Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

2. Цикл Ренкина

Перечисленные недостатки, присущие паросиловой установке, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, могут быть частично устранены, если отвод теплоты от влажного в конденсаторе пара производить до тех пор, пока весь пар полностью не сконденсируется. В этом случае сжатию с давления $p_2$ до давления $p_1$ подлежит не влажный пар малой плотности, а вода. По сравнению с объемом пароводяной смеси в точке 3, на рисунке ниже, объем воды весьма мал, а ее сжимаемость пренебрежимо мала по сравнению со сжимаемостью влажного пара.

Цикл Карно.
Цикл Карно.

Для перемещения воды из конденсатора в котел с одновременным повышением ее давления применяются не компрессоры, а насосы. Они компактные и простые по устройству, и самое главное - они потребляют весьма мало энергии для своего привода!

На рисунке ниже изображена схема теплосиловой установки, работающей по циклу Ренкина: 1 - паровой котел, 2 - паровая турбина, 3 - электрогенератор, 4 - конденсатор, 5 - питательный насос.

Cхема теплосиловой установки.
Cхема теплосиловой установки.
Цикл Ренкина изображен в $T$, $s$ диаграмме.
Цикл Ренкина изображен в $T$-$s$ диаграмме.

Также необходимо посмотреть на цикл Ренкина, изображенный в $T$, $s$ диаграмме.

В насосе 5 путем сжатия давление воды поднимают с $p_2$ до $p_1$ (адиабатный процесс 3-5 на диаграмме). Далее эта вода под давлением поступает в котел 1, где к ней подводят тепло (процесс 5-4-1). Обратите внимание, подвод теплоты осуществляется по изобаре $p_1$, причем вначале вода в котле подогревается до кипения (участок 5-4 изобары $p_1 = const$) а затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс парообразования (участок 4-1 изобары $p_1 = const$). Получается, что участок 5-4 - изобарный подвод тепла, а участок 4-1 - изобарно-изотермический подвод тепла. Далее сухой насыщенный пар (т.к. точка 1 лежит на верхней кривой насыщения), полученный в котле, поступает в турбину 2, где происходит адиабатный процесс расширения 1-2 (расширение происходит до давления $p_2$). Отработавший влажный пар [влажный потому что точка 2 лежит в области двухфазного состояния вещества со степенью сухости $0 < x < 1$ ] поступает в конденсатор 4, где происходит изобарно-изотермический процесс отвода теплоты 2-3 (пар конденсируется до состояния насыщенной жидкости). В конечном счете в насосе 5 воду сжимают, повышая давление с $p_2$ до $p_1$, и цикл замыкается!

Коротко о каждом отдельном участке диаграммы:

  • 1 - 2 : адиабатный процесс расширения пара
  • 2 - 3 : изобарно-изотермический отвод тепла
  • 3 - 5 : адиабатный процесс сжатия воды
  • 5 - 4 - 1 : изобарный процесс подвода тепла, причем 5 - 4 : изобарный процесс подвода тепла , 4 - 1 : изобарно-изотермический процесс подвода тепла.

Как можно заметить, длина отрезка 3 - 5 в $T$, $s$ диаграмме весьма мала. В области жидкости изобары в $T$, $s$ диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при изоэнтропном сжатии ($s = const$) воды, находящейся при $t = 25$ °С и $p = 3.1$ кПа , до $p = 29400$ кПа температура воды возрастает менее чем на $1$ °С , и можно с хорошей степенью приближения считать, что в области жидкости изобары воды практически совпадают с нижней пограничной кривой, поэтому зачастую при изображении цикла Ренкина в $T$, $s$ диаграмме изобары в области жидкости изображают сливающимися с нижней пограничной кривой. [Малая длина отрезка 3 - 5 свидетельствует о малой работе, затрачиваемой насосом на сжатие воды. Малая работа сжатия по сравнению с работой, производимой водяным паром в процессе 1 - 2, является важным преимуществом цикла Ренкина].

В отношении термического КПД цикл Ренкина представляется менее выгодным, чем обратимый цикл Карно, поскольку степень заполнения (ровно как и средняя температура подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем для цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления цикла и значительно меньшего влияния необратимости процесса сжатия воды по сравнению со сжатием влажного пара на общий КПД цикла экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно на влажном паре. Вместе с тем замена громоздкого компрессора для сжатия влажного пара компактным водяным насосом позволяет существенно снизить затраты на сооружение теплосиловой установки и упростить ее эксплуатацию.