Цикл с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха

Задача 3. Исследовать, как изменится эффективность работы открытой ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении при использовании двухступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения воздуха до первоначальной температуры по сравнению с базовым циклом ГТУ, рассмотренным в задаче № 1. Изобразить принципиальную схему установки и цикл на рабочей и тепловой диаграммах.

Решение.

Схема установки и цикл изображены ниже на рис. 2.5.

Примем начальное давление воздуха перед компрессором низкого давления (КНД) равным атмосферному 0,1 МПа. Тогда давление воздуха после компрессора высокого давления (КВД) рассчитывается из соотношения:

Рис.2.5. Принципиальная схема и цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха:

I – пусковой двигатель, II – топливный насос, III – топливный бак, IV – камера сгорания, V_В и V_Н – компрессоры высокого и низкого давления, VI_В и VI_Н – газовые турбины высокого и низкого давления, VII – охладитель воздуха, VIII – потребитель энергии;

Адиабатное сжатие воздуха в компрессоре низкого давления, 2-3 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду(промежуточное охлаждение воздуха), 3-4 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре высокого давления, 4-5 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу, 5-6 – адиабатное расширение газов, 6-1 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду

Для уравнивания мощностей КНД и КВД промежуточное давление определяется следующим образом:

Тогда температура воздуха после сжатия в КНД (при Т₁= 300,15 К — см. условие задачи № 1)

Температура воздуха после сжатия в КВД

(Т₃=Т₁ вследствие промежуточного охлаждения до начальной температуры).

Термический КПД цикла

где суммарная отводимая в цикле теплота:

подводимая теплота:

(  по условию задачи № 1).

Сравнивая полученные результаты с соответствующими данными задачи  1 можно заключить, что при двухступенчатом сжатии увеличивается полезная работа (см. диаграмму p,v), однако уменьшается термический КПД установки в связи с понижением температуры начала подвода теплоты в цикле. Положительным эффектом двухступенчатого сжатия является также улучшение условий для регенерации теплоты отработавших газов благодаря понижению температуры воздуха после его сжатия в КВД (см. точки 2', 4 на рис. 2.4). Докажем это расчетом ГТУ с двухступенчатым сжатием и регенерацией теплоты отработавших газов.