4. Цикл Ранкина

На современных ТЭС во время их работы в штатном режиме рабочее тело последовательно изменяет своё термодинамическое состояние по термодинамическому циклу Ранкина. Обычно в качестве рабочего тела в данном цикле используется вода.

Цикл Ранкина  носит имя Вильяма Джона Макуорна Ранкина (1820 - 1872), шотландского инженера и физика. Он был одним из основателей термодинамики как науки и сам внес в неё огромный вклад. В частности, Ранкин разработал полную Теорию парового двигателя. Его учебники по науке и технической практике были выпущены ещё в 1850 и 1860 гг. и  пользовались большим успехом в течение многих десятилетий после их публикации. Ранкин был избран членом Королевского общества в 1853 году и стал профессором гражданского строительства и механики при университете Глазго в 1855 году. В настоящее время он считается одним из самых выдающихся инженеров и физиков XIX века.

Но прежде, чем мы перейдём к рассказу о цикле Ранкина, напомним о двух главных условиях работы всех тепловых машин, с которыми мы познакомились ещё на первом курсе обучения. Первое - тепловая машина всегда работает в определенном перепаде температур, а это означает, что для работы такой машины необходим иметь, по крайней мере, 1 источник теплоты и 1 приемник теплоты. Второе - любая тепловая машина должна работать циклично, т.е. рабочее тело, совершая за определенный промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно всегда возвращаться в исходное состояние. Эти замечания в полной мере относятся и к тепловым машинам, работающим по циклу Ранкина.

Теперь расскажем в общем виде те метаморфозы, которые происходят с рабочим телом в цикле Ранкина. На первом его этапе в паровом котле рабочее тело (вода) нагревается до кипения и образования пароводяной смеси. Далее эта смесь поступает в барабан-сепаратор где происходит разделение пара и воды. Полученный пар направляется в паровую турбину. Там он, расширяясь адиабатически, давит на лопатки турбины и заставляет её крутиться с заданной скоростью, т.е. совершает работу по раскручивании турбины. Турбина крутит электрогенератор, который и преобразует механическую работу пара по раскручивании турбины в электричество.

Из турбины отработанный пар направляется в конденсатор. Там он передаёт оставшуюся в нём тепловую энергию охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Этот процесс продолжается до тех пор, пока пар полностью не конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается и направляется вновь в барабан-сепаратор. На этом рабочий цикл рабочего тела заканчивается.

Конденсатор играет двоякую роль. Во-первых, он имеет паровое и водяное пространство, которые разделяются непроницаемой поверхностью. Как раз через неё происходит теплообмен между отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей. Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его превращении в капельно-жидкое состояние наступает вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться в турбине еще примерно на одну атмосферу (Р_к 0,04-0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу.

На рисунке 1.3 приводится (Т-S)-диаграмма (Температура-Энтропия) для цикла Ранкина.

Рис. 1.2. Диаграмма T-S воды в цикле Ранкина.

Плавная или пограничная кривая в Т-S-диаграмме воды является разделительной, при энтропии и температуре, соответствующим точкам, лежащим на диаграмме выше этой линии, существует только пар, ниже пароводяная смесь.

На рис. 1.3 видно, что цикл Ранкина состоит из следующих процессов:

- линия 4-5-6-1 представляет собой изобару; в течение этого процесса происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара; при этом затрачивается теплота q_1;

- линия 1-2 представляет собой адиабату; в течение этого процесса происходит расширение пара в турбине, что вызывает её вращение с выполнением полезной работы ( );

- линия 2-3 представляет собой изобару; в течение этого процесса происходит конденсация отработанного пара с отводом теплоты q₂ охлаждающей водой;

- линия 3-4 представляет собой адиабату; в течение этого процесса происходит сжатие сконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы ( ).

Термодинамические исследования цикла Ранкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара.

.

Теперь рассмотрим более подробно, какие термодинамические состояния проходит рабочее тело (вода) в самом применяемом цикле Ранкина с перегревом пара.

После выхода из турбины влажный пар полностью конденсируется в конденсаторе по изобаре 2-3 при заданном давлении P₂=const (до точки 3). Затем вода сжимается насосом от давления P₂ до давления P₁ (в точке 4). Этот адиабатный процесс изображен в T-S-диаграмме справа вертикальным отрезком 3-4.

Длина отрезка 3-4 в T-S-диаграмме весьма мала, так как в области жидкости, изобары (линии постоянного давления) в T-S-диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при изоэнтропийном (при постоянной энтропии) сжатии воды температура воды возрастает менее, чем на 2-3ºС. В этом случае можно с хорошей степенью приближения считать, что в области жидкости изобары воды практически совпадают с левой пограничной кривой. Поэтому зачастую при изображении цикла Ранкина в Т-S-диаграмме изобары в области жидкости изображают сливающимися с левой пограничной кривой. Малая величина отрезка адиабаты 3-4 свидетельствует о малой работе, затрачиваемой насосом на сжатие воды. Малая величина работы сжатия по сравнению с величиной работы, производимой водяным паром в процессе расширения 1-2, является важным преимуществом цикла Ранкина.

Далее из насоса вода под давлением P₁ поступает в барабан сепаратор, а затем в котёл, где к ней в изобарно (процесс 4-5 при P₁=const) подводится тепло. Вначале вода в котле нагревается до кипения (участок 4-5 изобары при P₁=const) а затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс парообразования (участок 5-6 изобары при P₁=const). Затем происходит перегрев пароводяной смеси в котле или специальном перегревателе до штатной температуры (участок 6-1 изобары P₁=const). Перегретая пароводяная смесь поступает в барабан-сепаратор, где происходит разделение воды и пара. Насыщенный пар, из барабан-сепаратора поступает в турбину, а вода в котёл.

Процесс расширения в турбине изображается адиабатой 1-2 (Этот процесс относится к классическому циклу Ранкина в реальной установке процесс расширения пара в турбине несколько отличается от классического). Далее отработавший в турбине влажный пар поступает в конденсатор и на том цикл термодинамических превращений пара замыкается.

С точки зрения термического к.п.д. цикл Ранкина представляется менее выгодным, чем уже знакомый нам цикл Карно, поскольку степень заполнения цикла (равно как и средняя температур подвода тепла) для цикла Ранкина оказывается меньше, чем в случае цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления экономичность цикла Ранкина оказывается выше экономичности соответствующего цикла Карно во влажном паре.

Цикл Ранкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике. Перегрев пара производится в специальном устройстве ТЭС - пароперегревателе, где пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении P₁. В этом случае средняя температура подвода тепла увеличивается по сравнению с температурой подвода тепла в цикле без перегрева и, следовательно, термический к.п.д. цикла возрастает. В настоящее время цикл Ранкина нашёл широкое применение в современных тепловых электростанциях большой мощности, использующих в качестве рабочего тела водяной пар.

При прохождении цикла Ранкина 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 °C.