Цикл Ренкина. Методы повышения КПД цикла Ренкина.
В результате замены парового компрессора насосом, подающим в котел конденсат отработавшего пара, а также введения перегрева пара перед двигателем цикл Карно превращается уже в другой цикл, называемый циклом Ренкина.
1 – паровой котел с пароперегревателем;
2 – паровой двигатель;
Паровой котел представляет собой устройство, в котором производится сжигание топлива и теплота образующихся газообразных продуктов сгорания используется для превращения поступающей в него воды в перегретый (или насыщенный) пар.
Конденсатор представляет собой трубчатый теплообменник, внутренняя поверхность трубок которого охлаждается циркуляционной водой, за счет чего на их наружной поверхности происходит конденсация отработавшего пара.
Скапливающийся внизу конденсат откачивается насосом, который повышает его давление до необходимой величины и подает обратно в котел.
Цикл Ренкина состоит из:
1-2 — адиабатного процесса расширения пара в двигателе;
2-3 — изобарно-изотермического процесса конденсации отработавшего пара в конденсаторе;
3-4 — адиабатного процесса повышения давления воды в насосе;
4-5-6-1 — изобарного процесса парообразования в котле.
На р 
— диаграмме:
площадь 1-2-8-7-1 – техническая работа двигателя lТ;
площадь 3-4-7-8-3 – техническая работа, затраченная на привод насоса lн;
площадь цикла 1-2-3-4-1 – их разность, т.е. полезная работа цикла l0, совершаемая над внешним объектом (над генератором).
площадь 4-5-6-1-7-8-4 – тепло q1, получаемое рабочим телом от горячего источника (газообразных продуктов сгорания топлива),
площадь 2-3-8-7-2 – тепло q2, отдаваемое рабочим телом холодному теплоприемнику (циркуляционной воде конденсатора),
площадь цикла 1-2-3-4-5-6-1 – их разность q1–q2, т.е. полезное тепло, превращаемое в работу lо.
Поскольку математически работа двигателя lТ положительна, а работа, затраченная на привод насоса lН, отрицательна, полезная работа цикла может быть представлена как алгебраическая сумма этих работ:
Предполагая, что вода несжимаема, т.е., что в точках 3 и 4 удельные объемы ее одинаковы 
, получаем:
Тепло, подводимое к рабочему телу от горячего источника
а термический к.п.д. цикла Ренкина
Величина i3 представляет собой энтальпию кипящей воды при давлении р2 , которую следует обозначить буквой 
.
Тогда 
Таково выражение для термического к. п. д. цикла Ренкина с учетом затраты работы на привод насоса.
При анализе работы паросиловых установок с невысоким начальным давлением можно пренебречь затратой работы на привод насоса:
Величину термического к.п.д. цикла Ренкина удобно определять графо-аналитическим методом с помощью is-диаграммы:
Помимо термического к.п.д. показателем эффективности цикла Ренкина может служить теоретический удельный расход пара, т.е. количество пара, теоретически расходуемое на единицу работы:
, кДж/кг, или 
, кг/(кВт×ч).
Теплофикационные циклы.
Основной тепловой потерей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, является теплота парообразования отработавшего пара, отдаваемая охлаждающей воде конденсатора и нигде не используемая.
В Ts–диаграмме эта потеря изображается площадью прямоугольника 2-3-8-10-2.
Невозможность использования теплоты охлаждающей воды конденсаторов для удовлетворения тепловых потребителей объясняется низкой температурой этой воды, составляющей обычно около 20 0 С, что примерно соответствует давлению в конденсаторе р2 = 0,04 бар (tн = 29 0 С).
Устранить эту потерю можно путем повышения противодавления (давления в конденсаторе), а следовательно, и температуры отработавшего пара, что делает его пригодным для удовлетворения тепловых нужд промышленности или коммунального хозяйства.
Положим, пар расширяется до давления, близкого к атмосферному, чему на Ts-диаграмме соответствует точка 6. В таком случае количество в работу (а затем тепла, превращенного в электроэнергию), будет измеряться площадью 1-6-7-4-5-1, а тепло, полезно использованное для удовлетворения нужд тепловых потребителей, – площадью 7-6-10-9-7.
Из диаграммы видно, что работа 1 кгпара (и соответственно выработка механической или электрической энергии) будет меньше, чем при расширении до предельно низкого давления, и расход пара на получение того же количества электроэнергии будет больше.
