Цикл Ренкина

12.Изобразить в  P-V и  T-S координатах цикл паросиловой  установки и дать необходимые  пояснения.

      Цикл Ренкина

 

В паросиловых установках применяют цикл Ренкина. В цикле  Ренкина охлаждение влажного пара в  конденсаторе производится до превращения  его в воду.

Различают цикл Ренкина с  сухим насыщенным паром и с перегретым паром . В цикле Ренкина с сухим насыщенным паром сухой насыщенный пар с параметрами p₁, T₁, i₁ поступает из парового котла в турбину (точка 1 на рис. 8.3), где адиабатно расширяется от давления p₁ до давления p₂ (точка 2). После турбины влажный насыщенный пар с параметрами p₂, T₂, i₂ поступает в конденсатор, где полностью конденсируется при постоянных давлении и температуре (точка 3). Питательная вода с помощью насоса сжимается до давления p₁, равного давлению в паровом котле, и подаётся в котёл (точка 4). Параметры воды на входе в котёл – p₁, T₂, i₄. В паровом котле питательная вода смешивается с кипящей водой, нагревается до температуры кипения и испаряется

Рис. 8.3. Цикл Ренкина

Цикл Ренкина  состоит из следующих процессов:

4′-1 – процесс парообразования  в котле при постоянном давлении;

1-2 – процесс адиабатного  расширения пара в турбине;

2-3 – процесс конденсации  влажного пара в конденсаторе  с отводом теплоты с помощью  охлаждающей воды;

3-4 – процесс адиабатного  сжатия воды в насосе от  давления p₂ до давления p₁;

4-4’ – процесс подвода  теплоты к воде при давлении p₁ в паровом котле до соответствующей этому давлению температуры кипения.

Термический к. п. д. цикла

.

(8.1)

 

Теплота q₁ в цикле подводится в процессах: 4-4’ – подогрев воды до температуры кипения в котле; 4′-1 – парообразование в котле. Для 1 кг пара q₁ в изобарном процессе равно разности энтальпий конечной (точка 1) и начальной (точка 4) точек процесса подвода тепла:

.

(8.2)

 

Отвод теплоты q₂ происходит в конденсаторе по изобаре 2-3, следовательно

.

(8.3)

 

Подставив (8.2) и (8.3) в (8.1), получим

.

(8.4)

 

Так как i₃≈i₄, можно записать

.

(8.5)

 

Термический к. п. д. цикла  Ренкина меньше термического к. п. д. цикла Карно при одинаковых начальных  и конечных параметрах пара, так  как в цикле Карно теплота q₁затрачивается только на процесс парообразования (то есть q₁≈r), а в цикле Ренкина она затрачивается как на парообразование, так и на подогрев питательной воды в процессе 3-4. Поэтому для паросиловых установок в заданном температурном интервале термодинамически наиболее выгодным циклом мог бы быть цикл Карно. Однако его осуществление связано с большими трудностями. Цикл Карно относительно проще было бы осуществить в области влажного пара. Это объясняется тем, что в области влажного пара изотермические процессы совпадают с изобарными и могут быть реально осуществлены в котле и конденсаторе. Однако в цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе происходит не полностью, вследствие чего в последующем адиабатном процессе сжимается не вода, как в цикле Ренкина, а влажный пар, имеющий относительно большой объем.

В цикле Ренкина с перегретым паром добавляется ещё один процесс: 1-1’ – перегрев пара.

 

Пароводяная смесь образовавшаяся в результате передачи тепловой энергии воде в  активной зоне поступает в Барабан  – сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в  паровую турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины  отработавший пар направляется в  конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Вследствие этого  пар полностью конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается  и направляется вновь в барабан  сепаратор.

Конденсатор играет двоякую роль в установке: Во-первых, он имеет паровое и  водяное пространство, разделенные  поверхностью, через которую происходит теплообмен между отработавшим паром  и охлаждающей водой. Поэтому  конденсат пара может быть использован  в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей. Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного  объема пара при его превращении  в капельножидкое состояние наступает  вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться  в турбине еще на одну атмосферу (Рк около 0,04 - 0,06 бар) и совершать  за счет этого дополнительную работу.

Рисунок 6. Цикл Ренкина в T-S диаграмме.

 (обратно к содержанию)

Синяя линия в Т-S диаграмме воды является разделительной, при энтропии и температуре  соответствующим точкам лежащим  на диаграмме выше этой линии существует только пар, ниже паро–водяная смесь.

Влажный пар в конденсаторе полностью  конденсируется по изобаре p₂=const (линия 2 - 3). Затем вода сжимается насосом от давления P2 до давления P1, этот адиабатный процесс изображен в T-S-диаграмме вертикальным отрезком 3-5.

Длина отрезка 3-5 в T-S-диаграмме весьма мала, так как в области жидкости, изобары (линии постоянного давления) в T-S-диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при  изоэптропном (при постоянной энтропии) сжатии воды, температура воды возрастает менее чем на 2 - 3 °С, и можно  с хорошей степенью приближения  считать, что в области жидкости изобары воды практически совпадают  с левой пограничной кривой (синяя  линия); поэтому зачастую при изображении  цикла Ренкина в Т-S-диаграмме  изобары в области жидкости изображают сливающимися с левой пограничной  кривой. Малая величина отрезка адиабаты 3-5 свидетельствует о малой работе, затрачиваемой насосом на сжатие воды. Малая величина работы сжатия по сравнению с величиной работы, производимой водяным паром в  процессе расширения 1-2, является важным преимуществом цикла Ренкина.

Из  насоса вода под давлением P2 поступает  в барабан сепаратор, а затем  в реактор, где к ней в изобарно (процессе 5-4 P1=const) подводится тепло. Вначале  вода в реакторе нагревается до кипения (участок 5-4 изобары P₁=const) а затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс парообразования (участок 4-1 изобары P₁=const). Пароводяная смесь поступает в барабан сепаратор где происходит разделение воды и пара. Насыщенный пар, из барабана сепаратора поступает в турбину. Процесс расширения в турбине изображается адиабатой 1-2 (Этот процесс относится к классическому циклу Ренкина в реальной установке процесс расширения пара в турбине несколько отличается от классического). Отработанный влажный пар поступает в конденсатор, и цикл замыкается.

С точки зрения термического к. п. д. цикл Ренкина представляете менее  выгодным, чем цикл Карно, изображенный выше (рисунок 5) поскольку степень  заполнения цикла (равно как и  средняя температур подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается  меньше, чем в случае цикла Карно. Однако с учетом реальных условий  осуществления экономичность цикла  Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно во влажном паре