Газотурбинный двигатель мощность 1000 кВт с регенератором теплоты отработавших газов

 

Введение


Курсовая работа выполняется по индивидуальным заданиям, включающим три основных раздела: термодинамический расчет и анализ судовой энергетической установки (СЭУ) и её элементов, тепловой и конструктивный расчет одного из теплообменных аппаратов судовой энергетической установки, а также исследование специального вопроса.

Исходные данные (4 вариант):

- Тип энергетической установки: ГТУ

Мощность: 1000 кВт

Способ утилизации теплоты: регенерация теплоты уходящих газов

Тип теплообменного аппарата: регенератор.



1. Исследование термодинамических циклов энергетических установок


Целью расчета теоретических циклов является определение параметров в характерных точках циклов, установление их основных характеристик - работы и коэффициента полезного действия (КПД) и оценка степени термодинамического совершенства.

При изучении реальных циклов учитываются особенности протекания действительных (необратимых) процессов в элементах СЭУ, производится их расчет и определяются значения действительных КПД и работы.

Одинаковые, по сути, термодинамические расчеты, применительно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинным установкам (ГТУ), принято производить в методически различной последовательности. В данном задании выполняется расчет ГТУ.


1.1 Расчет идеального цикла ГТУ

газотурбинный регенератор тепловой баланс

Термодинамиеские процессы простейшей ГТУ осуществляются в определенной последовательности:

·сжатие рабочего тела в компрессоре,

·подогрев рабочего тела теплотой, получаемой из внешнего источника;

·расширение рабочего тела в турбине с передачей технической работы потребителю;

·охлаждение рабочего тела до состояния, соответствующего входу в компрессор (замыкающий процесс).

Подогрев рабочего тела в открытом цикле осуществляется смешением воздуха с продуктами сгорания органического топлива в камере сгорания.

В герметичном контуре закрытого цикла может циркулировать любой газ обладающий идеальными свойствами, подогрев и охлаждение которого осуществляется в поверхностных теплообменниках. Теоретический цикл ГТУ представлен на рис. 1

Для характеристики цикла вводятся понятия:


·степень повышения давления в компрессоре:

·степень повышения температуры: ,


где - температура перед турбиной, К (наибольшая), - температура перед компрессором, К.

Параметры рабочего тела в начале сжатия выбираем, опираясь на параметры, определяемые климатическими условиями:

Øтемпература

Øдавление

В ранних конструкциях ГТУ максимальная температурав цикле составляла , в более поздних . В тех конструкциях, где используется принудительное охлаждение первых ступеней турбины

и даже до . Принимаем конструкцию с принудительным охлаждением первых ступеней турбины и

Рабочим телом считается возду, для которого показатель адиабаты зависит от температуры: при при ; при При адиабатном сжатии в компрессоре принимаем . Массовая изобарная теплоемкость в предварительных расчетах принимается равной

Влияние давления в камере сгорания на мощность и КПД ГТУ неоднозначно. Оптимальное значение для простых ГТУ находится в пределах ( Принимаем .

Далее выполняем расчеты параметров в характерных точках цикла ГТУ из термодинамических соотношений в адиабатном и изобарном процессах.

Температура в конце адиабатного сжатия


К


Температура в конце изобарного отвода теплоты



Рис. 1. Теоретический цикл ГТУ и цикл Карно (в том же интервале температур)


Теоретическая техническая работа на привод компрессора при обратимом адиабатном сжатии изображается площадью б-1-2-а (см. рис. 1.) и подсчитывается по формуле



Теоретическая техническая работа турбины изображается площадью а-3-4-б (см. рис. 1) и подсчитывается по формуле



Теоретическая удельная работа идеального цикла ГТУ



Подведенное и отведенное в цикле количество теплоты:



Термический КПД идеального цикла ГТУ



Термический КПД цикла Карно (в том же интервале температур)


.


Выводы: в результате расчетов идеального цикла ГТУ были определены температуры в характерных точках цикла, теоретические технические работы на привод компрессора и турбины, работа иеального цикла, подведенное и отведенное количества теплоты, термические КПД цикла ГТУ и цикла Карно в том же интервале температур.