Зато теплота парообразования отработавшего пара не теряется, а полезно используется.
Для оценки экономичности такого рода установок вводится понятие о степени использования тепла, под которой понимается отношение всего использованного (в виде механической и тепловой энергии) тепла к количеству тепла, затраченному на образование пара:
В цикле Ренкина степень использования тепла есть не что иное, как термический к. п. д. цикла. Следовательно, для конденсационных установок степень использования тепла может достичь лишь 52-53%.
В теоретическом цикле комбинированной выработки электроэнергии и тепла (иначе говоря – выработки электроэнергии на базе теплового потребления) степень использования тепла составляет 100% (в действительности из-за необратимости процессов расширения к. п. д. теплофикационных установок достигает 70-75%).
Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии имеет огромное преимущество по сравнению с раздельной их выработкой на конденсационных электростанциях и в котельных соответственно.
Паросиловые установки для комбинированной выработки электрической и тепловой энергий называются теплофикационными электростанциями или теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Сравнивая цикл Ренкина для перегретого пара с циклом Карно, взятым для того же температурного интервала можно заметить, что заполнение верхней части этого интервала у цикла Ренкина невелико из-за относительно низкой температуры насыщения, при которой идет парообразование в котле.
Увеличить заполнение верхней части располагаемого температурного интервала можно путем создания установки с двумя турбинами – газовой и паровой.
Воздух, сжатый в компрессоре 1, подается в камеру сгорания парогенератора 2, работающего на жидком или газообразном топливе.
Продукты сгорания топлива расширяются до атмосферного давления в газовой турбине 3, а затем, охладившись в противоточном регенеративном подогревателе 4 до температуры 40-50 °С, удаляются в атмосферу.
Перегретый пар, полученный в парогенераторе 2, расширяется в паровой турбине 5, затем направляется в конденсатор 6, а конденсат его, нагревшись за счет тепла отработавших газов газовой турбины, поступает в качестве питательной воды в парогенератор.
Термодинамический цикл описанной парогазовой установки представлен в Ts-диаграмме.
Он состоит из двух циклов – газового цикла (1-2-3-4-1) и парового цикла (5-6-7-8-9-10-5), причем весь процесс подогрева питательной воды по линии 8-9 осуществляется за счет регенерации тепла уходящих газов газотурбинной установки путем их охлаждения по линии 4-1.
Источник
Способы повышения к.п.д. паросиловых установок
К. п. д. цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50%. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в турбине значение к. п. д. еще меньше.
На величины энтальпий, входящих в выражение (9) оказывают влияние три параметра рабочего тела –– начальное давление р1 и начальная температура Т1 перегретого пара на входе в турбину и конечное давление р2 на выходе из турбины. Это приводит к увеличению теплоперепада 
и как следствие этого, к увеличению удельной работы и к. п. д. цикла.
Кроме изменения параметров пара повысить экономичность паросиловых установок можно за счет усложнения схем самой установки.
На основании выше сказанного выявляются следующие пути повышения термического к. п. д.
1. Повышение начального давления р1 при неизменных параметрах Т1 и р2 (рис. 15, а). На 
диаграмме показаны циклы Ренкина при максимальных давлениях р1 и р1а > р1. Сопоставление этих циклов показывает, что с увеличением давления до р1а теплопререпад 
имеет большее значение, чем , а количество подводимой теплоты 
уменьшается. Такое изменение энергетических составляющих цикла с ростом давления р1 увеличивает термический к. п. д. Этот метод дает значительное повышение эффективности цикла, но в результате повышения р1 (давление в паросиловых установках может достигать до 30 ата) увеличивается влажность пара, выходящего из турбины, что вызывает преждевременную коррозию лопаток турбины.
2. Увеличение начальной температуры Т1 при неизменных параметрах р1 и р2 (рис. 15, б). Сопоставляя циклы в диаграмме при температурах Т1 и Т1а > Т1 можно увидеть, что разность энтальпий увеличивается в большей степени чем разность 
, так как изобара 
протекает более круто, чем изобара 
. При таком изменении разности энтальпий с ростом максимальной температуры цикла термический к. п. д. возрастает. Недостатком этого метода является то, что для пароперегревателя требуется жаропрочный металл, температура перегретого пара может достигать до 650 °С.
