12.2. Цикл Ренкина

Работа на сжатие рабочего тела может быть значительно уменьшена, если осуществить полную конденсацию пара, отработанного в турбине. В этом случае будет происходить сжатие воды (конденсата), а не влажного пара, как в цикле Карно. Для перемещения конденсата из конденсатора в котел с одновременным повышением давления от р₂ до р₁ применяются не компрессоры (как в цикле Карно), а насосы, компактные и простые по устройству, потребляющие мало энергии для своего привода. Впервые такой цикл с полной конденсацией пара предложил У. Дж. Ренкин.

Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина с перегретым паром, представлена на рис. 12.3. На схеме приняты следующие обозначения: ПК - паровой котел; ПП - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор; К - конденсатор; ПН - питательный насос.

Влажный пар, получаемый в котле, направляется в пароперегреватель, где подсушивается и перегревается. Перегретый пар направляется в турбину, где, расширяясь адиабатно, совершает работу, которая в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию. Из турбины отработанный пар направляется в конденсатор (представляющий из себя теплообменник), где отдает тепло охлаждающей воде и полностью конденсируется. Полученный конденсат засасывается из конденсатора, сжимается питательным насосом и направляется вновь в котел для повторного парообразования.

В конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его конденсации создается высокий вакуум (абсолютное давление в конденсаторах современных паровых турбин равно 0,04 - 0,06 бар), то есть пар может за счет этого дополнительно расширяться в турбине примерно на одну атмосферу и совершать дополнительную работу.

Если пренебречь работой, затрачиваемой на привод питательного насоса (она составляет около 1 % от полезной работы турбины), и считать, что изобары подогрева жидкости в координатах T, s и h, s совпадают с нижней пограничной кривой, то цикл Ренкина можно представить в координатах p, u; T,s; h,s следующим образом (рис. 12.4):

На диаграммах : 4-5 - изобарный процесс нагрева воды в котле до температуры насыщения при р₁ = const; 5-6 - процесс парообразования в котле при р₁ = const; 6-7 - подсушка влажного пара в пароперегревателе при р₁ = const: до х = 1; 7-1 - перегрев пара в пароперегревателе при

р₁ = const; 1-2 - адиабатное расширение перегретого пара в турбине от р₁ до р₂; 2-3 - конденсация пара в конденсаторе при р₂ = const; 3-4 - адиабатный процесс подачи конденсата в котел питательным насосом с повышением давления от р₂ до р₁. Необходимо отметить, что вследствие малой сжимаемости воды эта адиабата практически совпадает с изохорой на диаграмме p, u, а на диаграммах T, s и h, s она вырождается в точку.

Термический к.п.д. цикла Ренкина h_t = (q₁ - q₂)/q₁. Так как процессы подвода тепла 4-5-6-7-1- и отвода тепла 2-3 в цикле Ренкина являются изобарными, то q₁ = h₁ - h₃, где h₁ - энтальпия перегретого пара; h₃ - энтальпия конденсата (заметим, что h₃ » h₄); q₂ = h₂ - h₃, где h₂ - энтальпия отработанного в турбине пара. Тогда

.

Величину полезной работы за цикл равную

l_ц = q₁ - q₂ = h₁ - h₂

называют также адиабатным теплопадением.

Термический к.п.д. удобно определить с помощью h, s - диаграммы (рис. 12.5). По параметрам перегретого пара p₁ и t₁ наносят на диаграмму точку 1, соответствующую состоянию пара перед турбиной. Из этой точки проводят вертикаль до пересечения с изобарой р₂. Точка их пересечения будет точкой 2. Ординаты точек 1 и 2 определяют значения h₁ и h₂. По изобаре р₂ находят температуру конденсации при этом давлении ts₂. Тогда h₃ = c_к × ts₂, где с_к = 4,187 кДж/(кг×к) - теплоемкость конденсата.

Одной из характеристик, позволяющих судить об экономичности паросилового цикла, является удельный расход пара в килограммах на единицу работы. Если принять в качестве единицы работы 1 МДж (1000 кДж), то удельный расход пара

,

где h₁ и h₂ - энтальпия, кДж/кг;

d - удельный расход пара, кг/МДж.

На практике чаще применяется другая единица измерения удельного расхода пара, которая получается следующим образом:

,

где h₁ и h₂ - энтальпия, кДж/кг,

d - удельный расход пара, кг/кВт ч.

Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике.