Цикл Ренкина

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;
${\dot {Q}}_{in}$ – подаваемая в испаритель;
${\dot {Q}}_{out}$ – тепловая мощность, отбираемая от конденсатора;
${\dot {W}}_{t}$ – полезная механическая мощность тепловой машины;
${\dot {W}}_{p}$ – 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 $\eta$ выражается:

$\eta ={\frac {q_{1}-q_{2}}{q_{1}}}={\frac {l_{a}^{T}-l_{a}^{H}}{q_{1}}}.$

Процессы

Диаграмма T-S

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

• изобара (термодинамика) — линия 4—5—6—1. Происходит догрев (в экономайзере) до температуры насыщения и испарение воды (перевод в состояние влажного пара, а затем сепарация пара от капель воды с повышением степени сухости), а затем перегрев пара в пароперегревателе. В этом процессе затрачивается теплота ${q_{1}}$. Происходит в паровом котле, в активной зоне реактора или в парогенераторе. На АЭС с большинством типов энергетических реакторов (РБМК, ВВЭР, BWR, CANDU) перегрева пара не происходит, происходит только сепарация пара и сепарация после ЦВД паровой турбины. Подведённая теплота равна разности энтальпий между состояниями 4 и 1.

• адиабата — линия 1—2. Процесс расширения пара в турбине или паровой машине и преобразования части внутренней энергии пара в механическую работу (${l_{a}^{T}}$). В идеальном случае этот процесс является изоэнтропным. Этот процесс происходит в паровой машине или в паровой турбине. В реальности процесс происходит с увеличением энтропии, работа в этом процессе равна разности энтальпий между состояниями 1 и 2.

• изотерма — линия 2—3 конденсация отработавшего пара с отводом теплоты ${q_{2}}$ 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 ${l_{a}^{H}}$ 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 органическом цикле Ренкина 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. Геотермальная электростанция Ландау 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 ртутно-паровая турбина).

См. также

Бинарные циклы

Литература

1. Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики. — М.: Инфра-М, 2007. — 276 с. — ISBN 978-5-16-002223-9.
2. Техническая термодинамика. Под ред. В. И. Крутова. Москва «Высшая школа». 1981. (формат djvu).