3. Одновременное повышение давления р1 и температуры Т1 при постоянном давлении р2. Повышение как р1 так и Т1 увеличивает термический к. п. д. Влияние их на влажность пара в конце расширения противоположно, с повышением р1 она возрастает, а с увеличением Т1 –– уменьшается. В конечном итоге состояние пара будет определяться степенью изменения величин р1 и Т1.
4. Понижение давление р2 при постоянных параметрах Т1 и р1 (рис. 15, в). С понижением р2 увеличивается степень расширения пара в турбине и техническая работа возрастает ∆l = la – l. При этом количество отводимой теплоты 
меньше, чем 
(изобара при меньшем давлении более пологая), а количество подводимой теплоты возрастает на величину 
. В результате термический к. п. д. цикла увеличивается. Понижая давление р2 можно достигнуть на выходе из конденсатора температуры равной температуре окружающей среды, но при этом в конденсационном устройстве придется создавать вакуум, так как температуре 
соответствует давление р2 = 0,04 ата.
5. Использование вторичного (промежуточного) перегрева пара (рис. 15, г). На диаграмме прямая 1–2 показывает расширение пара до некоторого давления р1а в первом цилиндре двигателя, линия 2–1а –– вторичный перегрев пара при давлении р1а и прямая 1а–2а –– адиабатное расширение пара во втором цилиндре до конечного давления р2.
Термический к. п. д. такого цикла определяется по выражению
.
Применение вторичного перегрева пара приводит к снижению влажности пара на выходе из турбины и к некоторому увеличению технической работы. Повышение к.п.д. в этом цикле незначительное, всего 2–3 %, и такая схема требует усложнения конструкции паровой турбины.
6. Применение регенеративного цикла. В регенеративном цикле питательная вода после насоса протекает через один или несколько регенераторов, где нагревается паром, частично отбираемым после расширения его в некоторых ступенях турбины (рис. 16).
Рис. 15. Пути повышения термического к.п.д. цикла Ренкина
Рис. 16. Схема паросиловой установки, работающей
по регенеративному циклу:
1 –– котел; 2 –– пароперегреватель; 3 –– паровая турбина; 4 –– электрогенератор; 5 –– охладитель-конденсатор; 6 –– насос; 7 –– регенератор; α –– доля отбора пара
Количество отобранного пара будет определяться из уравнения теплового баланса для регенератора
,
где 
–– энтальпия конденсата при конечном давлении пара р2; 
–– энтальпия пара, отбираемого из турбины; 
–– энтальпия конденсата при давлении отбора пара.
Полезная работа 1 кг пара в турбине будет определяться по формуле:
.
Количество теплоты затраченной на 1 кг пара, составляет
.
Тогда термический к.п.д. в регенеративном цикле будет найден
.
Подробное исследование регенеративного цикла показывает, что его термический к.п.д. всегда больше термического к.п.д. цикла Ренкина с теми же начальными и конечными параметрами. Увеличение к.п.д. при использовании регенерации составляет 10–15 % и возрастает с увеличением количеств отбора пара.
7. Применение теплофикационного цикла. В теплофикационном цикле утилизируется теплота, отдаваемая паром охлаждающей воде, которая обычно используется в отопительных системах, в системах горячего водоснабжения и для других целей. При этом теплота q1, подводимая к рабочему телу, может в разной степени перераспределяться дл получения технической работы и теплоснабжения. В теплофикационном цикле (рис. 17) часть электроэнергии недорабатывается, так как часть теплоты пара отбираемого из турбины расходуется у потребителя.
Рис. 17. Схема паросиловой установки, работающей по
1 –– котел; 2 –– пароперегреватель; 3 –– паровая турбина; 4 –– электрогенератор; 5 –– охладитель-конденсатор; 6 –– насос; 7 –– потребитель теплоты
Количество теплоты, полученное рабочим телом, 
частично превращается в полезную работу лопаток турбины 
, а частично затрачивается для целей теплоснабжения у потребителей 
. Поскольку и та и другая работы являются полезными, то термический к. п. д. теряет свой смысл.
К.п.д. теплофикационного цикла будет определяться
.
Так как в теплофикационном цикле вырабатывается два вида продукции (электроэнергия и теплота), то приходится различать внутренний КПД по выработке теплоты и средневзвешенный КПД по выработке электроэнергии и теплоты. Каждый из них равен единице, поскольку в пределах цикла потерь нет.
В реальности к.п.д. теплофикационного цикла не может быть равен единице, так как всегда существуют механические потери в турбине и гидравлические потери в системах теплоснабжения.
Источник