1.2 Реальный (действительный) цикл ГТУ


Процессы, происходящие в действительных, реальных процессах, протекают неравновесно, сопровождаются необратимыми потерями, снижающими величины полезной работы и КПД цикла.

На рис. 2 представлен действительный цикл ГТУ. Для упрощения будем рассматривать только внутренние потери в компрессоре и турбине.

Действительная техническая работа на привод компрессора больше теоретической, а действительная техническая работа турбины меньше теоретической на величины потерь работы в компрессоре и турбины из-за неравномерности процессов. Эти отличия оцениваются внутренними относительными КПД компрессора и турбины. Они примерно одинаковы и выбираются для современных ГТУ в пределах Принимаем

Действительная техническая работа компрессора:



Действительная техническая работа турбины (на 1 кг воздуха):



где -коэффициент изменения массового расхода газа. Он учитывает, что через турбину протекает большая (на величину сгоревшего топлива) масса газа, чем через компрессор.

Внутренняя (индикаторная) полезная работа ГТУ (на 1 кг. воздуха)


Далее производим расчеты параметров расчетной диаграммы.

Температура в конце действительного сжатия в компрессоре



Температура в конце действительного расширения в турбине



Рис. 2. Действительный цикл ГТУ


Действительные значения подвода и отвода теплоты в реальном цикле



Внутренний относительный КПД ГТУ



Индикаторный КПД ГТУ



Механический КПД для ГТУ определяется как произведение коэффициентов, учитывающих механические потери в турбине (принимаем ), механические потери в компрессоре (принимаем ), механические потери в редукторе (принимаем ), механические потери на привод навешанных механизмов (принимаем ), потери на вращение вхолостую турбины заднего хода (ТЗХ) (принимаем ).

Тогда механический КПД ГТУ будет равен:


**


Эффективный КПД ГТУ

.


Полученные значения укладываются в пределы =0,2-0,35, указанные в литературе [1.стр. 21].

Принимая теплоту сгорания топлива , определяем удельный часовой расход топлива



Рис. 3. Структора КПД ГТУ


Зная мощность двигателя (=1000кВт), определяем часовой расход топлива



Массовый расход воздуха в ГТУ составит



Выводы: В результате расчетов реального цикла ГТУ были определены действительные параметры в характерных точках расчетной диаграммы, величины индикаторной работы, значение индикаторного и внутреннего КПД ГТУ, а также определены величины эффективного КПД и часовых расходов воздуха на всю установку. Структура КПД ГТУ представлена на рис. 3.


1.3 Тепловой баланс ГТУ


Тепловой баланс составляется обычно в расчете на 1 ч работы установки либо на 1 кг сжигаемого топлива.

Для отвода теплоты средняя термодинамическая температура равна


К


Принимаем температуру выпускных газов равной средней термодинамической температуре отвода теплоты , тогда количество теплоты, теряемое с выпускными газами



Доля теплоты, теряемая с выпускными газами:



Доля теплоты, теряемая с маслом:



В долях от всей теплоты уравнение теплового баланса записывается так:


где:





Остаточный член и в сумме:

+)=1 - (0.33+0.371+0.066)=0,233


Далее будем производить расчеты на 1 ч работы ГТУ.

Располагаемое количество теплоты


.


Количество теплоты, эффективно преобразованное в работу


=3600*.


Теплота, теряемая с выпускными газами



Теплота, теряемая с охлаждением и остаточным членом



Теплота, теряемая с маслом:


.


Выводы: В результате составления теплового баланса ГТУ были выбраны его составляющие и подсчитаны величины теплоты, теряемой ГТУ с выпускными газами, охлаждающей средой и маслом в течении одного часа.


1.4. Эксергетический балланс ГТУ


Эксергетический баланс характеризует качественную составляющую, не заменяя, а дополняя тепловой баланс.

При составлении эксергетического баланса следует:

.Найти место максимальных потерь работы и рассмотреть эту максимальную потерю.

