добре

задовольняє пред'явленим вимогам.

Нагрівання й охолодження спаїв між різнорідними матеріалами

викликають протікання електричного струму. Зворотний ефект полягає в

тому, що проходження електричного струму через такі спаї викликає потік

тепла. Елементарний термоелектричний тепловий

насос виходить при

з'єднанні напівпровідників р- і n-типу, як показано на рис. У цьому випадку

протікання струму в зазначеному напрямку викликає потік тепла від спаю n/p

до електродів, що підводять струм.

Тепловий потік пов'язаний з коефіцієнтом Зеєбека S. Цей показник

залежить від температури, тому матеріали повинні бути обрані відповідно до

робочого інтервалу температур.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

143

Схема термоелектричного елемента.

Тепловий баланс одного плеча теплового насоса

Чотири члени праворуч відображають відповідно термоелектричний

теплонасосний ефект, джоулеве нагрівання напівпровідника, потік тепла за

рахунок теплопровідності від гарячого спаю до холодного й джоулеве

нагрівання спаю. Відзначимо, що якщо зневажити останнім членом, то для

заданих I і L/A величина Q не залежить від розмірів пристрою. Це дозволяє

реалізувати його мініатюризацію до розмірів у кілька

міліметрів.

Реальні теплові насоси збираються з великої кількості елементів,

з'єднаних послідовно, а в тепловому відношенні як послідовно, так і

паралельно, звідки виникають проблеми одночасного одержання теплового

контакту й електричної ізоляції з'єднання.

Незважаючи на проблеми пошуку недорогих і ефективних

напівпровідникових матеріалів і їхнього ретельного складання, ці пристрої

знайшли декілька застосувань

, у яких значення КОП близькі до досягнутого

в абсорбційному циклі.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

144

Лекція №16

Основні термодинамічні циклі установок для спалювання газу, нафти

та вугілля. Цикли з регенерацією та рекуперацією.

Цикли газотурбінних установок

Принцип роботи газотурбінної установки

Рис. 1

Принципова схема газотурбінної установки показана на рис. 1.

Зовнішнє повітря, засмоктуване турбокомпресором, стискається в ньому до

тиску

і подається в камеру згоряння. У камеру згоряння впорскується рідке

паливо, що, згоряючи, утворюєть газоподібні продукти згоряння високої

температури. Потім продукти згоряння надходять у газову турбіну, де

розширюються до атмосферного тиску. Випуск газів, що відпрацювали, з

турбіни провадиться в зовнішнє середовище.

Конструктивне оформлення газотурбінної установки дозволяє здійснити

повне розширення газів

у турбіні, тобто довести тиск наприкінці розширення

до зовнішнього тиску. Повне розширення, як це буде показано нижче,

збільшує термічний ККД.

Газотурбінна установка працює по розімкнутому процесу: із

зовнішнього середовища засмоктується повітря й у зовнішнє середовище

надходить газ, що відпрацював у турбіні.

Уведемо ряд спрощень:

 процеси стиску й розширення будемо вважати оборотними адіабатами,

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

145

 згоряння палива замінимо оборотним підведенням теплоти,

 випуск гарячих газів з турбіни - оборотним відводом теплоти,

 робочим тілом є ідеальний газ.

Залежно від того, як організоване спалювання палива в камері згоряння,

газотурбінні установки розділяють на установки з

ізобарним і ізохорним

підведенням теплоти.

Цикл газотурбінної установки з ізобарним підведенням теплоти

Рис. 2

На рис. 2, а, б показаний у координатах

pv і Ts цикл газотурбінної

установки з ізобарним підведенням теплоти. Процес стиску в компресорі

зображується відрізком адіабати 1-2. По ізобарі 2-3 підводить теплота

а по

ізобарі 4-1 приділяється теплота

Адіабатному розширенню в газовій

турбіні відповідає ділянка 3-4 циклу.

Площа

а21b дорівнює роботі l

, затрачуваної на стиск в адіабатному

компресорі. Pабота, споживана адіабатним компресором,

iil

−

Площа

а34b виражає питому роботу, одержувану від турбіни, рівну

iil

−=

. Питома робота, одержувана від ідеальної газотурбінної

установки

lll

−

Питома теплота, підведена до робочого тіла, що здійснює цикл,

()

23231

iiTTcq

−=

−

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

146

Питома теплота, відведена від циклу,

()

14142

iiTTcq

−=

−

Термічний ККД газотурбінної установки з ізобарним підведенням

теплоти визначається по формулі

Для адіабатних процесів стиску й розширення можна написати

де

ε – ступінь стиску, рівна

/ vv

; відношення

/ pp

називають

ступенем підвищення тиску в компресорі,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

У розглянутому циклі

= р

і р

= р

. Отже,

3421

// vvvv ==

або

2314

// vvvv =

У той же час для ізобарних процесів можна написати

1414

// TTvv

2323

// TTvv =

. Із установлених відношень витікає:

Підставляючи (3) в (1) маємо

Тому що з (2)

()

−

−−

λε

те

Таким чином, термічний ККД циклу ідеальної газотурбінної установки з

ізобарним підведенням теплоти збігається з термічним ККД циклу ідеального

(

)

(

)

231412

/1/1 TTTTqq

−

−=

(1)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(2)

(3)

11/11

−=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−−=

(4)

−

−=−=

(5)

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

147

двигуна внутрішнього згоряння з ізохорним підведенням теплоти при

однаковому ступені стиску. Якщо ж прийняти однакові значення р

і Т

, то

найвигіднішим виявляється цикл газотурбінної.

