ТНиС 10

прямого преобразования
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. ©

НГТУ, 2014

преобразования тепловой энергии рабочего тела в
механическую энергию вращения ротора.

В паровых турбинах рабочим телом является водяной пар
(реальный газ), а в газовых – продукты сгорания топлива
(почти идеальный газ).

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

теплофикационные (типа «Т» и «ПТ»):

● турбины с теплофикационным отбором

пара (типа «Т»).

Отбор пара при давлениях 0,7…2,5 бар используется в
системах теплофикации (отопления и горячего
водоснабжения);

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

пара при
давлениях 5…12 бар, предназначенными для
производственных нужд;

●

турбины типа «ПТ» с двумя отборами пара;

● турбины с противодавлением (типа «Р»), когда
отработавший в турбине пар используется для
производственных нужд;

Примеры обозначений турбин: К-800-240; ПТ-135-130/7;
Р-100-130/15, где первая цифра – мощность в МВт,
вторая – давление свежего пара в барах.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

давление регулируемого отбора пара в барах; турбины с
противодавлением –

давление противодавленческого пара.

По давлению свежего пара турбины бывают:

p0≤40 бар – среднего давления;

p0≤90 бар – высокого давления;

p0≤130 бар – повышенного давления;

p0>ркр – сверхкритического давления.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

Приведена схема ГТУ с изобар-
ным горением

и регенерацией.

1 – пусковой двигатель;
2 – воздушный компрессор;

3 – топливный ком-
прессор для газа (или
насос для жидкого
топлива);

4 – газовая турбина; 5 – электрогенератор;
6 – камера сгорания; 7 – регенератор.

1 2 3 4 5

6

7

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

● рабочее тело – идеальный газ;

● изменение состояния рабочего
тела обратимое;

● цикл замкнутый;

● сгорание топлива заменяется
изобарным подводом теплоты 2-3
от горячего источника к рабочему
телу;

p 2 3

q1

1

4

q2

0

v

T

0

s

q1

q2

1

2

3


4

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

заменяется изобарным
отводом теплоты 4-1 от рабочего тела к холодному

источнику.

1-2 адиабатное сжатие рабочего тела в компрессоре;

3-4 адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине.

Основным показателем цикла является его термический КПД:

. (1)

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

и 1-2 соотношение между
параметрами p4v4k=p3v3k; p1v1k=p2v2k.

Поделив левые

и правые части двух последних соотношений,
и сократив p4=p1 и p3=p2, получим:
v4/v1=v3/v2.

В изобарных процессах 2-3 и 4-1 объемы газа изменяются
пропорционально температурам
Т4/Т1=v4/v1; Т3/Т2 =v3/v2 .

Поэтому в выражении (1) последняя дробь сокращается.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

степени сжатия в компрессоре:

β=р2/р1,

учитываем, что для адиабатного процесса:

Т2/Т1=(р2/р1)(k-1)/k.

Тогда окончательное выражение термического КПД ГТУ

ηt=1-1/β(k-1)/k. (2)

Из уравнения (2) следует, что при увеличении степени
повышения давления β термический КПД растет.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

ГТУ без регенерации основными
являются потери с уходящими газами (Т4=400

С и выше).

Поэтому все ГТУ бывают с регенерацией теплоты уходящих
газов для подогрева сжатого в компрессоре воздуха перед
подачей его в камеру сгорания.

На вышеприведенной схеме была изображена именно такая
газотурбинная установка.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

– 12341,
действительный – 12д34д1.

1-2

и 1-2д – теоретическое и
действительное сжатия воздуха
в компрессоре;

3-4 и 3-4д – теоретическое и
действительное расширения
газов в турбине.

1

2

2д

3

4

4д

Т

s

0

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

относительными КПД

компрессора:
ηк=(T2-T1)/(T2д-T1)

и турбины:
ηт=(T3-T4д)/(T3-T4).

Индикаторная
работа

ГТУ, Дж/кг: . (3)

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

воздуху в регенераторе, равна
отданной газами теплоте).

Из-за потерь теплоты t7

t8>t6 –

действительная регенерация.

Степень регенерации: .

Регенерация повышает КПД газотурбинной установки,
то есть снижает удельный расход топлива.

