22.3. Порівняння ідеальних циклів поршневого двигуна внутрішнього згоряння й газотурбінної установки з підведенням тепла при постійному тиску по ефективності

На рис. 2.27, 2.28 зображені цикли з підведенням тепла при Р = const двигуна внутрішнього згоряння й газотурбінної установки, що мають однакові Т_max і T_min (рис. 2.27). Крім того, приймаються однаковими Р_max і Р _min (рис. 2.28). Середня планіметрична температура _2-3 процесів підведення тепла в обох циклах та сама. Більше того, у цих циклах однакова кількість підведеного до робочого тіла питомого тепла (пл. 23562 на рис. 2.27).

Рис. 2.27. Порівняння циклів ДВЗ і ГТУ по ефективності в S-Т діаграмі

Рис. 2.28. Порівняння циклів ДВЗ і ГТУ по ефективності в v-Р діаграмі

Середня планіметрична температура процесу ізохорного відводу тепла _4-1 вище, ніж у процесі ізобарного відводу тепла _4-1, що свідчить про те, що при обраних умовах порівняння термодинамічний ККД газотурбінної установки вище, ніж термодинамічний ККД двигуна внутрішнього згоряння.

Цей же висновок підтверджується порівнянням площ циклів як в S-Т, так і в v-Р діаграмах. Площа циклу двигуна внутрішнього згоряння менше площі циклу газотурбінної установки на пл. 1441 (рис. 2.27, 2.28), що також свідчить про більше значення термодинамічного ККД циклу газотурбінної установки.

22.4. Газотурбінні установки, що працюють по замкнутому циклу

Вище були розглянуті газотурбінні установки, що працюють по так званому розімкнутому циклу, коли продукти згоряння після роботи на лопатках турбіни викидаються в атмосферу.

У цьому випадку продукти згоряння безпосередньо контактують з робочими лопатками турбіни, наслідком чого може з'явитися їхнє передчасний знос. Тому в газотурбінних установках, що працюють по розімкнутому циклу, застосовуються тільки такі види палива, які містять мінімальну кількість завислих твердих часток - золи, окислів, сірки й т.д., тобто в основному рідке або газоподібне паливо.

Застосування твердого палива або низькосортного рідкого палива можливо при замкнутому циклі газотурбінної установки, в якому у якості робочого тіла використовується чисте повітря або інший газ, що нагрівається й охолоджується на відповідних ділянках циклу в поверхневих теплообмінниках.

Схема газотурбінної установки зі згорянням при Р = const, що працює по такому замкнутому циклу, представлена на мал. 2.29.

Рис. 2.29. Схема ГТУ замкнутого циклу

У компресорі 1 робоче тіло стискується до потрібного тиску й далі направляється в регенератор 2, де воно підігрівається при Р = const за рахунок тепла газу, що виходить із турбіни. Потім підігріте в регенераторі робоче тіло надходить у підігрівник 3, де відбувається підведення тепла ззовні. Підігрівник по суті подібний до парового казана, у якому замість води й пари нагрівається газ. Підведення тепла в підігрівнику здійснюється за рахунок згоряння палива, що подається паливним насосом 4 (якщо паливо рідке). Необхідне для згоряння палива повітря подається вентилятором 5, підігріваючись попередньо за рахунок тепла газів, що відходять, у підігрівнику 3. Нагріте в підігрівнику при Р = const робоче тіло надходить у турбіну 6, де, розширюючись, робить роботу. Відпрацьовані гази з турбіни направляються в регенератор, де вони віддають частину наявного тепла стисненому газу, що надходить із компресора.

З регенератора відпрацьовані гази надходять в охолоджувач 7, у якому при Р = const газ охолоджується до нижчої температури циклу. В якості охолоджувальної речовини звичайно використовується вода. З охолоджувача робоче тіло знову направляється в компресор. Таким чином, та сама порція робочого тіла безупинно бере участь у виробництві роботи.

Цикл, по якому працює розглянута установка, з термодинамічної точки зору подібний дослідженому вище циклу зі згорянням при Р = const і з регенерацією тепла й зображується так, як показано на рис. 2.23, 2.24. Для цього циклу справедливі також виведені вище формули для _t циклу зі згорянням при Р = const і з регенерацією тепла.

Замкнутий цикл, крім можливості використання твердого палива, має ще й інши переваги. Так, наприклад, у цьому циклі найнижчий тиск необов'язково повинен дорівнювати атмосферному, він може бути значно більше його. Тому при тих же ступенях підвищення тиску можлива робота з більш високими тисками, що приводить до зменшення об'єму газу, а отже, і габаритів установки. Крім повітря, у цих умовах можна застосовувати в якості робочих тіл також і більш важкі гази (гелій, аргон).

Перевагою замкнутої схеми є також краще регулювання установки при роботі на мінливому режимі.

У газотурбінних установках із замкнутою схемою в якості робочого тіла можуть застосовуватися й низкокиплячі речовини, наприклад вуглекислота. У цьому випадку знижується робота на стиснення; замість компресора можна користуватися насосом, і вся установка в цілому може розглядатися як паротурбінна.

Недоліком газотурбінної установки, що працює за замкнутою схемою, є наявність порівняно громіздкого газового казана, а також більші габарити теплообмінників.