Цикл Ренкина

Физическая схема цикла Ренкина
1. Насос , 2. Котел , 3. Турбина , 4. Конденсатор.

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Тепловое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${\ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии гетерогенных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория
v т е

Цикл Ренкина - это модель, используемая для прогнозирования производительности паротурбинных систем. Он также использовался для изучения характеристик поршневых паровых двигателей. Цикл Ренкина представляет собой идеализированный термодинамический цикл из теплового двигателя , который преобразует тепло в механическую работу, подвергаясь изменением фазы. Это идеализированный цикл, в котором не учитываются потери на трение в каждом из четырех компонентов. Тепло подводится извне к замкнутому контуру, в котором в качестве рабочего тела обычно используется вода . Он назван в честь Уильяма Джона Маккорна Рэнкина , шотландского эрудита и профессора Университета Глазго .

Описание [ править ]

Цикл Ренкина подробно описывает процесс, с помощью которого паровые тепловые двигатели, обычно используемые на тепловых электростанциях, вырабатывают энергию.

Мощность зависит от разницы температур между источником тепла и источником холода. Чем выше разница, тем больше механической энергии может быть эффективно извлечено из тепловой энергии согласно теореме Карно .

Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются ядерное деление или сжигание ископаемого топлива, такого как уголь , природный газ и нефть , или концентрированная солнечная энергия . Чем выше температура, тем лучше.

Эффективность цикла Ренкина ограничивается высокой теплотой испарения рабочего тела. Кроме того, если давление и температура в паровом котле не достигают сверхкритических уровней, диапазон температур, в котором может работать цикл, довольно невелик: температура на входе в паровую турбину обычно составляет около 565 ° C, а температура конденсатора пара составляет около 30 ° C. ^{[ необходима цитата ]} Это дает теоретический максимальный КПД Карно для одной паровой турбины около 63,8% по сравнению с фактическим общим тепловым КПД до 42% для современной угольной электростанции. Эта низкая температура на входе в паровую турбину (по сравнению с газовой турбиной), поэтому цикл Ренкина (паровой) часто используется в качестве нижнего цикла для рекуперации тепла, которое в противном случае выбрасывается на газотурбинных электростанциях с комбинированным циклом .

Источником холода (чем холоднее, тем лучше), используемым на этих электростанциях, обычно являются градирни и большой водоем (река или море). Эффективность цикла Ренкина ограничена на холодной стороне более низкой практической температурой рабочего тела.

Рабочая жидкость в цикле Ренкина следует замкнутому контуру и постоянно используется повторно. Водяной пар со сконденсированными каплями, который часто поднимается на электростанциях, создается системами охлаждения (а не непосредственно из цикла Ренкина с замкнутым контуром). Это «выхлопное» тепло представлено «Q _out », истекающим из нижней части цикла, показанного на диаграмме T – s ниже. Градирни работают как большие теплообменники, поглощая скрытую теплоту испарения рабочего тела и одновременно испаряя охлаждающую воду в атмосферу.

Хотя многие вещества могут использоваться в качестве рабочей жидкости в цикле Ренкина, вода обычно является предпочтительной жидкостью из-за ее благоприятных свойств, таких как ее нетоксичный и инертный химический состав, изобилие и низкая стоимость, а также ее термодинамические свойства. . За счет конденсации рабочего пара в жидкость давление на выходе из турбины снижается, и энергия, необходимая для питающего насоса, потребляет от 1% до 3% выходной мощности турбины, и эти факторы способствуют более высокому КПД цикла. Преимущество этого компенсируется низкими температурами пара, поступающего в турбину (ы). Газовые турбинынапример, температура на входе в турбину приближается к 1500 ° C. Однако тепловой КПД реальных крупных паровых электростанций и крупных современных газотурбинных станций аналогичен.

Четыре процесса в цикле Ренкина [ править ]

В цикле Ренкина четыре процесса. Состояния обозначены цифрами (коричневого цвета) на диаграмме T – s .

• Процесс 1–2 : рабочая жидкость перекачивается от низкого до высокого давления. Поскольку на данном этапе жидкость является жидкостью, насосу требуется небольшая подводимая энергия.

Другими словами, процесс 1-2 [Изэнтропическое сжатие]

• Процесс 2–3 : Жидкость под высоким давлением поступает в бойлер, где она нагревается при постоянном давлении внешним источником тепла, превращаясь в сухой насыщенный пар. Требуемая входная энергия может быть легко рассчитана графически, используя диаграмму энтальпия-энтропия ( диаграмма h – s или диаграмма Молье ), или численно, используя таблицы пара .

Другими словами, процесс 2-3 [Подвод тепла под постоянным давлением в котел]

• Процесс 3–4 : Сухой насыщенный пар расширяется через турбину , генерируя энергию. Это снижает температуру и давление пара, и может произойти некоторая конденсация. Выход в этом процессе можно легко рассчитать с помощью диаграммы или таблиц, указанных выше.

Другими словами, процесс 3-4 [Изэнтропическое расширение]

• Процесс 4–1 : Влажный пар затем поступает в конденсатор , где он конденсируется при постоянном давлении и становится насыщенной жидкостью .

