§ 2. Цикл ренкина

Основным идеальным циклом паросиловых установок является цикл Ренкина. На рисунке 24 приведена принципиальная схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, а на рисунке 25 – - и Ts-диаграммы указанного цикла.

В паровом котле 1 вода при постоянном давлении нагревается до температуры насыщения (кипения) t_н (линия 4-5 на рис. 25), затем в результате подвода теплоты r происходит изобарно-изотермический процесс парообразования (линия 5-6). В пароперегревателе 2 происходит перегрев пара (изобарный процесс 6-1) – повышения температуры пара выше t_н от состояния сухого насыщенного пара (точка 6) до заданной температуры перегрева (точка 1). В паровой турбине 3 пар расширяется адиабатно (линия 1-2) от давления ₁ до давления ₂ в конденсаторе. Допустимая степень сухости отработавшего пара (точка 2) должна быть не менее 0,88. В конденсаторе 4 при постоянных давлении и температуре этот пар полностью конденсируется (х₂ = 0), отдавая теплоту охлаждающей воде. Конденсат насосом 5 изохорно (ввиду несжимаемости воды) перекачивается в паровой котел (линия 2-4). Так как в насосе практически температура конденсата не повышается (точка 4), то в Ts-диаграмме точки 2 и 4 оказываются совмещенными. Процесс 4-5 нагрева конденсата до температуры t_н совпадает в Ts-диаграмме с нижней пограничной кривой (х = 0). Далее цикл повторяется.

Цикл Ренкина отличается от цикла Карно для насыщенного пара следующим: полной конденсацией отработанного пара (что позволяет вместо громоздкого, энергоемкого компрессора применить компактный экономичный насос), а также использованием перегретого пара (в точке 1), что обеспечивает более высокий термический КПД паросиловой установки.

Рис. 24. Принципиальная схема паросиловой установки на перегретом паре:

1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос.

Рис. 25. (а)- и Ts(б)-диаграммы цикла Ренкина на перегретом паре.

Рассматривая Ts-диаграмму цикла Ренкина, можно установить следующее:

площадь o-f-4-5-6-1-2-7-0 изображает энтальпию перегретого пара h₁ состояния 1; площадь o-f-2-2-7-o – энтальпию h₂ отработавшего в турбине пара; площадь o-f-2+8-o – энтальпию конденсата h₂, состояния 2.

Теплоту q₁, сообщенную 1 кг пара в паровом котле (с учетом перегрева) по изобаре 4-5-6-1, определяют по формуле:

q₁ = h₁ – h_2.

Теплоту q₂, теряемую в коденсаторе с охлаждающей водой по изобаре 2-2, находят по формуле:

q₂ = h₂ – h_2.

Если пренебречь работой, затрачиваемой на привод насоса (площадь ₁-4-2-₂, рис. 25, а), то термический КПД цикла Ренкина можно определить по формуле:

_t = (127)

Термический КПД цикла Ренкина равен 35…40%.

§ 3. Влияние основных параметров пара

НА ВЕЛИЧИНУ ТЕРМИЧЕСКОГО КПД

ЦИКЛА РЕНКИНА

Исследование выражения для термического КПД цикла Ренкина при различных начальных (на входе в паровую турбину) и конечных (на входе в конденсатор) параметрах пара позволяет сделать вывод – начальное давление (₁), начальная температура (t₁) и конечное давление (₂) пара в конденсаторе оказывают решающее влияние на величину термического КПД _t. Выясним это с помощью hs-диаграммы водяного пара, представленной на рисунке 26. Из диаграммы (рис. 26, а) видно, что если повышать начальное давление в паровом котле от ₁ до ₁ при постоянной температуре перегрева t₁ и при постоянном давлении ₂ в конденсаторе, то возрастает разность энтальпий h = h₁ – h₂, то есть возрастает термический КПД. Вместе с тем с повышением начального давления уменьшается степень сухости пара на выходе из турбины. Уменьшение конечной степени сухости ведет к разрушению лопаток последних ступеней турбины. Предельная степень сухости пара должна быть не ниже 0,86.

Из рисунка 26, б видно, что при повышении температуры перегрева пара от t₁ до t₁ (при постоянных начальном ₁ и конечном ₂ давлениях) используемый в турбине перепад энтальпий h = h₁ –h₂ (или работа цикла ℓ_ц) возрастает. Следовательно, возрастает и термический КПД цикла, причем в этом случае увеличивается и конечная степень сухости пара х, что улучшает условия работы турбины.

Рис. 26. Влияние ₁(а) и t₁(б) пара на _t цикла Ренкина.

Увеличение термического КПД будет более значительным, если с повышением температуры перегретого пара возрастет и начальное давление пара.

В настоящее время на тепловых электростанциях используют пар с температурой до 600 ⁰С и давлением 25…30 МПа. Повышение этих параметров ограничивается способностью металла, из которого изготовлены основные узлы паросиловых установок, выдерживать большие давления при высоких температурах.

Понижение конечного давления пара ₂ ведет к увеличению работы ℓ_ц цикла при неизменной энтальпии h₁ и, следовательно, к повышению термического КПД. Однако получение глубокого вакуума в конденсаторе ограничивается температурой охлаждающей воды. В конденсаторе поддерживается давление 0,0035…0,0055 МПа, ему соответствует температура насыщения 25…32 ⁰С, что в производственных условиях не всегда возможно. Поэтому названные выше параметры отработавшего пара следует считать предельными.

В практике получили распространение тепловые электростанции, вырабатывающие электроэнергию и одновременно обеспечивающие промышленные и бытовые потребности в теплоте. Такие электростанции называются теплоэлектроцентралями, а централизованный метод снабжения потребителей теплотой называется теплофикацией.

Контрольные вопросы и задания. 1. Изобразите в - и Ts-диаграммах цикл Карно для водяного пара и объясните их. 2. Изобразите цикл Ренкина в - и Ts-диаграммах. 3. Как выражается термический КПД паротурбинных установок? 4. Назовите основные пути повышения _t паросиловых установок. 5. Изобразите в hs-диаграмме адиабатный процесс расширения водяного пара от начальных параметров ₁ и tпе до конечного давления ₂.