ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ

ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ГАЗОТУРБИННЫХ

УСТАНОВОК

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Теплотехника» для студентов направления подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» всех форм обучения

 

Рекомендовано учебно-методической комиссией направления подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» в качестве электронного издания для выполнения лабораторной работы студентами всех форм обучения

 

 

Кемерово 2016

Рецензенты:

 

Темникова Е.Ю. – к.т.н., доцент кафедры теплоэнергетики;

Богомолов А.Р. – д.т.н., председатель учебно-методической комиссии направления подготовки бакалавров 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»

 

Дворовенко Игорь Викторович, Дворовенко Инна Ивановна. Сравнение эффективности различных теоретических циклов газотурбинных установок [Электронный ресурс]: методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов направления подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» всех форм обучения / И.В. Дворовенко, И.И. Дворовенко. – Кемерово: КузГТУ, 2016. – Систем. требования: Pentium IV; ОЗУ 8 Гб; Windows XP; (CD-ROM-дисковод); мышь. - Загл. с экрана.

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины «Теплотехника» и предназначены для студентов направления подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

 

 

© КузГТУ

Дворовенко И.В.

Дворовенко И.И.

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Целью лабораторной работы является сравнительное исследование эффективности циклов газотурбинных установок (ГТУ) с различными способами подвода теплоты.

В ходе работы студенты выбирают исследуемые циклы, задают значения характеристик одного из них, начальные температуру и давление. Задачей исследования является сравнение эффективности различных циклов ГТУ при одинаковой максимальной температуре или одинаковых максимальных температуре и давлении, или одинаковой подводимой теплоте, или одинаковой отводимой теплоте.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Циклы ГТУ подразделяют на циклы с подводом теплоты при постоянном давлении (p=const) и при постоянном объеме (v=const). Отвод теплоты в ГТУ осуществляется по изобаре, сжатие и расширение газа – по адиабате. Диаграммы циклов в pv - и Ts -координатах представлены на рис. 1 и 2.

В работе рассматриваются обратимые циклы, в которых в качестве рабочего тела используется идеальный газ с постоянной теплоемкостью, имеющий свойства воздуха. Изобарная теплоемкость в циклах равна 1000 Дж/(кг×К), показатель адиабаты – 1,4.

 

Эффективность циклов ГТУ определяется значением термических КПД. Более эффективным считается цикл, термический ГТУ которого больше при заданных условиях.

Термический КПД любого цикла определяют по уравнению:

,

где - количество теплоты, подведенной в цикле к рабочему телу, кДж/кг; - количество отведенной от рабочего тела теплоты, кДж/кг.

 

2.1. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при p=const

Основными характеристиками цикла являются:

– степень повышения давления:

,

– степень изобарного расширения:

,

где , – удельный объем газа в характерных точках цикла (рис. 1, а), м³/кг; , – абсолютное давление в характерных точках цикла, бар.

Максимальная температура:

,

максимальное давление:

,

подведенная теплота:

,

отведенная теплота:

,

термический КПД цикла:

,

где – начальное давление, бар; , , , – температуры в характерных точках цикла (рис.2, а), К; – изобарная теплоемкость, кДж/(кг×К); – показатель адиабаты.

 

2.2. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при v=const

Основными характеристиками цикла являются:

– степень повышения давления:

,

– степень добавочного повышения давления:

.

Максимальная температура:

,

максимальное давление:

,

подведенная теплота:

,

отведенная теплота:

,

термический КПД цикла:

,

где – изохорная теплоемкость, кДж/(кг×К).

ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ

 

Лабораторная работа выполняется на компьютере. Основными элементами установки (рис. 3) являются: pv -диаграмма 1, Ts -диаграмма 2, списки циклов 4, начальных температур 6, начальных давлений 7, степеней сжатия 8, степеней повышения давления 9, степеней предварительного расширения 10, кнопки расчета циклов для различных методов сравнения: при одинаковой максимальной температуре 14, при одинаковых максимальных температуре и давлении 13, при одинаковой подведенной теплоте 16, при одинаковой отведенной теплоте 15, вывода данных о цикле в таблицу Excel 11, очистки окон диаграмм и сведений о графиках 12.

В окне 17 задаются значения характеристик цикла, указанного слева в списке циклов 4, характеристики второго цикла вычисляются программой.