.Рассмотреть возможности и целесообразность получения из вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), устанавливаемых в тепловом балансе, работы, т.е. определить энергию из ВЭР.

Эксергетический баланс может быть представлен как соотношение исходной эксергии , полезно преобразованной эксергии и суммы различных потерь эксергии в процессе преобразования энергии.

К потерям эксергии можно отнести следующие:

·потери отнеобратимости горения топлива ;

·потери с выпускными газами ;

·потери с охлаждающей средой ;

·потери с маслом ;

·оставшиеся потери

Исходная эксергия



Полезна преобразованная эксергия



Для расчета осальных составляющих эксергетического баланса необходимо определить средние термодинамические температуры



Потери от необратимости горения топлива


,


где К - температура окружающей среды, принимаем согласно указаниям [1, стр. 14].

Потери с выпускными газами




Потери с маслом



где - средняя температура масла, принимаем согласно указаниям [1, стр. 13].

Объединим показатели остаточной эксергии и потери с охлаждающей средой



Вторичными энергетическими ресурсами в ГТУ являются величины теряемой эксергии с выпускными газами и охлаждающей средой. Вторичные энергетические ресурсы выпускных газов равны:





Рис. 4. Эксергетический баланс ГТУ


Выводы: в результате составления эксергетического баланса ГТУ определены его составляющие, выявлено, что значение ВЭР выпускных газов достаточно большое (, что делает актуальным вопрос об их использовании. В данном случае они будут использованы для оуществления регенерации.



2. Специальный вопрос исследования термодинамических циклов ГТУ. Циклы ГТУ регенерацией теплоты


Регенерация теплоты является одним из способов повышения экономичности ГТУ. Подогрев воздуха после компрессора теплотой уходящих газов в специальном теплообменнике - регенераторе позволяет уменьшить расход топлива в камере сгорания для достижения заданной температуры газа перед турбиной.

Принципиальная схема ГТУ с регенерацией представлена на рис. 5.

Принимаем теплоту газов на выходе из регенератора (точка 6д на рис. 5 равной


К (


Тогда количество теплоты теплоты, отведенной от уходящих газов равно:


.


Эта теплота передается в регенераторе воздуху после компрессора (), тогда температура этого воздуха на выходе из регенератора равна:




Полнота использования уходящих газов характеризуется степенью регенерации



Считая, что аэродинамические потери в регенераторе отсутствуют, величину индикаторного КПД ГТУ с регенерацией подсчитываем по формуле:



Эффективный КПД ГТУ с регенерацией



Рис. 5. Принципиальная схема и действительный цикл ГТУ с регенерацией



Абсолютный прирост КПД с учетом регенерации



Относительный прирост КПД с учетом регенерации



Существуют два направления улучшения производительности ГТУ:

1. Цикл ГТУ с отводом теплоты в процессе сжатия

Повышение термодинамической эффективности реального цикла ГТУ можно провести за счет уменьшения работы на сжатие воздуха в компрессоре.

Идеальным вариантом здесь является изотермическая работа. В реальном процессе совершить изотермическое сжатие почти не возможно. Для приближения процесса применяют промежуточное охлаждение.

. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе расширения

Подведение теплоты в процессе расширения газа имеет своей целью некоторое приближение процесса к изотермическому. Практическое осуществление данного способа происходит в последовательно расположенных отсеках проточной части. И ограничивается температурными режимами комплектующих ГТУ.

Выводы: Применение регенерации позволяет увеличить относительный прирост эффективного КПД ГТУ с 0,33 до 0,35 (на 6%), поэтому применение регенерации в данной ГТУ целесообразно.



3. Тепловой конструктивный расчет теплообменных аппаратов


Целью расчета по данному разделу является определение площади поверхности теплообмена и компоновка одного из элементов исследованной ранее энергетической установки - теплообменного аппарата (ТА), предназначенного для передачи теплоты от одной среды к другой.

Среды, учавствующие в процессе теплообмена, называются теплоносителями, которые в свою очередь подразделяются на теплоотдающие (ТОТ) и тепловоспринимающие (ТВТ).

