Цикл Ренкина

Цикл Ре́нкина — термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью рабочего тела, претерпевающего фазовый переход пар-жидкость (конденсация) и обратный фазовый переход жидкость-пар (испарение). В качестве рабочего тела используется вода, ртуть, различные фреоны и другие вещества.

Структурная схема паросиловой установки с использованием классического цикла Ренкина.
1 – Конденсат рабочего тела после конденсатора;
2 – жидкое рабочее тело после конденсатора перед испарителем;
3 – пар рабочего тела перед тепловой машиной, например, турбиной;
4 – пар отработавшего рабочего тела на входе в конденсатор;

{\dot {Q}}_{in}

– подаваемая в испаритель;

{\dot {Q}}_{out}

– тепловая мощность, отбираемая от конденсатора;

{\dot {W}}_{t}

– полезная механическая мощность тепловой машины;

{\dot {W}}_{p}

– механическая мощность, затрачиваемая на подачу под давлением рабочего тела в испаритель.

История

Цикл Ренкина был предложен в середине XIX века инженером и физиком У. Ренкином.

По состоянию на начало 2000-х годов по циклу Ренкина в разных его вариациях, с использованием паровых турбин, вырабатывалось около 90 % всей электроэнергии, потребляемой в мире[1], включая паросиловые установки солнечных, атомных, а также тепловых электростанций, использующих в качестве топлива мазут, газ, уголь или торф.

Цикл Ренкина используется также в радиоизотопных электрогенераторах.

КПД цикла

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от разности величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара. КПД цикла Ренкина $\eta$ выражается:

\eta ={\frac {q_{1}-q_{2}}{q_{1}}}={\frac {l_{a}^{T}-l_{a}^{H}}{q_{1}}}.

Процессы

Диаграмма T-S

Цикл Ренкина с водой в качестве рабочего тела состоит из следующих процессов:

изобара (термодинамика) — линия 4—5—6—1. Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В этом процессе затрачивается теплота ${q_{1}}$ .

адиабата — линия 1—2. Процесс расширения пара в турбине и преобразования части внутренней энергии пара в механическую работу ( ${l_{a}^{T}}$ ).

изобара — линия 2—3 конденсация отработавшего пара с отводом теплоты ${q_{2}}$ в конденсаторе охлаждающей конденсатор водой.

адиабата — линия 3—4. Сжатие сконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы ${l_{a}^{H}}$ .

Применение

Цикл Ренкина повсеместно применяется в современных тепловых и атомных электростанциях большой мощности, использующих в качестве рабочего тела воду.

Обратный цикл Ренкина

При прохождении рабочим телом цикла Ренкина в обратном направлении (1—6—5—4—3—2—1) он описывает рабочий процесс холодильной машины с двухфазным рабочим телом (то есть, претерпевающим в ходе процесса фазовые переходы от газа к жидкости и обратно).

Холодильные машины, работающие по этому циклу, с фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в составе бытовых холодильников, кондиционеров и промышленных холодильников с температурой охлаждаемой камеры до −40 °C.

Варианты цикла Ренкина

Цикл Ренкина с подогревом питательной воды

Цикл паротурбинной установки, в котором питательная вода до её поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточной ступени паровой турбины. Подогрев реализуется посредством специального теплообменника — регенеративного подогревателя.

Иные рабочие вещества, применяемые в цикле Ренкина

В так называемом органическом цикле Ренкина вместо воды и водяного пара используются органические жидкости, например н-пентан[2] или толуол[3]. За счет этого становится возможным использовать источники тепла, имеющие низкую температуру, например солнечные пруды (Solar pond), которые обычно нагреваются до 70—90 °C[4]. Термодинамическая эффективность подобного варианта цикла невелика из-за низких температур, однако низкотемпературные источники тепла значительно дешевле высокотемпературных. Геотермальная электростанция Ландау в Германии в качестве рабочего тела использует изопентан.

Также цикл Ренкина может быть использован с жидкостями, имеющими более высокую температуру кипения, чем вода, для получения большей эффективности. Примером таких машин является турбина, работающая на парах ртути, используемая как высокотемпературная часть в ртутно-водяном бинарном цикле ртутно-паровая турбина)[5][6].

