Основные операции паросилового цикла Ренкина

Вопрос. Паросиловой цикл Ренкина, схемы установки. Изображение в Р, v -и T, s —диаграммах

Цикл Ренкина — теоретический термодинамический цикл паровой машины, состоящий из четырех основный операций:

— 1- испарения жидкости при высоком давлении;

— 2- расширения пара;

— 3- конденсации пара;

— 4- увеличения давления жидкости до начального значения.

На рис. 1 представлена технологическая схема паросиловой установки для производства электроэнергии.

Пар большого давления и температуры подается в сопловые аппараты турбины, где происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую энергию потока пара (скорость потока — сверхзвуковая). Кинетическая энергия сверхзвукового потока превращается на лопатках турбины в кинетическую энергию вращения колеса турбины и в работу производства электроэнергии.

На рис. 1 показана одна турбина, на самом деле турбина имеет несколько ступеней расширения пара.

После турбины пар направляется в конденсатор. Это обычный теплообменник, внутри труб проходит охлаждающая вода, снаружи — водяной пар, который конденсируется, вода становится жидкой.

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема паросиловой установки.

Эта вода поступает в питательный насос, где происходит увеличение давления до номинальной (проектной) величины.

Далее вода с высоким давлением направляется в котельный агрегат (на рис. 1 он обведен штриховой линией). В этом агрегате вода сначала нагревается до температуры кипения от дымовых газов из топки котла, затем поступает в кипятильные трубы, где происходит фазовое превращение вплоть до состояния сухого насыщенного пара (см. т. 5 на рис. 6.3).

Наконец, сухой насыщенный пар идет в пароперегреватель, обогреваемый топочными дымовыми газами из топки. Состояние пара на выходе из пароперегревателя характеризуется точкой 1. Так замыкается цикл. Этот цикл паросиловой установки предложил немецкий инженер Ренкин, и потому его и назвали циклом Ренкина.

Рассмотрим цикл Ренкина на трех термодинамических диаграммах p — v, T — s, h — s (см. рис. 2).

Нумерация точек совпадает с нумерацией на рис. 1. Процесс 1 — 2 — расширение пара в соплах турбины; 2 — 3 — процесс конденсации пара; 3 — 4 — процесс в питательном насосе;4 — 5 — процесс нагрева воды и ее кипение; 5 — 1 — процесс перегрева пара. Заштрихованы те области диаграмм, площадь которых численно равна работе и теплоте за цикл, причем q_ц = w_ц.

Рис. 2. Цикл Ренкина на термодинамических диаграммах Из технологической схемы на рис. 1 и диаграммы Т — s на рис. 2 следует, что теплота подводится к рабочему телу в процессах 4 — 5 — 1, у которых ds > 0. И эти процессы характеризуются инвариантом p₁ = const. Поэтому подводимая в цикле Ренкина теплота q_подв равна:

q_подв = h₁ — h₄. Дж. (6.2)

Теплота отводится от рабочего тела в процессе 2 — 3 (ds < 0) и этот процесс тоже p₂ = const. Поэтому

q_отв = h₂ — h₃. Дж. (1)

Разность между подведенной теплотой и отведенной представляет собой теплоту цикла q_ц, превращенную в работу w_ц

w_ц = q_ц = (h₁ — h₄) — (h₂ — h₃) = (h₁ — h₂) — (h₄ — h₃).

Разность энтальпии воды до питательного насоса (точка 3) и после (точка 4) ничтожно мала. В связи с этим

w_ц = q_ц = h₁ — h₂. (2)

Термический коэффициент полезного действия цикла Ренкина (а это отношение «пользы», т. е. w_ц, к «затратам», т. е q_подв) равен з_t = (h₁ — h₂)/(h₁ — h₄). (3)

Рис. 3. Иллюстрация причины малого КПД цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно. Потери работы — заштрихованная площадь. Нумерация точек совпадает с нумерацией на рис. 1 и 2.