2. Паровые теплосиловые установки с циклом Ренкина

Если в цикле Карно на влажном паре обеспечить полную конденсацию пара в конденсаторе, то в котел будет подаваться не влажный насыщенный пар, а жидкость. Для подачи жидкости, с повышением давления от давления в конденсаторе до давления в паровом котле потребуется насос который компактнее и экономичнее компрессора. Такой цикл был предложен в 50-х годах 19-го века почти одновременно шотландским миссионером и физиком Уильямом Джоном Ренкиным (Rankin) (1820-1872) и немецким физиком Рудольфом Юлиусом эммануэлем Клаузиусом (Clausius) (1822-1888). Этот цикл чаще всего называют циклом Ренкина (Ранкина).

Схема паровой теплосиловой установки с циклом Ренкина отличается от установки с циклом Карно в основном тем, что вместо компрессора используется насос, называемый питательным.

Есть два варианта цикла Ренкина:

1. В сухом насыщенном паре;

2. с перегревом пара.

Выбор варианта предопределяет наличие в котлоагрегате экономайзера( вариант «a»), либо экономайзера и пароперегревателя (вариант «b»).

1.2.1 Паровые теплосиловые установки с циклом Ренкина в насыщенном паре

Рис 1.6 Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина в насыщенном паре:

КА – котлоагрегат;

ПК – паровой котел;

Э – экономайзер;

ПТ – паровая турбина;

ЭГ – электрогенератор;

К – конденсатор;

ЦН – циркуляционный насос;

ПН – питательный насос.

Рис.1.7 Цикл Ренкина в насыщенном паре на диаграмме

Рис 1.8 Цикл Ренкина в насыщенном паре на диаграмме

Линия 1-2 – адиабатное расширение в паровой турбине ПТ сухого насыщенного пара с понижением давления до, понижением температуры отдои уменьшением степени сухости до.

Линия 2-3 – процесс полной конденсации влажного насыщенного пара с параметрами ,идо состояния кипящей жидкости за счет отбора теплотыв конденсаторе К.

Линия 3-4 – процесс адиабатного сжатия жидкости в питательном насосе ПН с повышением давления от до. При сжатии удельный объем жидкостипочти не изменяется, а температура повышается всего на несколько градусов отдо. Эту недогретую жидкость с параметрамии() перед подачей в паровой котел специально подогревают до температурыв экономайзере Э при. Этот процесс изображается линией 4-5.

Экономайзер – это специальный теплообменник, расположенный в котлоагрегате КА. В экономайзере жидкость получает дополнительное количество теплоты от газообразных продуктов сгорания топлива в топке котла. Графически теплотесоответствует площадь внутри контура 8-3-4-5-9 на рис.1.8. Из экономайзера кипящая жидкость с параметрамиипоступает в основные испарительные поверхности котла, где при,происходит процесс парообразования (линия 5-1) до состояния сухого насыщенного пара. В отличие от цикла Карно, где теплота подводится к рабочему телу только в изотермическом () процессе, в цикле Ренкина часть теплоты () подводится к изобаре () процесса (линия 4-5) с повышением температуры отдо, то термический КПД цикла Ренкина ниже чем у цикла Карно во влажном паре. Повышение давленияне только не дает заметного увеличения термического КПД цикла Ренкина, но и ухудшает условия работы проточной части турбины (эрозия лопаток, дополнительные потери при расширении) из-за уменьшения степени сухости парана выходе из турбины.

Термический КПД цикла Ренкина в насыщенном паре определяется по общей формуле.

;

Так как процесс теплоподвода изобарный (), то

Отвод теплоты также идет при , поэтому

, где .

Окончательно точная формула для термического КПД цикла Ренкина в насыщенном паре имеет вид:

(1.3)

На диаграмме (рис.1.7) работа привода питательного насоса изображается площадью контура 3-4-6-7, а надиаграмме(рис.1.8) ей соответствует площадь внутри контура 3-4-5-3.

В случае пренебрежения работой питательного насоса по сравнению с работой турбины, изобара() подогрева жидкости в экономайзере(линия 4-5) надиаграмме совпадает с нижней пограничной кривой(X=0). При этом процесс сжатия жидкости в питательном насосе (линия 3-4) надиаграмме совпадает с осью ординат (). Данный случай иллюстрируется рис.1.9 и рис.1.10.

Рис.1.10 Цикл Ренкина в насыщенном паре

на диаграмме при

Рис.1.9 Цикл Ренкина в насыщенном

паре на диаграмме при

Пренебрегая работой насоса (), когда из рис.1.10 , то формула (1.3) получим приближенное значение термического КПД цикла Ренкина:

Окончательно: (1.4)