Цикл Ренкина
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
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[1], 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
Цикл Ренкина с водой в качестве рабочего тела состоит из следующих процессов:
- 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 . Происходит вактивной 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 энтальпиймежду 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(). 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 и изобара одновременно — 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. Сжатиесконденсированного рабочего тела до первоначального давления с затратой работы в питательномкВ)асинхронный быстроходный (синхронная скорость 3000 об/мин), серии 4АЗМ или подобный, реже синхронный, через цилиндрический редуктор и гидромуфту), это питательный электронасос, или ПЭН, либо от специально предназначенной приводной паровой турбины (в данном случае привод прямой, гидромуфта не требуется, поскольку скорость вращения насоса регулируется расходом пара через приводную турбину) на энергоблоках большой мощности (более 150 мегаватт), это питательный турбонасос, или ПТН.
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
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
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[англ.])[5][6].
См. также
Примечания
- ↑ Wiser, Wendell H. Energy resources: occurrence, production, conversion, use (неопр.). — Birkhäuser[англ.], 2000. — С. 190. — ISBN 978-0-387-98744-6.
- ↑ Canada, Scott; G. Cohen, R. Cable, D. Brosseau, and H. Price. Parabolic Trough Organic Rankine Cycle Solar Power Plant (англ.) // 2004 DOE Solar Energy Technologies : journal. — Denver, Colorado: US Department of Energy NREL, 2004. — 25 October. Архивировано 18 марта 2009 года.
- ↑ Batton, Bill Organic Rankine Cycle Engines for Solar Power . Solar 2000 conference. Barber-Nichols, Inc. (18 июня 2000). Дата обращения: 18 марта 2009. Архивировано из оригинала 20 августа 2013 года.
- ↑ Nielsen et al., 2005, Proc. Int. Solar Energy Soc.
- ↑ Вукалович М. П. Новиков И. И. Термодинамика. М., 1972. С. 585.
- ↑ Виды теплофикационных турбин Архивная копия 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 pкр = 151 МПа (1540 кгс/см2), Ткр = 1490° С, а при температуре, например, 550 °C давление насыщения составляет всего лишь 1420 кПа (14,5 кгс/см2); 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
- Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики. — М.: Инфра-М, 2007. — 276 с. — ISBN 978-5-16-002223-9.
- Техническая термодинамика. Под ред. В. И. Крутова. Москва «Высшая школа». 1981. (формат djvu).