T

s

1

2

3

4

5

6

7

8

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

регенерацией теплоты уходящих газов
для подогрева воздуха:

1-2 – адиабатное сжатие

воздуха в компрессоре;
2-7 – изобарный нагрев воздуха в регенераторе;
7-3 – изобарный подвод теплоты q1 в камере сгорания;
3-4 – адиабатное расширение газа в турбине;
4-8 – изобарное охлаждение газа в регенераторе;
8-1 – изобарный отвод теплоты q2 от газа к окружающему
воздуху.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

ГТУ с
регенерацией,

в котором: tmax ~ 1000 °C;

tmin ~ 150 ° C.

Теплота охлаждения газов
5-6 в регенераторе идет на
подогрев воздуха 2-3.

Оставшаяся теплота газов используется для генерации пара
в паротурбинной установке.

Q1

Q2

1

2

3

4

5

6

s

0

T

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

цветом.

В цикле ПТУ: tmax~600 °C; tmin~30 ° C.

В цикле ПГУ: tmax~1000 °C; tmin~30 ° C,

поэтому КПД ПГУ выше раздельных ГТУ и ПТУ,
то есть комбинированный цикл экономичнее.

Для генерации 1 кг пара необходимо иметь m кг газа.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

ограничено критическими параметрами водяного пара
ркр~221 бар, tкр~374 °C.

Несмотря на перегрев пара до t1~550 °C и высокое давление
острого пара р1~240 бар, по термическому КПД цикл Ренкина
значительно уступает циклу Карно.

Если взять в качестве второго рабочего тела бинарного цикла
ртутный пар (ркр~1500 бар, tкр~1480 °C), то при температуре
насыщения tн~550 °C его давление насыщения будет не
высоким (рн=14,5 бар).

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

ртутный котел;
3 – ртутный насос;

4 – конденсатор-испаритель;

5 – ртутная паровая турбина;
6 – пароводяная турбина;

7 – водяной конденсатор;
8 – водяной насос;
9 – пароперегреватель.

~

~

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

в ртутном котле 2
(изобара 9-6) за счет теплоты
топочных

газов 1;

срабатывается в ртутной турбине 5
(адиабатный процесс 6-7);

отработавший пар конденсируется
в конденсаторе-испарителе 4 (изобара 7-8);

за счет теплоты конденсации ртутного пара вода нагревается до
температуры насыщения (изобара 3-4) и превращается в пар
(изобарно-изотермический процесс 4-5);

Т

s

m кг
ртути

1 кг
воды

1

2

2’

3

4

5

6

7

8

9

x=0 x=1

x=1

10

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

котел 2,
а сухой насыщенный водяной пар за счет теплоты

топочных
газов перегревается в пароперегревателе 9 (изобара 5-1);

перегретый водяной пар срабатывается в паровой турбине 6
(адиабатное расширение 1-2);

отработавший водяной пар конденсируется в конденсаторе 7
(изобарно-изотермический процесс 2-2’).

Так как скрытая теплота парообразования ртути в несколько раз
ниже таковой для воды, да еще воду надо нагреть до температуры
насыщения; поэтому расход ртутного пара через кондесатор-
испаритель должен быть в m раз больше: m=(h5в-h3в)/(h7рт-h8рт).

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

показан цикл Карно
1-2-3-10 в том же диапазоне температур.

Полнота заполнения бинарного цикла много больше, чем цикла
Ренкина для водяного пара, поэтому термический КПД бинарного
цикла ближе к таковому цикла Карно:

.

Теплота (h1в-h5в) только на перегрев водяного пара, так как
нагрев воды до температуры насыщения и испарение ее
происходит за счет теплоты конденсации ртутного пара.

Несколько ртутно-водяных ПТУ мощностью 2…20 МВт были
построены в 20-х 30-х годах, но из-за вредности и сложности они
не получили широкого распространения.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

преобразователь, в основу действия
которого положен эффект немецкого
физика Зеебека.

В цепи из двух разных проводников
возникает разность потенциалов ∆Е, если
спаи этих проводников находятся в средах с разной температурой
(Т1 – горячий спай, Т2 – холодный).

Разность потенциалов пропорциональна ∆Т спаев, что широко
используется для измерения температур (термопары:
медь-константан, хромель-копель и др.).