При помощи списка 4 задают исследуемый цикл, в списках 6 и 7 устанавливают начальные температуру и давление. В зависимости от задачи исследования устанавливают значения степеней повышения давления, добавочного повышения давления и предварительного расширения при помощи списков 8-10. Для расчета циклов и вывода диаграмм циклов, сравниваемых различными методами, используют кнопки 13-16. При помощи кнопки 11 можно вывести сведения о последнем рассчитанном цикле в таблицу Excel. Для удаления графиков циклов нужно нажать кнопку 12.

При сравнении циклов при одинаковых максимальных температуре и давлении степень повышения давления второго цикла вычисляется программой. В остальных случаях принимается, что степень повышения давления в обоих исследуемых циклах одинакова.

В окнах диаграмм 1 и 2 выводится одновременно два графика рассматриваемых циклов. Для более подробного ознакомления с диаграммами циклов их размер можно увеличить до размера окна программы, щелкнув мышкой в окне диаграммы. Для восстановления окна диаграммы нужно еще раз щелкнуть по диаграмме.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

 

Перед выполнением работы студент должен знать теоретические положения исследуемого цикла, изучить устройство лабораторной установки, уметь задавать значения различных параметров и характеристик цикла.

Работу выполняют в следующей последовательности:

1. Преподаватель ставит задачу исследования: указывает цикл и характеристики цикла, влияние которых нужно изучить.

2. Запускают приложение «Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок» и выбирают страницу «Сравнение циклов ГТУ».

3. Выбирают цикл в списке 4 (рис. 3), характеристики которого будут заданы.

4. Задают начальные параметры циклов: температуру и давление.

5. Устанавливают величины характеристик цикла, значения которых не будут изменяться в ходе работы.

6. Задают значение характеристики, влияние которой при сравнении эффективности циклов изучается.

7. Нажимают кнопку сравнения циклов (13, 14 15 или 16) в зависимости от задачи исследования.

8. Переносят сведения о цикле в таблицу Excel кнопкой 11.

9. Пункты 6-8 повторяют до выполнения задачи исследования.

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

1. Рассчитывают подводимую и отводимую теплоту в каждом цикле.

2. Определяют термический КПД цикла.

3. Строят графики зависимости термических КПД циклов от характеристики цикла.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

 

Отчет оформляют на листах бумаги формата А4 в соответствии со стандартами. Отчет должен содержать:

а) титульный лист установленной формы;

б) краткое изложение теоретических положений;

в) принципиальную схему установки;

г) таблицы «Журнал наблюдений и результаты расчетов»;

д) графики зависимостей;

е) анализ результатов работы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Цель работы.

2. Принципы работы ГТУ.

3. Достоинства и недостатки ГТУ.

4. Области применения.

5. Основные характеристики термодинамических циклов ГТУ.

6. Как определить максимальные значения температуры и давления в цикле?

7. Выведите формулу для расчета термического КПД цикла.

8. Как влияют характеристики цикла на максимальную температуру в цикле?

9. Рассчитайте приближенно количество подведенной теплоты, количество отведенной теплоты, полезную работу по диаграмме цикла.

 

8. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Кириллин В.А. Техническая термодинамика / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин – 4-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1979. – 512 с.

2. Техническая термодинамика: Учеб. для студентов вузов / В.И. Крутов, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под ред. В.И. Крутова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 384 с.

3. Ляшков В.И. Теоретические основы теплотехники [Электронный ресурс]: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности "Энергообеспечение предприятий" – М.: Абрис, 2012. – 318 с. Режим доступа: https://www.biblioclub.ru/book/117652/

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Таблица 1

Журнал наблюдений и результаты расчетов

 

 

№ п/п

Цикл

Степень повышения давления b

Степень добавочного повышения давления l

Степень предварительного расширения r

Параметры в характерных точках цикла

Подведенная теплота q 1, кДж/кг

Отведенная теплота q 2, кДж/кг

Термический КПД цикла h T, %

Т 1, К

р 1, бар

v 1, м3/кг

Т 2, К

p 2, бар

v 2, м3/кг

Т 3, К

p 3, бар

v 3, м3/кг

Т 4, К

р 4, бар

v 4, м3/кг