Цикл Ренкина
Цикл Ре́нкина — термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью рабочего тела, претерпевающего фазовый переход пар-жидкость (конденсация) и обратный фазовый переход жидкость-пар (испарение). В качестве рабочего тела используется вода, ртуть, различные фреоны и другие вещества.
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[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 [math]\displaystyle{ \eta }[/math] выражается:
- [math]\displaystyle{ \eta = \frac{q_1-q_2}{q_1} = \frac{l_a^T-l_a^H}{q_1}. }[/math]
Процессы
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 [math]\displaystyle{ {q_1} }[/math]. 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.
- адиабата — линия 1—2. Процесс расширения пара в турбине и преобразования части внутренней энергии пара в механическую работу ([math]\displaystyle{ {l_a^T} }[/math]). В идеальном случае этот процесс является изоэнтропным. Этот процесс происходит в паровой машине или в паровой турбине.
- изотерма — линия 2—3 конденсация отработавшего пара с отводом теплоты [math]\displaystyle{ {q_2} }[/math] в конденсаторе охлаждающей конденсатор водой (циркуляционной водой), или воздухом, нагнетаемым вентилятором, в случае конденсатора воздушного охлаждения.
- адиабата — линия 3—4. Сжатие сконденсировавшегося рабочего тела до первоначального давления с затратой работы [math]\displaystyle{ {l_a^H} }[/math] 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).
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[2] или толуол[3]. За счет этого становится возможным использовать источники тепла, имеющие низкую температуру, например солнечные пруды (Solar pond), которые обычно нагреваются до 70—90 °C[4]. 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 )[5][6].
См. также
Примечания
- ↑ Wiser, Wendell H. Energy resources: occurrence, production, conversion, use (неопр.). — Birkhäuser , 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 (недоступная ссылка). Solar 2000 conference. Barber-Nichols, Inc. (18 июня 2000). Дата обращения: 18 марта 2009. Архивировано 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).