Лабораторная работа №3
на тему «Термодинамический цикл газотурбинной установки»
Рассчитать термодинамический цикл газотурбинной установки (рис. 2), если рабочим телом является 1 кг смеси идеальных газов (табл. 3). Температура t1 , давление P1 рабочего тела на входе в осевой компрессор, а также другие исходные данные представлены в табл. 4.
Определить:
1. Параметры и функции состояния в характерных точках цикла: P, v, T, t, u, h, s.
2. Изменения функций состояния: Du,Dh,Ds; термодинамическую ℓи потенциальную w работы, а также теплообмен q во всех процессах цикла.
3. Работу цикла ℓц, термический коэффициент полезного действия ht и КПД цикла Карно 
, осуществляемого в том же интервале температур.
4. Коэффициент термодинамического совершенства цикла.
5. Теоретическую мощность газотурбинной установки при заданном расходе рабочего тела G.
Результаты расчетов занести в таблицы (Приложение. Табл. 7 и 8).
Изобразить цикл в координатах “Р-v” и “Т-s”. Кривые процессов проводить по трем точкам. Начертить схему ГТУ.
Как изменится термический КПД цикла ht , если произойдут следующие изменения в цикле (табл. 5).
|
а б
Таблица 3
Характеристики рабочего тела в ГТУ
| Первая цифра номера варианта | Массовые концентрации компонентов mi | G, кг/с | |||
| N2 | O2 | CO2 | H2O | ||
| 0,740 | 0,160 | 0,070 | 0,030 | ||
| 0,745 | 0,172 | 0,058 | 0,025 | ||
| 0,740 | 0,170 | 0,063 | 0,027 |
Таблица 4
Характеристики циклов ГТУ
| Вторая цифра номера варианта | t1, oC | P1, МПа | n1 | n2 | 
| 
| 
|
| -20 | 0,08 | 1,395 | 1,375 | 1,5 | |||
| -15 | 0,085 | 1,39 | 1,37 | 1,6 | |||
| -10 | 0,09 | 1,385 | 1,365 | 1,7 | |||
| -5 | 0,095 | 1,38 | 1,36 | 1,8 | |||
| 0,1 | 1,375 | 1,355 | 1,9 | ||||
| 0,105 | 1,37 | 1,35 | |||||
| 0,11 | 1,365 | 1,345 | 1,4 | ||||
| 0,097 | 1,38 | 1,36 | 1,5 | ||||
| 0,103 | 1,39 | 1,37 | 1,6 | ||||
| 0,092 | 1,385 | 1,365 | 1,7 |
Таблица 5
Изменения в цикле ГТУ
| Вторая цифра номера варианта | Изменения |
| Сжатие адиабатное | |
| Сжатие изотермическое | |
| Расширение адиабатное | |
| Расширение изотермическое | |
| Процессы сжатия и расширения адиабатные | |
| Процессы сжатия и расширения изотермические | |
| Сжатие адиабатное, расширение изотермическое | |
| Показатели политропы в процессах сжатия n1 и расширения увеличиваются на 10% | |
| Показатель политропы n1 в процессе сжатия увеличивается на 10%, расширение адиабатное | |
| Сжатие изотермическое, показатель политропы n2 в процессе расширения уменьшается на 10% |
Теплоемкость газов, входящих в состав рабочего тела выбирается при параметрах первой характерной точки цикла (t1) (Приложение. Табл. 2) и остается неизменной.
После расчетов провести анализ полученных результатов.
Приложение
Таблица 1
Характеристики газов
| Газ | Формула | Мольная масса m, кг/кмоль | Плотность при н.у. rо, кг/м3 | Газовая постоянная R, Дж/(кг.К) |
| Азот Аммиак Водород Водяной пар Воздух Кислород Метан Окись углерода Углекислый газ Этан | N2 NH3 H2 H2O - O2 CH4 CO CO2 C2H6 | 28,016 17,013 2,016 18,016 28,96 32,00 16,043 28,010 44,011 30,070 | 1,251 0,771 0,090 0,804 1,293 1,429 0,717 1,250 1,963 1,356 | 296,8 488,7 461,5 259,8 518,2 296,8 188,9 276,5 |
Таблица 2
Удельные изобарные теплоемкости идеальных газов cpm, кДж/(кг.К)
| Газ | Температура, К | |||||