См. также

Бинарные циклы

Примечания

Wiser, Wendell H. Energy resources: occurrence, production, conversion, use (неопр.). — Birkhäuser, 2000. — С. 190. — ISBN 978-0-387-98744-6.
Canada, Scott; G. Cohen, R. Cable, D. Brosseau, and H. Price. Parabolic Trough Organic Rankine Cycle Solar Power Plant (англ.) // 2004 DOE Solar Energy Technologies : journal. — Denver, Colorado: US Department of Energy NREL, 2004. — 25 October. Архивировано 18 марта 2009 года.
Batton, Bill Organic Rankine Cycle Engines for Solar Power (неопр.) (недоступная ссылка). Solar 2000 conference. Barber-Nichols, Inc. (18 июня 2000). Дата обращения: 18 марта 2009. Архивировано 20 августа 2013 года.
Nielsen et al., 2005, Proc. Int. Solar Energy Soc.
Вукалович М. П. Новиков И. И. Термодинамика. М., 1972. С. 585.
Виды теплофикационных турбин Архивная копия от 15 апреля 2012 на Wayback Machine (Учебно-методический комплекс «Техническая термодинамика») // Чувашский государственный университет. : «Ртуть имеет невысокое давление насыщения при высоких температурах и высокие критические параметры p_кр = 151 МПа (1540 кгс/см²), Т_кр = 1490° С, а при температуре, например, 550 °C давление насыщения составляет всего лишь 1420 кПа (14,5 кгс/см²); это позволяет осуществить цикл Ренкина на насыщенном ртутном паре без перегрева с достаточно высоким термическим к.п.д. … Таким образом, ртуть как рабочее тело хороша для верхней (высокотемпературной) части цикла и неудовлетворительна для нижней».

Литература

Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики. — М.: Инфра-М, 2007. — 276 с. — ISBN 978-5-16-002223-9.
Техническая термодинамика. Под ред. В. И. Крутова. Москва «Высшая школа». 1981. (формат djvu).

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[Wiser-1] Wiser, Wendell H. Energy resources: occurrence, production, conversion, use (неопр.). — Birkhäuser, 2000. — С. 190. — ISBN 978-0-387-98744-6.

[Canada04-2] Canada, Scott; G. Cohen, R. Cable, D. Brosseau, and H. Price. Parabolic Trough Organic Rankine Cycle Solar Power Plant (англ.) // 2004 DOE Solar Energy Technologies : journal. — Denver, Colorado: US Department of Energy NREL, 2004. — 25 October. Архивировано 18 марта 2009 года.

[Batton2000-3] Batton, Bill Organic Rankine Cycle Engines for Solar Power (неопр.) (недоступная ссылка). Solar 2000 conference. Barber-Nichols, Inc. (18 июня 2000). Дата обращения: 18 марта 2009. Архивировано 20 августа 2013 года.

[4] Nielsen et al., 2005, Proc. Int. Solar Energy Soc.

[5] Вукалович М. П. Новиков И. И. Термодинамика. М., 1972. С. 585.

[6] Виды теплофикационных турбин Архивная копия от 15 апреля 2012 на Wayback Machine (Учебно-методический комплекс «Техническая термодинамика») // Чувашский государственный университет. : «Ртуть имеет невысокое давление насыщения при высоких температурах и высокие критические параметры p_кр = 151 МПа (1540 кгс/см²), Т_кр = 1490° С, а при температуре, например, 550 °C давление насыщения составляет всего лишь 1420 кПа (14,5 кгс/см²); это позволяет осуществить цикл Ренкина на насыщенном ртутном паре без перегрева с достаточно высоким термическим к.п.д. … Таким образом, ртуть как рабочее тело хороша для верхней (высокотемпературной) части цикла и неудовлетворительна для нижней».

Словари и энциклопедии	Большая каталанская Большая норвежская Britannica (онлайн)
В библиографических каталогах	BNF: 17025904m LCCN: sh2003000204