Регенерация тепла в цикле ГТУ

Наиболее совершенным термодинамическим циклом является цикл Карно. Поэтому любое приближение реального цикла к циклу Карно способствует повышению его термодинамической эффективности. Для цикла ГТУ к таким способам относятся: регенерация тепла в цикле, промежуточное охлаждение воздуха, промежуточный подвод теплоты.

КПД цикла ГТУ может быть существенно увеличен за счет применения регенерации тепла. Регенерация тепла – это возврат в цикл части тепла отработавшего в турбинах газа путем подогрева воздуха перед камерой сгорания. Регенерация возможна если температура отработавших газов выше температуры воздуха, поступающего в регенератор. Практически регенерация осуществляется введением в цикл поверхностного теплообменного аппарата-регенератора, включаемого по воздуху между компрессором и камерой сгорания, а по газу – за турбиной на пути выхода отработавшего газа в атмосферу (рис. 2.8). Таким образом, в регенераторе в результате теплообмена между отработавшим газом и воздуха, направляемым в камеру сгорания происходит возврат некоторого количества тепла в цикл, в результате чего температура воздуха перед камерой сгорания повышается, а температура газа, уходящего в атмосферу, понижается.

Рисунок 2.8 – Принципиальная схема ГТУ с регенерацией

    Повышение температуры воздуха, поступающего в камеру сгорания, уменьшает количество топлива, которое требуется сжигать в камере для получения той же температуры газа при выходе из камеры сгорания.

На рисунке 2.9 изображен цикл ГТУ с регенерацией. Заштрихованные площади, обозначенные Q_r, представляют собой в масштабе диаграммы теплоту, переданную от газа к воздуху в регенераторе. При этом температура воздуха повышается от Т₂ до Т_{2 r}, а температура газ понижается от Т₄ до Т_{4 r}. Следовательно, полное количество теплоты, необходимое для подогрева воздуха в камере сгорания до температуры Т₃ с введением в цикл регенерации уменьшается на величину Q_r. В идеальном случае воздух в регенераторе может быть подогрет до температуры Т₄, такой случай называют полной регенерацией, с передачей в регенераторе количества теплоты Q ₀.

Отношение количества теплоты, фактически полученной воздухом в регенераторе Q_r к количеству теплоты при полной регенерации характеризует степень использования тепла отработавшего газа и называется коэффициентом (степенью) регенерации r, который вычисляется по выражению

 .                                               (2.32)

Рисунок 2.9 – Цикл ГТУ с регенерацией:

Q _r – теплота переданная воздуху в регенераторе

Очевидно, что r ≤1,0. Отношение количеств теплоты удобно заменить отношением разностей температур

                                        (2.33)

Выражение (2.33) составлено в предположении, что средние значения теплоемкостей воздуха в процессе его нагревания и газа в процессе его охлаждения в регенераторе одинаковы, а также в предположении равенства массовых расходов газа и воздуха, проходящих через регенератор. Однако разницу в расходах газа и воздуха через регенератор необходимо учитывать в тех случаях, когда для сокращения массы и габаритов регенератора в нем подогревается весь воздух только частью газа, а другая часть отработавшего газа выбрасывается в атмосферу помимо регенератора.

Эффективный КПД регенеративной ГТУ с учетом уравнений (2.26), (2.29), (2.33) можно представить в виде выражения:

 .  (2.34)

Если предположить, что , а процесс в турбинах 3-4 политропный, тогда эффективный КПД регенеративной ГТУ можно выразить через эффективный КПД ГТУ без регенерации

.                                      (2.35)

Из уравнений (2.34) и (2.35) следует, что чем выше r тем больше  . Исследования регенеративных ГТУ показали, что с приближением коэффициента регенерации к единице удельная поверхность нагрева регенераторов стремиться к бесконечности. Например, увеличение коэффициента регенерации от 0,5 до 0,9 при прочих равных условиях приводит к увеличению удельной поверхности нагрева в девять раз. Обычно для ГТУ транспортных судов коэффициент регенерации принимается не более 0,80÷0,85.