∆Е

Т1

Т2

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

нагреватель, то в цепи возникнет ток.

Итак, термоэлектрический эффект

можно использовать для
производства электроэнергии.

Академик Иоффе в 1929 году указал на перспективность
применения для этой цели полупроводников; например,
термоэлектрогенератор на базе MnSi2 при ∆Т=1000 К имеет
КПД преобразования около 10 %.

Полупроводники на основе боридов и карбидов могут дать
КПД до 20 %.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

передача теплоты теплопроводностью по
электродам от горячего источника к
холодному.

В термоэлектронных преобразователях
(термоэлектрогенераторах) электроды
разделены вакуумом, исключающим
теплопроводность; электрический ток в
цепи поддерживается за счет эмиссии
свободных электронов.

Т1

Т2

+

–

Rвн

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

со своей поверхности.

При Т1>>Т2 эмиссия электронов с горячего

электрода будет
интенсивнее, поэтому холодный электрод будет иметь
отрицательный заряд и между пластинами возникнет разность
потенциалов.

Если цепь замкнуть на внешнее сопротивление, то в цепи
пойдет электрический ток.

Эмиссию можно назвать «испарением» электронов с поверхности
эмиттера за счет подвода к нему теплоты.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

электронов с выделением теплоты.

Термический КПД термоэлектронного преобразователя:

ηt=N/Q1,

где N – электроэнергия, отданная потребителю, Вт;
Q1 – теплота, подведенная от горячего источника, Вт.

Последнее время термоэлектронные преобразователи
привлекают к себе все большее внимание.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

энергии в
электрическую.

В них теплота от продуктов сгорания

передается газообразному
рабочему телу, которое затем расширяется в комбинированном
сопле, приобретая значительную кинетическую энергию; а уже
потом последняя преобразуется в электроэнергию в канале МГД-
генератора.

Было бы правильнее назвать их установками без машинного
преобразования теплоты в электроэнергию, так как в них нет
движущихся частей.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

дающая
возможность изготавливать
установки высокой мощности.

Рабочим телом является

газ с ионизирующими добавками
(щелочными металлами, например, калием или цезием); газ
нагревается до столь высоких температур, что частично
ионизируется, то есть переходит в состояние плазмы.

Затем этот электропроводящий газ расширяется в сопле 1,
разгоняясь до скорости порядка 1000 м/с и поступает в канал 3
МГД-генератора.

1

2

3

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны оси
канала.

При

пересечении проводником (плазмой) силовых линий
магнитного поля в объеме МГД-установки генерируется
электроэнергия, которая отводится с помощью электродов 2,
подключенных к потребителю электроэнергии.

Отсутствие движущихся частей позволяет повысить температуру
газа на входе в МГД-генератор до порядка 2500 °С, которая в
несколько раз превышает таковую в ПТУ и ГТУ; это позволяет
повысить термический КПД установки до ~70 %, что значительно
выше, чем в паро- и газотурбинных установках.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

камера сгорания;
4 – МГД-генератор;
5 – регенератор;
6 –

парогенератор;
7 – паровая турбина;
8 – электрогенератор;
9 – конденсатор;
10 – питательный водяной насос.

Элементы: 1…5 – аналогичны схеме
ГТУ с регенерацией теплоты;
6…10 – схема ПТУ.

~

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2000 °С

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

изобарный
подвод теплоты в регенераторе;

3-4 – изобарный подвод теплоты

Q1 в камере сгорания;
4-5 – адиабатное совершение
работы в МГД-генераторе;

5-6 – изобарный отвод теплоты от газов в регенераторе;
6-7 – изобарный отвод теплоты от газов в парогенераторе;
7-1 – изобарный отвод теплоты Q’2 от газов в окружающую
среду.

Т

s

m кг газа

1 кг воды

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Q1

Q”2

Q’2

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

температуру,
поэтому его теплота используется в пароводяном цикле Ренкина
8-9-10-11-12-8

для нагрева воды до температуры насыщения,
генерации пара и его перегрева.

По аналогии с бинарным ртутно-водяным циклом расход газа
в цикле МГД находится по уравнению теплового баланса, кг/с:



Термический КПД цикла МГД:

.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014