Важная проблема человечества– это загрязнение окружающей среды токсичными выбросами. Решение этой проблемы состоит в использовании газотурбинной установки замкнутого цикла. Что позволит отработанный газ не сбрасывать в атмосферу, а использовать его повторно, отправляя его в компрессор. Это предотвращает повышение энтальпии в мире, которая напрямую влияет на всемирное потепление.
Ключевые слова: гелий, азот, углекислый газ, дросселирование, теплоемкость, газотурбинная установка.
An important problem of humanity is the pollution of the environment by toxic emissions. The solution to this problem is to use a closed-cycle gas turbine plant. This allows the exhaust gas not to be discharged into the atmosphere, but to be reused, sending it to the compressor. What prevents an increase in the world's enthalpy, which directly affects global warming
Key words: helium, nitrogen, carbon dioxide, throttling, heat capacity, gas turbine installation.
Газотурбинная установка — это такая тепловая машина, в которой тепловая энергия газообразного рабочего тела преобразуется в механическую энергию.
Основными компонентами являются: компрессор, камера сгорания и газовая турбина.
Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок колеблется от десятков кВт до десятков МВт. Газотурбинная установка может работать как на газообразном, так и на жидком топливе.
Существуют газотурбинные установки открытого типа (рис.1), работающие на воздухе, которые выбрасывают в атмосферу отработанный газ. Это неэффективно, потому что, температура отработавших газов высокая и потеря неиспользованного тепла велика, а также загрязняет окружающую среду.
Рис. 1. Схема ГТУ открытого цикла: ГТ — газовая турбина; К — компрессор; КС — камера сгорания; Э — электрогенератор
Для решения этой проблемы используют ГТУ закрытого цикла (см. рис. 2), которая не сбрасывает отработанный газ в атмосферу, а использует его повторно, отправляя его в компрессор. Это позволяет сократить количество токсичных выбросов и повысить эффективность газотурбинных установок.
Рис. 2. Схема ГТУ замкнутого цикла: ГТ — газовая турбина; К — компрессор; ТО — теплообменник; ОХЛ — охладитель; ЭГ — электрогенератор
В ГТУ замкнутого типа в качестве теплоносителя чаще всего используют: гелий, азот, углекислый газ.
Так как использование жидкости вызывает трудности, потому что требуется ряд процессов, чтобы вернуть его в изначальное состояние. Следовательно, использование газообразного рабочего тела является отличным выбором, так как при всем процессе, газ не имеет фазового перехода, и при любой температуре позволяет протеканию термодинамических процессов.
Проблемой углекислого газа низкий КПД цикла. Происходит это из-за недоохлаждения газа при выходе, температура которого составляет ~600 К. В итоге приходится отработанный газ охлаждать на ~300 К, ведь при определенных параметрах можно принять температуру сжатия 305–310 К. Понижение температуры, приводит к большой потере эффективности, ведь часть его теплоты не расходуется.
Для работы в газотурбинных установках замкнутого цикла, чаще всего выбирают гелий. Он обладает вытесняющими свойствами, имеет высокое значение RT, благодаря маленькой молекулярной массе при одинаковых условиях. Проблема гелия, его маленький удельный объем, ведь при вытеснении из топливных баков это будет проблемой. Для этого повышают температуру гелия, что позволяет ему увеличить удельный объем.
Разница азота и гелия состоит в их температурах. Процесс дросселирование сопровождается повышением температуры гелия, а у азота происходит обратное действие, наступает усиленное охлаждение. Использование замкнутой газотурбинной установки и применение гелия в качестве рабочего тела обеспечит относительно небольшие габариты оборудования.
Во сколько раз гелий превосходит воздух, мы можем увидеть если сравним две газотурбинные установки — гелиевую и воздушную. Выявим соответствие между степенью повышения давления:
Рис. 3. Соответствие между степенью повышения давления гелия и воздуха
Так как теплоемкость гелия
Соответственно из этих условий, можно сказать, что отношение давлений и отношение плотностей в гелиевой установке будет меньше, чем в воздушной. Следовательно, при равенстве начальных температур и давлений, начальная плотность гелия будет меньше, чем воздуха.
Рассмотрев рабочие тела, которые используются в газотурбинных установках замкнутого цикла, можно сказать, что наиболее перспективным является гелий.
Литература:
- Газотурбинные установки замкнутого цикла URL: https://cyberleninka.ru/article/n/yadernye-gazoturbinnye-ustanovki-zamknutogo-tsikla
- Циклы газотурбинных установок. URL: https://www.elektro-expo.ru/ru/articles/gazoturbinnaya-ustanovka/
- ГТУ замкнутого циклаURL: https://mirmarine.net/svm/seu/668-gtu-zamknutogo-i-poluzamknutogo-tsiklov
- Использование гелия в ракетных двигателях URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-geliya-v-zhidkostnyh-raketnyh-dvigatelyah
- Газотурбинная установка на углекислом газе URL: https://www.popmech.ru/technologies/news-590003-gazoturbinnuyu-ustanovku-na-uglekislom-gaze-razrabotali-v-rossii/
