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;

3 – конденсатор;

4 – насос.

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 l_Т;

площадь 3-4-7-8-3 – техническая работа, затраченная на привод насоса l_н;

площадь цикла 1-2-3-4-1 – их разность, т.е. полезная работа цикла l₀, совершаемая над внешним объектом (над генератором).

На Ts-диаграмме:

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 l_о.

Поскольку математически работа двигателя l_Т положительна, а работа, затраченная на привод насоса l_Н, 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:

и тогда

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 20⁰С, что примерно соответствует давлению в конденсаторе р₂ = 0,04 бар (t_н = 29⁰С).

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.