9.2 Цикл Ренкина

Недостатки паросиловой установки, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, можно частично устранить. Для этого пар после турбины необходимо полностью конденсировать. И в этом случае от давления р₂ до давления р₁ придется сжимать не влажный пар (для чего необходим громоздкий и энергоемкий компрессор), а воду, удельный объем которой значительно меньше. Для подачи воды из конденсатора в котел с одновременным повышением давления применяются насосы – простые, компактные устройства, потребляющие небольшое количество энергии.

Кроме того, в предложенном Ренкиным цикле (рис 9.3) применяют перегрев пара в специальном пароперегревателе, где пар нагревается до температуры, значительно превышающей температуру насыщенного пара при данном давлении.

На рис. 9.3 представлен цикл Ренкина с перегревом паром в T-S диаграмме. В этом случае средняя температура подвода тепла увеличивается по сравнению с температурой подвода тепла в цикле без перегрева. Кроме того, процесс расширения пара в турбине заканчивается в области более высокой степени сухости, поэтому условия работы проточной части турбины оказываются более легкими.

Рис. 9.3. Цикл Ренкина в Ts-диаграмме

Пар после турбины поступает в конденсатор и полностью в нём конденсируется (процесс 2-3) при давлении р ₂. Затем вода сжимается насосом по адиабате 3-5 до давления р ₁. Малая длина отрезка 3-5 свидетельствует о малой работе сжатия. Под давлением р ₁ вода подается в котёл, где к ней в изобарном процессе р ₁= const подводится тепло. Сначала вода в котле нагревается до кипения (участок 5-4 изобары р ₁= const), затем после достижения температуры насыщения происходит изотермический и изобарный процесс кипения (процесс 4-6). Далее в пароперегревателе пар перегревается (процесс 6-1) и в точке 1 поступает на лопатки турбины. Адиабатное расширение пара в турбине (процесс 1-2) – процесс получения работы в цикле.

Количество тепла подводимого к рабочему телу в цикле q₁ изображается в T-S диаграмме площадью a-3-5-4-6-1-b-a. Тело, отводимое в цикле q₂, эквивалентно площади a-3-2-b-a. Работа, полученная в цикле эквивалентна площади 3-5-4-6-1-2-3.

В цикле Ренкина процессы подвода и отвода тепла осуществляются по изобарам, и поэтому количество подведенного/отведенного тепла равно разности энтальпии рабочего тела в начале и в конце процесса. Тогда

q₁ = h₁ – h₅ (9.1)

q₂ = h₂ – h₃ (9.2)

Здесь h₁ – энтальпия перегретого пара на выходе из пароперегревателя при давлении p₁ и температуре T₁.

h₅ - энтальпия подаваемой насосом воды на входе в котел при давлении p ₁ и температуре T₅ .

h₂ – энтальпия пара на выходе из турбины на входе в конденсатор при давлении p ₂ и температуре T₂ .

h₃ – энтальпия сконденсированной воды на входе в насос при давлении p ₂ и температуре T₂, являющейся температурой насыщения определяемой давлением p₂.

Термический КПД цикла Ренкина:

(9.3)

Это выражение можно представить в виде:

(9.4)

Где разность энтальпий (h₁ – h₂) представляет собой работу полученную в турбине, а разность (h₅ – h₃) – это техническая работа насоса. Если пренебречь величиной работы насоса, то уравнение (9.4) можно записать в виде

(9.5)

Уравнение (9.5) позволяет с помощью h-S диаграммы или таблиц термодинамических свойств и водяного пара определять КПД обратимого цикла Ренкина по известным начальным параметрам p ₁ и T₁ пара на входе в турбину и давлении пара в конденсаторе p ₂ .

При одном и том же значении начальных параметров (p ₁ и T₁) пара, при понижении температуры (и соответственно давления) конденсации расширяется температурный диапазон цикла и увеличивает термодинамический КПД цикла. Термодинамический КПД цикла Ренкина зависит также и от начальных параметров пара (p ₁ и T₁) . Рост температуры перегрева пара T₁ (при давлении p ₁) как и повышение давления p ₁ приводит к росту термического КПД.

Существуют теплосиловые установки с параметрами p ₁ = 300·10⁵ Па и T₁ = 600…650 К. Дальнейшее повышение начальных параметров пара ограничивается свойствами конструкционных материалов.