Тепловые насосы, основанные на использовании двойного цикла Ренкина

Цикл Ренкина - термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью водяного пара. Цикл Ренкина самый распространенный термодинамический процесс на ТЭЦ. Фактически, все паровые турбогенераторы на ТЭЦ работают в цикле Ренкина или в его вариациях. Сначала происходит нагрев и испарение воды, затем перегрев пара, перегретый пар расширяясь вращает турбину, отработанный пар конденсируется с помощью охлаждающей воды, сконденсированный пар сжимается для подачи в парогенератор.

Термин «цикл Ренкина» иногда обозначается и энергетический цикл, и парокомпрессионный. Если тепловая машина, работающая по циклу Ренкина, применяется для привода теплового насоса, то получается схема, которую можно назвать двойным циклом Ренкина. Такая комбинация особенно интересна, когда в двух контурах можно использовать одинаковое рабочее тело.

Двойной цикл Ренкина показан на рис. 3.10. вместе с его изо­бражением на р - h диаграмме. Ииспользуется рабочее тело - хладоагент низкого давления, удобный для ротационных машин. Такой же цикл можно создать и на основе поршневых компрессора и двигателя, но поскольку он предназначен для отопления жилищ, менее шумные ротационные машины применяются шире.

Точками а, Ь, с, d обозначен парокомпрессионный цикл, а точ­ками а, b, е, f - энергетический. Хладоагент адиабатически сжи­мается от b до е с помощью небольшого гидравлического насоса

Рис. 3.10. Двойной цикл Ренкина в координатах давление - энтальпии. 1 - испаритель; 2 - компрессор; 3 - расширительная машина; 4 - конденсатор; 5 - котел; 6 - питательный насос; 7 - дроссельный клапан.

при затрате пренебрежимо малой работы, так как жидкость практически несжимаема. Такой насос используется и в абсорбционных машинах. Между состояниями е и f за счет внешнего сгорания подводится тепло в теплообменнике, который можно назвать котлом. Максимальная температура в точке f ограничивается термической стойкостью хладоагента и масла, а не термодинамикой. Этот предел ограничивает КПЭ (коэффициент первичной энергии) цикла. Между f и а рабочее тело расширяется, производя работу, которая затрачивается на привод компрессора. Как сжатие, так и расширение здесь характеризуются изоэнтропическим. КПД 0,75.

Фактически тепловой насос состоит из двух отдельных циклов, но объединенных для простоты. Имеется только один общий кон­денсатор, а обе ротационные машины идентичны и соединены об­щим валом.

Структурная схема паросиловой установки на базе четырёх основных конструктивных составляющих, используемых при реализации классического цикла Ренкина представлена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Цикл Ренкина

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов: - изобара линия 4-5-6-1. Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В процессе затрачивается теплота q1 - адиабата линия 1-2. Процесс расширения пара в турбине, то есть её вращение паром lаТ - изобара линия 2-3 Конденсация отработанного пара с отводом теплоты q2 охлаждающей водой - адиабата линия 3-4.

Сжатие сконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы l_а^Н

При прохождении 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 наоборот). Холодильные машины, работающие по этому циклу, с фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в качестве бытовых холодильников, кондиционеров и промышленных рефрижераторов с температурой морозильника до - 40 ⁰C.

Возможность привода теплового насоса с помощью тепловой машины по циклу Ренкина при низкой температуре в котле делает его перспективным также для кондиционирования воздуха и ох­лаждения воды за счет солнечной энергии. Такое направление представляет особый интерес для стран с изобилием солнечной энергии.

В органическом цикле Ренкина (ORC) вместо воды, в качестве рабочего тела используются органические жидкости, кипящие при более низких температурах. Органические жидкости имеют более высокую молекулярную массу, замедляющую скорость вращения турбин. Например, могут использоваться фреоны, аналогчные используемым в холодильной технике. За счет применения такого рабочего тела становиться возможным использование низкотемпературных источников тепла 70 – 90 ⁰С. Это могут быть такие системы накопления тепла как: солнечные пруды, градирни, гейзеры, солнечные коллектора и даже системы отопления.

Преимущества:

- возможность многолетней работы без техобслуживания;

- работает при разности температур между нагревателем и охладителем в 50 ⁰С