Газотурбінна установка

Газотурбінна установка, яка має в собі компресор, турбіну, нагрівник і холодильний пристрій з теплообмінником та холодильною камерою, при 41453 Добуток h*К є робота одержана при витраті одиниці роботи на здійснення зворотного циклу в холодильному пристрої. Для оцінки корисної роботи і швидкості перетворення тепла в роботу (потужності) використаємо диференційне рівняння: dA/dt=А*h*К. Рішення цього рівняння має вигляд: А=А0*еh* k*t. Якщо t=1 сек, то для потужності N рівняння має вигляд: N=N0*eh*k, де А0 і N0 - робота і потужність при умові t=0. З врахуванням втрат В рівняння для потужності має вигляд: N=N0*eh*k-B. З формули для N видно, що при h*K>B N>N 0 і може бути одержана корисна потужність, яку можна використати, частково на одержання тепла і холоду, при NВ К>В/h. Наприклад, якщо робочий газ є повітря, критичні параметри якого Ткр=132 К і Ркр=3,7 мПа, а температура в нагрівнику 6290 К і температура джерела тепла 293 К, то з врахуванням ще термостійкості елементів газотурбінної установки виберемо робочий діапазон на вході і виході турбіни Т1=290 К і Т2=200 К. Визначимо коефіцієнт корисної дії і роботу турбіни 2 hТ2=1-Т2/Т1=1-200/290= =0,3 АТ2=C v*(T1-Т2)=0,72*(290-200)=65 кДж/кг. Мінімальний коефіцієнт перетворення тепла в холодильному пристрої визначимо виходячи з того, що загальні механічні втрати в елементах запропонованої установки не перевищать 15-20 процентів від роботи турбіни. К>=0,2*65/0,3>=43. Різницю температур при якій виконується зворотний цикл визначимо із того, що температура в холодильній камері підтримується 200 К. DТ= =200/43=4,6. Таким чином різниця температур, а також і ступінь розширення робочого газу, при якій виконується зворотний цикл, менша ніж різниця температур, при якій виконується прямий цикл. Для створення умов переходу до режиму генерації за один прямий цикл виконується кілька зворотних циклів. Швидкість передачі енергії в зворотному циклі повинна перевищувати швидкість передачі енергії в прямому циклі, що створює додатковий (віртуальний) компресор, який полегшує роботу компресора 1. Оптимальний режим роботи зворотного циклу, зважаючи на нелінійні процеси в елементах установки при генерації, пропонується визначити експериментально. Використання теплового насосу дозволяє зменшити розміри нагрівника (кінцеві температури в нагрівнику і джерела тепла відрізняються на 3 градуси), а також використати його для приторможування в режимі генерації з виробництвом тепла і холоду. Таким чином запропонована установка дозволяє: - перетворювати в роботу тепло з коефіцієнтом корисної дії до 80 процентів; - зменшити розміри нагрівника; - приторможування розгону установки в режимі генерації; - виробництво тепла і холоду. підводиться до робочого газу в нагрівнику 6, який по патрубку 13 поступає в турбіну 2, де розширюється з виконанням роботи. З виходу турбіни 2 по патрубку 12 через холодильну камеру 5 і патрубок 11 робочий газ поступає на вхід компресора 1. З виходу компресора 1 по патрубку 10 робочий газ поступає в холодильну камеру 5, з якої тепло, при дії холодильного пристрою 3, передається в теплообмінник 4, що забезпечує охолодження робочого газу і зростання ступені його розширення в турбіні 2. При чому зворотний цикл в холодильному пристрої здійснюють так, щоб ступінь розширення робочого газу в холодильній камері 5 була меншою ніж ступінь розширення його в турбіні 2 (за один прямий цикл виконується кілька зворотних), що забезпечить досягнення умов режиму генерації в газотурбінній установці. На виході детандера 9, внаслідок розширення, температура повітря буде нижчою ніж температура навколишнього середовища, що дозволяє одержаний холод передати користувачу. Як один із варіантів роботи холодильного пристрою пропонується використати вихровий принцип перетворення тепла в кінетичну енергію, яка може повністю перетворитися в роботу турбіною 2. Для цього в теплообміннику 4 робочий газ закручується в вихор і в центр цього вихру, де під дією відцентрових сил знижується тиск і температура, подається робочий газ із холодильної камери. При цьому центр вихру додатково виконує функції холодильної камери і знижує роботу компресора 1, а також виконується умова для генерації. Таким чином, для одержання корисної роботи, електроенергії, тепла та холоду необхідно забезпечити умови для виникнення режиму генерації в газотурбінній установці, при цьому вона діє як підсилювач з петлею позитивного зворотного зв'язку. По аналогії з математичним аналізом такого підсилювача, для підтвердження можливості здійснення запропонованого винаходу виконаємо аналіз умов роботи газотурбінної установки використовуючи вирази і закони прийняті в термодинаміці. Q=Q1+Q2, де Q - тепло підведене до входу турбіни; Q1 - тепло підведене від зовнішнього середовища; Q2 - тепло підведене до входу турбіни при дії холодильного пристрою. Поділимо ліву та праву частин у рівняння на роботу А. Q/A=Q1/A+Q2/A або 1/h=1/h1+К. Звідки h1=h/(1-h*К), де h - загальний коефіцієнт перетворення тепла в газотурбінній установці; h1 - коефіцієнт перетворення тепла підведеного від зовнішнього середовища; К - коефіцієнт перетворення тепла в холодильному пристрої. Формула для h1 показує, що h1>h, а при умові h*К>1 газотурбінна установка переходить в режим генерації. Ця умова виконується якщо прямий термодинамічний цикл здійснюється при більшій різниці температур ніж зворотний цикл холодильного пристрою. 2 41453 Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3