Термический кпд цикла Ренкина

Для оценки эффективности цикла Ренкина необходимо детальное рассмотрение термодинамических свойств рабочего тела в системе «вода-пар», которое в циклическом процесс переходит из одного фазового состояния (вода) в другое (пар) и обратно. При этом изменяются и термодинамические свойства системы как в целом, так и в ее отдельных составляющих процессах.

8.2. Особенности термодинамики водяного пара

Парообразование - начальный этап формирования рабочего тела за счет перехода жидкости в газообразное состояние.

Испарение - парообразование, происходящее только с поверхности жидкости. В открытом объеме жидкость при неизменном давлении (изобарный процесс) может полностью превратиться в пар.

Кипение - процесс парообразования во всем объеме жидкости с подводом теплоты при постоянном давлении (изобарный процесс). Температура жидкости при кипении остается неизменной.

Конденсация – переход рабочего тела из газообразного состояния в жидкое, сопровождающийся отводом теплоты из системы при неизменном давлении и постоянной температуре.

Насыщенный пар – образуется в закрытом пространстве (Vconst) c устанавившимся равновесием между жидкостью и паром с соотношением Т и Р в соответствии с законом Шарля. При этом увеличивается плотность пара, достигающей плотности исходной жидкости при определенной (критической) температуре и давлении. В этом случае различие между парообразным и жидким состоянием рабочего тела исчезает. Для воды подобная критическая температура соответствует значению 374,16⁰С при давлении 22,12 МПа.

Сухой насыщенный пар образуется при при испарении всей массы жидкости и не содержит жидкой фазы.

Влажный насыщенный пар содержит капельки жидкости (туман).

Степень сухости пара «х» - отношение массы сухого насыщенного пара (m_c) во влажном паре к общей массе пара и жидкой фазы (m_c+ m_ж).

Степень влажности пара «1-х» - доля жидкости во влажном паре.

Перегретый пар - сухой насыщенный пар с более высокой температурой.

Перегретый пар является ненасыщенным с плотностью меньшей плотности сухого насыщенного пара при данном давлении, а удельный объем больше.

Чем выше степень перегрева, тем ближе перегретый пар к свойствам идеального газа.

Степень перегрева - разность между температурой перегретого пара и температурой сухого насыщенного пара.

Теплота парообразования – количество теплоты, неоходимое для перехода вещества из жидкого состояние в газообразное.

При обратном переходе вещества из газообразного в жидкое адекватное количество теплоты будет выделяться из системы.

Температура и давление при фазовом переходе остаются неизменными.

В этом случае теплоемкость фазового перехода из соотношения при dT=0, будет равна бесконечности.

Теплота любого фазового перехода в зависимости от давления, объема и температуры будет определяться уравнением Клапейрона-Клазиуса:

где: q - удельная теплота фазового перехода

- производная от давления по температуре

v₂ - удельный объем вещества в конечном состоянии

v₁ – удельный объем вещества в исходном состоянии

P-V диаграмма состояния воды и пара

A-F - зависимость удельного объема воды от давления при изотерме 0⁰С. Поскольку вода практически несжимаема, удельный объем воды в процессе сжатия изменяется в незначительной мере.

A-A¹ – увеличение давления до р¹ повышает температуру закипания воды и незначительно увеличивает объем. Линия A-A¹ является граничной областью перехода жидкой воды в фазу влажного пара с х=0.

А¹-В¹ – процесс изобарно-изотермического нагрева влажного пара до точки В¹ с удельным объемом v₂ и образованием сухого пара с х=1.

В¹-С - процесс изобарного перегрева сухого пара.

A¹-A² – процесс увеличения давления и температуры закипания воды при незначительном увеличении удельного объема.

К – критическая точка воды при 22,12 МПа и 374,16⁰С.

К-В - граничная линия перехода влажного пара в сухой.

Таким образом диаграмма состояния воды разделена на четыре части. Левее линии A-F расположена область твердой фазы воды (льда). Между линиями A-F и А-К расположена область жидкой фазы. Область между кривыми А-К и К-В соответствует совместному существованию паровой и жидкой фазы со степенью сухости пара 0 < х < 1. Правее линии К-В и выше критической точки К расположена область перегретого пара.

С термодинамической точки зрения процесс образования пара как рабочего тела состоит из трех последовательных процессов:

1 – изобарный нагрев воды до температуры кипения,

2 - фазовый изотермический переход воды в пар,

3 - изобарный процесс перегрева пара до требуемой температуры.