При проектировании ТА определяется величина поверхности нагрева. Методика теплового расчета включает включает в себя эскизную проработку конструкции теплообменника. По итогам расчета принимается окончательное решение по конструктивному исполнению аппарата и его отдельных элементов.


3.1 Тепловой расчет регенератора теплоты отработавших газов


Из первой и второй часей работы известно, что регенератор устанавливается на ГТУ, имеющюю следующие параметры:

·мощность: ;

·температура воздуха на входе в компрессор: ;

·температура воздуха на выхоже из компрессора (на входе в регенератор):


;

·температура воздуха на выходе из регенератора:


;


·температура продуктов сгорания (выпускных газов) на выходе из турбины (на входе в регенератор):


;


·температура продуктов сгорания (выпускных газов) на выходе из регенератора:



·массовый часовой расход воздуха: ;

·массовый часовой расход газов:


.


Секундный расход газов в двигателе


;


Секундный расход воздуха в двигателе



тогда средние температуры теплоносителей:


·газов: ;

·воздуха: .

Средняя температура стенки



изобарные теплоемкости теплоносителей:

·газов:

·воздуха:

количество переданной теплоты в регенераторе



тогда окончательная температура воздуха на выходе из регенератора:


.


Полученное значение отличается от ранее принятого на 2%, поэтому перерасчет выполнять не обязательно.


3.2 Определение объемного расхода теплоносителей


По средним значениям температур теплоносителей, определенных выше (в п. 3.1.) находим значения плотностей теплоносителей:

продуктов сгорания из [литературы 2, Приложение 8, стр. 176]

воздуха [2, Приложение 2, стр. 170]

Секундные объемные расходы теплоносителей:

продуктов сгорания



воздуха



3.3 Предварительная компоновка регенератора


Согласно указаниям [литература 2], для судовых регенераторов характерен коробчатый тип. Принимаем, что нагреваемая среда (воздух) подается в трубы, а охлаждаемая (продукты сгорания) поперечно обтекают трубы снаружи. В таких теплообменниках реализуется перекрестый ток.

Согласно рекомендациям [2] выбираем стальные трубы со следующими характеристиками:

Øвнутренний диаметр:

Øнаружный:

Задаемся скоростью движения воздуха [1, стр. 48, табл. 6] и определяем необходимое количество труб:



Производим разбивку труб по поперечному сечению регенератора. Задаемся размером сечения, поперечного направлению движения теплоносителя в трубах: - расстояние от кромки трубной решетки до оси крайней трубы [2, стр. 150], - ширина, , где - расстояние между трубами в одном ряду и продольным шагом,- расстояние между рядами труб. Тогда число труб в одном ряду определится так:



При принятой шахматной компоновке трубного пучка количестов труб в соседних рядах неодинакого ( В итоге, в двух смежных рядах расположено 39 труб.

Количество двойных рядов труб:



рядов, т.е. 18 рядов по 19 труб и 18 рядов по 20 труб.

Общее количество труб в регенераторе:

Длина регенератора в продольном направлении:



Рис. 6. Расчетная схема поперечного сечения регенератора коробчатого типа

3.4 Определение скорости теплоносителей


1. Скорость движения воздуха внутри труб.

Площадь проходного сечения одной трубы:



Принятое число труб: тогда действительная скорость воздуха в трубе:



Полученное значение близко к диапазону , указанному в литературе [1, стр. 48, табл. 6] и характерному для нагнетательной линии компрессора, поэтому оставляем принятую геометрию проходных сечений.

2. Скорость движения газов в межтрубном пространстве.

Примем длину труб: Определим скорость движения газов:



3.5 Определение критерия Рейнольдса


Критерий Рейнольдса для потока газа [2, стр. 160]



где кинематическая вязкость дымовых газов при температуре потока [2, стр. 176, прил. 8];

для потока воздуха:



где кинематическая вязкость воздуха при температуре потока [2, стр. 170, прил. 2].


