Interested Article - Цикл Ренкина

Термодинамические циклы
Статья является частью серии « Термодинамика »
Структурная схема паросиловой установки с использованием классического цикла Ренкина.
1 – Конденсат рабочего тела после конденсатора, с низким давлением;
2 – жидкое рабочее тело после конденсатора перед испарителем;
3 – пар рабочего тела с высоким давлением, перед тепловой машиной, например, турбиной;
4 – пар отработавшего рабочего тела на входе в конденсатор;
– подаваемая в испаритель;
– тепловая мощность, отбираемая от конденсатора;
– полезная механическая мощность тепловой машины;
– механическая мощность, затрачиваемая на подачу под давлением рабочего тела в испаритель (питательный насос).

Цикл Ре́нкина — термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью рабочего тела , претерпевающего фазовый переход жидкость-пар ( испарение ), приводящий к повышению давления, и обратный фазовый переход пар-жидкость ( конденсация ), обеспечивающий понижение давления. В качестве рабочего тела используется вода, ртуть , различные фреоны и другие вещества. Перепад давления позволяет совершать механическую работу, например вращение турбины.

История

Цикл Ренкина был предложен в середине XIX века инженером и физиком У. Ренкином .

По состоянию на начало 2000-х годов по циклу Ренкина в разных его вариациях, с использованием паровых турбин, вырабатывалось около 90 % всей электроэнергии, потребляемой в мире , включая паросиловые установки солнечных, атомных, а также тепловых электростанций, использующих в качестве топлива мазут, газ, уголь или торф.

Цикл Ренкина используется также в радиоизотопных электрогенераторах , а обратный цикл Ренкина - самый распространенный цикл холодильной машины, по которому работают компрессорные холодильные машины ( холодильники , кондиционеры , чиллеры , и так далее)

КПД цикла

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от разности величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара. КПД цикла Ренкина выражается:

Процессы

Диаграмма T-S

Цикл Ренкина с водой в качестве рабочего тела состоит из следующих процессов :

  • изотерма — линия 2—3 конденсация отработавшего пара с отводом теплоты в конденсаторе охлаждающей конденсатор водой (циркуляционной водой), или воздухом , нагнетаемым вентилятором , в случае конденсатора воздушного охлаждения. Отведенная теплота равна разности энтальпий между состояниями 2 и 3.
  • адиабата — линия 3—4. Сжатие сконденсированного рабочего тела до первоначального давления с затратой работы в питательном насосе . Также, в идеальном случае этот процесс является изоэнтропным, в реальности же протекает с изменением энтропии , и является необратимым (на T-S-диаграмме реальная адиабата бы выглядела как отрезок, имеющая угол наклона к оси, не равный 90°, по которой откладывается значение энтропии, в то время как идеальный и обратимый адиабатический процесс - изоэнтропа, выглядит как отрезок, перпендикулярный к оси энтропии). Работа, необходимая для сжатия сконденсированного рабочего тела, многократно меньше, чем работа, которая совершается рабочим телом в турбине.

Применение

Цикл Ренкина повсеместно применяется в современных тепловых и атомных электростанциях большой мощности, использующих в качестве рабочего тела воду. Паровоз с тендером-конденсатором также работает по этому термодинамическому циклу.

Обратный цикл Ренкина

При прохождении рабочим телом цикла Ренкина в обратном направлении (1—6—5—4—3—2—1) он описывает рабочий процесс холодильной машины с двухфазным рабочим телом (то есть, претерпевающим в ходе процесса фазовые переходы от газа к жидкости и обратно).

Холодильные машины, работающие по этому циклу, с фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в составе бытовых холодильников , кондиционеров и промышленных холодильников с температурой охлаждаемой камеры до −40 °C. Как правило, процесс расширения в обратном цикле Ренкина происходит без совершения работы ( дросселирование - необратимый адиабатный процесс )

Варианты цикла Ренкина

Цикл Ренкина с подогревом питательной воды

Цикл паротурбинной установки, в котором питательная вода до её поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточной ступени паровой турбины. Подогрев реализуется посредством специального теплообменника — регенеративного подогревателя, высокого или низкого давления (ПВД и ПНД). Наиболее широко распространённый в теплоэнергетике термодинамический цикл, причём подогрев осуществляется в несколько ступеней (на АЭС применяют один ПНД и промежуточный перегрев пара за счёт отбора с ЦВД, в атомной энергетике паровые турбины работают на насыщенном паре, за исключением реакторов с ЖМТ-теплоносителями ), некоторые паровые турбины на тепловых электростанциях имеют встроенный в конденсатор пучок подогревателя низкого давления, как самую первую ступень регенерации. КПД цикла также повышает использование теплофикационных отборов пара (как правило, подогрев сетевой воды в бойлерах, в которые поступает пар теплофикационных отборов, происходит в две ступени), таким образом, в атмосфере рассеивается просто так лишь 10% произведённой при сжигании топлива тепловой энергии, с учётом утилизации тепла дымовых газов на подогрев питательной воды и подогрев воздуха, подаваемого на горелочные устройства с помощью воздухоподогревателя в конвективной шахте и регенеративного воздухоподогревателя (РВП).

Иные рабочие вещества, применяемые в цикле Ренкина

В так называемом вместо воды и водяного пара используются органические жидкости, например н-пентан или толуол . За счет этого становится возможным использовать источники тепла, имеющие низкую температуру, например солнечные пруды (Solar pond), которые обычно нагреваются до 70—90 °C . Термодинамическая эффективность подобного варианта цикла невелика из-за низких температур, однако низкотемпературные источники тепла значительно дешевле высокотемпературных. в Германии в качестве рабочего тела использует изопентан .

Также цикл Ренкина может быть использован с жидкостями, имеющими более высокую температуру кипения, чем вода, для получения большей эффективности. Примером таких машин является турбина, работающая на парах ртути, используемая как высокотемпературная часть в ртутно-водяном бинарном цикле (англ.) ) .

См. также

Бинарные циклы

Примечания

  1. Wiser, Wendell H. (неопр.) . — (англ.) , 2000. — С. 190. — ISBN 978-0-387-98744-6 .
  2. Canada, Scott; G. Cohen, R. Cable, D. Brosseau, and H. Price. (англ.) // 2004 DOE Solar Energy Technologies : journal. — Denver, Colorado: US Department of Energy NREL, 2004. — 25 October. 18 марта 2009 года.
  3. Batton, Bill . Solar 2000 conference . Barber-Nichols, Inc. (18 июня 2000). Дата обращения: 18 марта 2009. Архивировано из 20 августа 2013 года.
  4. Nielsen et al., 2005, Proc. Int. Solar Energy Soc.
  5. Вукалович М. П. Новиков И. И. Термодинамика. М., 1972. С. 585.
  6. от 15 апреля 2012 на Wayback Machine (Учебно-методический комплекс «Техническая термодинамика») // Чувашский государственный университет. : «Ртуть имеет невысокое давление насыщения при высоких температурах и высокие критические параметры p кр = 151 МПа (1540 кгс/см 2 ), Т кр = 1490° С , а при температуре, например, 550 °C давление насыщения составляет всего лишь 1420 кПа (14,5 кгс/см 2 ); это позволяет осуществить цикл Ренкина на насыщенном ртутном паре без перегрева с достаточно высоким термическим к.п.д. … Таким образом, ртуть как рабочее тело хороша для верхней (высокотемпературной) части цикла и неудовлетворительна для нижней».

Литература

  1. Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики. — М. : Инфра-М, 2007. — 276 с. — ISBN 978-5-16-002223-9 .
Источник —

Same as Цикл Ренкина