РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ “КОНЦЕНТРАТОР – ТЕПЛОПРИЁМНИК
– АККУМУЛЯТОР” И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.
ОСНОВНЫЕ ЭТАТЫ РАСЧЁТА
В первом разделе на основе анализа литературных источников было доказано, что
из всех видов машинных преобразователей наилучшими характеристиками для
использования в космосе обладают преобразователи, работающие по замкнутому
газотурбинному циклу Брайтона.
Термодинамический цикл с регенерацией тепла такой установки, изображённый в
координатах T–S, показан на рис. 2.1.
6 Т
1 1
5
q 21 2
4 2 7 4 q
3
3 S
Рис. 2.1. Термодинамический газотурбинный цикл с регенерацией тепла:
1-теплоприёмник, совмещённый с ТА; 2-турбина; 3-холодильник-излучатель; 4-
компрессор;5-регенератор;6-концентратор;7-электрогенератор.
Работа системы заключается в следующем. Рабочее тело установки - для
использования в космосе наилучшие характеристики имеют инертные газы или их
смеси - циркулирует по замкнутому контуру. В процессе циркуляции происходит
сжатие газа в компрессоре 4 (от точки 3 до точки 4), подогрев – в
рекуперативном теплообменнике 5 ( от точки 4 до точки 21), подогрев
сконцентрированной солнечной энергией - в теплоприёмнике, совмещённом с
теплоаккумулятором 1 (от точки 21 до точки 1), расширение – в турбине 2 (от
точки 1 до точки 2), охлаждение в рекуператоре 5 с последующим выбросом
остаточного тепла в космическое пространство через холодильник – излучатель 3
(от точки 2 до точки 3). Механическая работа турбины, получаемая при расширении
газа, расходуется на сжатие газа в компрессоре и на привод генератора 7,
вырабатывающего электроэнергию.
В круг проблем, которые исследуются в данной работе, не входят проблемы,
связанные с определением оптимальных значений параметров газодинамического
цикла, таких как, КПД компрессора hКОМ, КПД турбины hТУР, КПД генератора hГЕН,
механический КПД системы hМЕХ, степень расширения газа в турбине pТУР, степень
сжатия газа в компрессоре pКОМ, степень регенерации r.
Для каждой конкретной установки выбираются агрегаты, имеющие определённое
значение этих параметров, в соответствии с техническими требованиями и уровнем
развития современной техники.
Анализ литературных данных [11, 37, 38 и др.] позволяет обобщить информацию о
параметрах цикла современных ГТУ, которые могут функционировать в космосе, и
выбрать усреднённое значение этих величин для последующего использования в
расчётах. Эти значения сведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Наиболее характерные значения параметров газотурбинного цикла.
hком = 0,81
hген = 0,94
pком = 1,65
r = 0,95
hтур = 0,91
hмех = 0,95
pтур = 1,567
k = 1,66
2.1. Выбор исходных параметров расчёта системы и его основные этапы
Знание параметров газотурбинного цикла Брайтона, позволяет вычислить величину
КПД этого цикла с регенерацией по следующей формуле:
(2.1)
где Т1 - температуры теплоносителя на выходе из теплоприёмника – аккумулятора;
Т3 - температура рабочего тела после охлаждения в холодильнике – излучателе;
к - показатель адиабаты, значения которого для смеси инертных газов гелия и
ксенона приведены в табл. 2.1;
Как видно из формулы (2.1), коэффициент полезного действия преобразователя
тепла в электричество тем выше, чем больше отношение максимальной температуры в
цикле Т1 к минимальной Т3. Значение минимальной температуры цикла Т3 ограничено
величиной площади холодильника – излучателя, являющейся наиболее важной
массогабаритной характеристикой системы [38], максимальная температура Т1
напрямую связана с температурой плавления веществ, используемых для
аккумулирования тепла. Поэтому выбор оптимального значения параметра Т1 / Т3
является важной задачей при проектировании систем такого рода. Этой проблеме
уделено большое внимание в работе [38]. Авторы предлагают множество графиков,
связывающих величину Т1/Т3 с величиной оптимального КПД газотурбинного цикла,
степенью сжатия газа в компрессоре, площадью холодильника – излучателя. Эти
графики строились для различных значений различных степеней регенерации. Рис.
2.2 является в некотором роде обобщением данной информации.
Рис. 2.2. Зависимость величины площади холодильника излучателя от отношения
верхней и нижней температуры цикла для различных степеней регенерации.
Анализ графиков позволяет сделать вывод, что оптимальное значение Т1 /Т3 лежит
в пределах 3,60 – 3,65. Особо следует отметить, что наличие в составе установки
такого специфического устройства каким является фазопереходной ТА, не оказывает
существенного влияния на оптимальное значение величины Т1 /Т3 . Это связано,
прежде всего, с тем, что плавление – затвердевание происходит изотермически,
при постоянном давлении и, следовательно, аккумуляторы, основанные на этом
принципе, позволяют накапливать и высвобождать энергию практически при
неизменной температуре, равной температуре фазового перехода ТАМа. Именно на
этот температурный уровень и проектируется аккумулятор, а, следовательно, и вся
система. Таким образом, верхнюю температуру цикла можно считать заданной, если
известна температура плавления используемого ТАМа. Вторым исходным параметром
является значение требуемой выходной электрической мощности установки NЭЛ.
Третьим – значение солнечной постоянной Е0.
Приступая к тепловому и газодинамическому расчёту установки, необходимо кратко
охарактеризовать его основные этапы. Укрупнённая блок-схема оптимизации системы
оптимизации системы