| Азот N2 Аммиак NH3 Водород H2 Водяной пар H2 Воздух Кислород O2 Окись углерода CO Углекислый газ CO2 Метан CH4 Этан C2H6 Пропан C3H8 Бутан н-C4H10 Пентан н-C5H12 | 1,042 - 13,98 1,856 1,006 0,915 1,043 0,800 2,143 1,588 1,460 1,478 1,468 | 1,041 2,158 14,31 1,862 1,007 0,920 1,043 0,851 2,240 1,775 1,680 1,686 1,675 | 1,042 2,207 14,43 1,870 1,009 0,929 1,045 0,900 2,379 1,978 1,910 - - | 1,045 2,287 14,48 1,877 1,014 0,942 1,049 0,942 2,535 2,188 2,130 2,132 2,120 | 1,050 2,375 14,50 1,888 1,021 0,956 1,055 0,981 2,704 2,396 2,370 - - | 1,056 2,467 14,52 1,900 1,030 0,972 1,065 1,020 2,884 2,597 2,580 2,546 2,529 |
Таблица 3
Средний молярный состав (%) природных газов
| CH4 | C2H6 | C3H8 | н- C4H10 | C5H12 + высшие | N2 + R | CO2 | H2S |
| 95,10 98,78 97,85 98,28 | 1,10 0,10 0,10 0,08 | 0,30 0,02 0,03 - | 0,07 - 0,01 - | 0,03 - 0,01 - | 3,0 1,0 1,70 1,24 | 0,40 0,10 0,30 0,40 | - - - - |
| 74,8 84,0 98,23 | 8,70 5,0 0,1383 | 3,90 1,60 - | 1,80 0,70 0,0017 | 6,40 1,80 - | 4,30 2,65 1,24 | 0,10 1,1 0,39 | - 3,15 - |
Таблица 4
Термодинамические свойства некоторых газов*
| Параметры | CH4 | C2H6 | C3H8 | н-C4H10 | н- C5H12 | N2 | CO2 | H2S |
| m, кг/кмоль R, Дж/(кг.К) rо, кг/м3 Ткип , К (Ро) cpm , Дж/(кг.К) cvm, Дж/(кг.К) Ткр , К Ркр , МПа rкр , кг/м3 zкр | 16,043 518,2 0,717 111,4 190,5 4,7 162,0 0,290 | 30,07 276,5 1,356 184,5 4,9 210,0 0,285 | 44,097 188,5 2,007 231,0 369,6 4,3 225,5 0,277 | 58,124 143,0 2,715 272,7 3,8 225,2 0,274 | 72,151 115,2 3,220 309,4 470,2 3,4 232,0 0,269 | 28,016 296,8 1,247 77,4 126,2 3,39 311,5 0,291 | 44,011 188,9 1,955 194,7 304,2 7,41 470,8 0,274 | 34,082 243,9 1,539 212,2 373,6 9,0 368,5 0,268 |
* Значения теплоемкостей в таблице даны при нормальных условиях.
 |
Таблица 5
Термодинамические свойства воды и водяного пара на линии насыщения
| Р, МПа | t, oC | v'×103 м3/кг | v'', м3/кг | h', кДж/кг | h'', кДж/кг | s', Дж/(кг.K) | s'', Дж/(кг.K) |
| 0,002 0,003 0,005 0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,14 0,20 0,30 0,40 0,50 1,0 1,5 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 15,0 20,0 | 17,49 24,08 32,89 45,82 60,08 75,87 85,94 93,50 99,62 109,3 120,2 133,5 143,6 151,8 179,9 198,3 212,4 250,3 275,6 295,0 311,0 342,1 365,7 | 1,001 1,003 1,005 1,01 1,02 1,03 1,03 1,04 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,13 1,15 1,18 1,25 1,32 1,38 1,45 1,66 2,04 | 67,24 45,77 28,24 14,70 7,652 3,999 2,734 2,089 1,696 1,237 0,8860 0,6055 0,4623 0,3749 0,1945 0,1323 0,0996 0,0498 0,0324 0,0235 0,0180 0,0104 0,0059 | 73,40 100,9 137,8 191,8 251,5 317,6 359,9 391,8 417,5 458,4 504,7 561,7 604,6 640,1 762,1 844,2 908,6 | 260,3 354,7 476,4 649,6 832,4 |
Параметры критической точки воды: tкр = 374,15 oC; Ркр = 22,129 МПа;
vкр = 0,00326 м3/кг.
Таблица 6
Основные результаты расчета
| Уравнение | z1 | z2 | ro, кг/м3 | G, кг | t, час |
| Клапейрона | |||||
| P×v =z×R×T | |||||
| Бертло | |||||
| Редлиха-Квонга |
Таблица 7
Значения параметров и функций состояния
| № точки | Р, МПа | v, м3/кг | T, K | t, oC | u, кДж/кг | h, кДж/кг | s, Дж/(кг.K) |
Таблица 8
Изменения функций состояния и процесса
| Процесс | Du, кДж/кг | Dh, кДж/кг | Ds, Дж/(кг K) | ℓ, кДж/кг | w, кДж/кг | q, кДж/(г |
Список литературы
1. Болгарский А.В. «Термодинамика и теплопередача», Высшая школа, 1972.
2. Авдуевский В.С. и др. «Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике» Машиностроение, 1975.
3. Болгарский А.В. «Сборник задач по термодинамике и теплопередаче» Высшая школа, 1972.
4. Луканин В.И. и др. «Теплотехника» Высшая школа, 2000.
5. Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача» Высшая школа, 1969.