3.6 Определение критериев Нуссельта


Зная величины критериев Рейнольдса, определяем критерии Нуссельта, чтобы затем установить коэффициенты теплоотдачи

Т.к. для газов то для определения критерия Нуссельта используем формулу [1, стр. 62, табл. 8]:



где и критерии Прандтля, определенные для газов при температуре газов и стенки соответственно. поправочный коэффициент, при угле атаки .

Поскольку для воздуха то для определения критерия Нуссельта используем следующую формулу [4, стр. 278]:



где поправочный коэффициент для турбулентного режима [выбран из табл. 15-3, литературы 4, стр. 279].


3.7 Определение коэффициентов теплопередачи


Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы



где коэффициент теплопроводности газов при температуре потока .

Коэффициент теплопередачи от стенки трубы к воздуху



где коэффициент теплопроводности воздуха при температуре потока


3.8 Определение коэффициентов теплопередачи


Пренебрегая термическим сопротивлением стальной стенки трубы, определяем коэффициент теплопередачи



3.9 Определение среднелогарифмической разности температурного напора


Для начала определим температурные напоры для между теплоносителями:

наибольший



- наименьший



Т.к. отношение то среднелогарифмический напор может быть подсчитан как среднеарифметический [4, стр. 310]:



Рис. 7. Схема изменения температуры при противотоке



Определение безразмерных коэффициентов:



Тогда искомая среднелогарифмическая разность температур



где поправочный коэффициент, который находим, используя найденные значения и по вспомогательному графику для выбранной схемы ТА [5, прил. 14, стр. 436].


3.10 Определение необходимой поверхности регенератора



3.11 Определение действительной длины труб



Это значение мало отличается от ранее принятого: Следовательно, можно окончательно принять



3.12 Определение действительной площади поверхности регенератора



3.13 Действительное количество передаваемой теплоты



Отличается от ранее найденного на

Следовательно, расчет можно считать законченным.

Выводы: Для обеспечения принятой степени регенерации требуется теплообменник с поверхностью теплообмена: Для достижения поставленной задачи требуется регенератор, имеющий 702 гладкие трубы со следующими характеристиками: внутренний диаметр наружный На основании полученных расчетов принята шахматная разбивка труб в пучке, при этом имеется 18 рядов по 20 труб и 18 рядов по 19 труб.



Заключение


В ходе выполнения курсовой работы было проведено исследование термодинамических циклов ГТУ, теоретического и действительного (расчетного). В результате расчетов определены теоретические и действительные параметры в характерных точках расчетной диаграммы, величины индикаторной работы, значение индикаторного и внутреннего КПД ГТУ, а также определены величины эффективного КПД, часовых расходов воздуха и рабочего тела. Определена структура КПД ГТУ. На основе рассмотрения теплового баланса ГТУ выявлено, что величины вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) выпускных газов позволяют их использовать для регенерации теплоты в цикле, что в результате должно привести к увеличению эффективного КПД ГТУ с 0,33 до 0,35 (на 6%). Конструктивный расчет регенератора выполнен в разделе III. Определены геометрические и режимные параметры, позволяющие реализовать регенерацию теплоты продуктов сгорания.


Список литературы


1.Ерофеев В.Л., Пряхин А.С. Теплофизические основы судовой энергетики. Учебное пособие. - СПб.: СПГУВК, 2003.

2.Пряхин А.С., Семенов П.Д. Конструкции и тепловой расчет теплообменных аппаратов. Учебное пособие.-СПб.: СПГУВК, 2001.

.Селиверстов В.М., Смоляк А.А., Хвастунов В.И. Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов. Учебное пособие. - Л.:ЛИВТ, 1975.

.Безюков О.К., Ерофеев В.Л., Пряхин А.С. Телотехника. Сборник задач. Учебное пособие. - СПб.: 2010.

.Арнольд Л.В., Михайловский Г.А., Селиверстров В.М. Техническая термодинамика и теплопередача. 2-ое издание, переработанное. Учебник для вузов. М.: 1979.


Введение Курсовая работа выполняется по индивидуальным заданиям, включающим три основных раздела: термодинамический расчет и анализ судовой энергетическо

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