Цикл газотурбінної установки з ізобарним підведенням теплоти

і регенерацією

Максимальна температура циклу газотурбінної установки, а отже

ступінь стиску ε, обмежені тією температурою, при якій можуть досить

тривалий час працювати лопатки газових турбін. Тим самим обмежуються й

досяжні значення термічного ККД газотурбінної установки. З метою

підвищення термічного ККД газотурбінної установки застосовують

регенеративні пристрої.

Рис. 3

На рис. 3 показана принципова схема такого роду газотурбінної

установки з ізобарним підведенням теплоти. Регенерація полягає в тому, що

гази у турбіні, що відпрацювали, використовуються на підігрів повітря, що

надходить із компресора в камеру згоряння. Ізобари р

і р

відводи й

підведення теплоти в циклі газотурбінної установки на діаграмі Ts є

еквідистантними кривими. Якщо в зазначених ізобар є відрізки, розташовані

між ізотермами, що перетинають обидві ізобари, то на цих ділянках ізобар

можливо організувати регенерацію теплоти.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

148

На рис. 4 показаний у координатах pv і Ts цикл газотурбінної

установки з повною регенерацією теплоти. Як видно з діаграми Ts, питома

теплота, що підводиться на ділянці 2-4' ізобари р

, дорівнює питомій теплоті,

що відводиться на ділянці 2'-4 ізобари р

. Ці кількості теплоти (позначені q

)

не тільки рівні один одному, але, що особливо важливо, процеси відводу й

підведення теплоти відбуваються в однакових температурних умовах (у

межах температур від Т

до Т

). Тому можливо шляхом введення в цикл

спеціального теплообмінника передати теплоту, що відводиться на ділянці 2'-

4 від газів турбіни, що відпрацювали, повітрю, що нагнітається в камеру

згоряння.

Рис.4

Такий захід істотно підвищує термічний ККД газотурбінної установки,

тому що із зовнішнього середовища запозичиться менша кількість теплоти

q’

= q

– q

і в зовнішнє середовище виділяється також менша кількість

теплоти q'

= q

– q

, де q

і q

— теплота, що підводиться й відводиться у

циклі без регенерації.

Термічний ККД розглянутого циклу дорівнює

З формули (3)

(

)

()

TTc

−

−=−=

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

149

де ρ= v

З формули (6) витікає, що термічний ККД циклу газотурбінної

установки з ізобарним підведенням і повною регенерацією залежить тільки

від температури Т

наприкінці адіабатного розширення газу в турбіні

(температура Т

, що є температурою зовнішнього середовища, змінюється

досить незначно).

У дійсних умовах для здійснення теплообміну між газом і повітрям

необхідна деяка різниця температур. Тому температура нагрітого повітря на

виході з регенератора буде T

, а температура газів Т

>Т

. Повнота

регенерації, що відбувається, оцінюється значенням відношення

називаного

ступенем регенерації. У дійсних умовах σ = 0,5...0,7. при σ<1

термічний ККД циклу буде менше, ніж у випадку повної регенерації.

Паровий цикл Карно

Відомо, що при однакових температурах T

mах

і T

min

найбільший

термічний ККД мають цикли Карно. Тому природно прагнення створити й

парові установки, що працюють по цьому циклі, тому що ККД циклу Карно

не залежить від роду працюючого агента.

Фазове перетворення робочої речовини є характерною рисою циклу

паросилових установок.

На відміну від двигунів внутрішнього згоряння в паросиловій установці

продукти згоряння палива безпосередньо не беруть участь у робочому циклі.

Продукти згоряння є лише джерелом теплоти (тепловіддатчиком). Якщо

робочою речовиною є насичена пара, технічно можна здійснити цикл Карно.

Дійсно, основна перешкода для здійснення циклу Карно, коли робочим тілом

ρηη

/1111/11

−=−=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−−=

(6)

(

)

()

−

(7)

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

150

є газ, полягає в тому, що ізотермічні підведення й відвід теплоти в цьому

циклі повинні супроводжуватися відповідно здійсненням або споживанням

корисної роботи, що в технічному відношенні досить складно.

Ці труднощі відпадають, якщо робочим тілом є волога пара. У цьому

випадку ізобаричний процес, як відомо, є й ізотермічним. Сталість

температури в ізобаричному процесі підведення або відводу теплоти

забезпечується випаром або конденсацією частини робочої речовини; при

цьому ніякої роботи, крім роботи проштовхування робочого тіла, не

витрачається. Таким чином, у паровому циклі процеси підведення й відводу

теплоти можуть бути відділені від процесу одержання корисної роботи, що

має значні практичні переваги, особливо при значній потужності установки.

Цикл Карно для насиченої пари показаний на рис. 5. Підготовка пари

здійснюється в паровому котлі (випаровування киплячої води) при постійних

температурі й тиску (4-1), потім відбувається адіабатне розширення пари в

паровій машині (1-2). пара, що відпрацювала в машині, частково

конденсується в конденсаторі при постійних температурі

й тиску (2-3).

Процес 3-4 адіабатного стиску пари здійснюється спеціальним насосом.

Рис. 5

Цикл Ренкіна

Ідеальним, або зразковим, циклом паросилової установки є цикл

Ренкіна. Теплова схема такого циклу показана на рис. 6.