Другими словами, процесс 4-1 [Отвод тепла при постоянном давлении в конденсаторе]

В идеальном цикле Ренкина насос и турбина были бы изоэнтропическими , то есть насос и турбина не генерировали бы энтропию и, следовательно, максимизировали бы чистую производительность. Процессы 1–2 и 3–4 будут представлены вертикальными линиями на диаграмме T – s и больше напоминают цикл Карно . Показанный здесь цикл Ренкина предотвращает попадание рабочего тела в область перегретого пара после расширения в турбине ^[1], что снижает энергию, отводимую конденсаторами.

Фактический паросиловой цикл отличается от идеального цикла Ренкина из-за необратимости присущих ему компонентов, вызванных трением жидкости и потерями тепла в окружающую среду; жидкостное трение вызывает падение давления в котле, конденсаторе и трубопроводе между компонентами, и в результате пар выходит из котла под более низким давлением; Потери тепла снижают полезную мощность, таким образом, добавление тепла к пару в котле необходимо для поддержания того же уровня полезной мощности.

Переменные [ править ]

${\displaystyle {\dot {Q}}}$	Расход тепла в систему или из системы (энергия в единицу времени)
${\displaystyle {\dot {m}}}$	Массовый расход (масса в единицу времени)
${\displaystyle {\dot {W}}}$	Механическая мощность, потребляемая системой или предоставляемая ей (энергия в единицу времени)
${\displaystyle \eta _{\text{therm}}}$	Термодинамическая эффективность процесса (полезная мощность на погонное количество тепла, безразмерная)
${\displaystyle \eta _{\text{pump}},\eta _{\text{turb}}}$	Изэнтропический КПД процессов сжатия (питающий насос) и расширения (турбина), безразмерный
${\displaystyle h_{1},h_{2},h_{3},h_{4}}$	« Удельные энтальпии » в указанных точках на диаграмме T – s
${\displaystyle h_{4s}}$	Конечная «удельная энтальпия » жидкости, если турбина была изоэнтропической.
${\displaystyle p_{1},p_{2}}$	Давление до и после процесса сжатия

Уравнения [ править ]

В общем, эффективность простого цикла Ранкина можно записать как

${\displaystyle \eta _{\text{therm}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{thermal}}-{\dot {W}}}{{\dot {Q}}_{\text{in}}}}\approx {\frac {{\dot {W}}_{\text{turb}}}{{\dot {Q}}_{\text{in}}}}.}$

Каждое из следующих четырех уравнений ^[1] выводится из баланса энергии и массы для контрольного объема. определяет термодинамическую эффективность цикла как отношение полезной выходной мощности к погонной энергии. Поскольку работа, требуемая насосом, часто составляет около 1% от производительности турбины, ее можно упростить.${\displaystyle \eta _{\text{therm}}}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {Q}}_{\text{in}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{2},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {Q}}_{\text{out}}}{\dot {m}}}=h_{4}-h_{1},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{pump}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{1},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}.}$

При оценке эффективности турбин и насосов необходимо внести поправки в условия работы:

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{pump}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{1}\approx {\frac {v_{1}\Delta p}{\eta _{\text{pump}}}}={\frac {v_{1}(p_{2}-p_{1})}{\eta _{\text{pump}}}},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}\approx (h_{3}-h_{4})\eta _{\text{turbine}}.}$

Реальный цикл Ренкина (не идеальный) [ править ]

В реальном цикле электростанции (название «цикл Ренкина» используется только для идеального цикла) сжатие насосом и расширение в турбине не изоэнтропические. Другими словами, эти процессы необратимы, и энтропия увеличивается во время двух процессов. Это несколько увеличивает мощность, требуемую насосом, и снижает мощность, вырабатываемую турбиной.

В частности, эффективность паровой турбины будет ограничена образованием капель воды. По мере того как вода конденсируется, капли воды ударяются о лопатки турбины с высокой скоростью, вызывая точечную коррозию и эрозию, постепенно сокращая срок службы лопаток турбины и ее КПД. Самый простой способ решить эту проблему - перегреть пар. На приведенной выше диаграмме T – s состояние 3 находится на границе двухфазной области пара и воды, поэтому после расширения пар будет очень влажным. При перегреве состояние 3 переместится вправо (и вверх) на диаграмме и, следовательно, после расширения будет производить более сухой пар.

Варианты основного цикла Ренкина [ править ]

Общая термодинамическая эффективность может быть повышена за счет увеличения средней тепловой входной температуры

${\displaystyle {\bar {T}}_{\text{in}}={\frac {\int _{2}^{3}T\,dQ}{Q_{\text{in}}}}}$

этого цикла. Повышение температуры пара до зоны перегрева - простой способ сделать это. Существуют также разновидности базового цикла Ренкина, предназначенные таким образом для повышения термического КПД цикла; два из них описаны ниже.

Цикл Ренкина с повторным нагревом [ править ]

Целью цикла повторного нагрева является удаление влаги, переносимой паром на заключительных стадиях процесса расширения. В этом варианте две турбины работают последовательно. Первый принимает пар из котла под высоким давлением. После того, как пар прошел через первую турбину, он снова поступает в котел и снова нагревается перед прохождением через вторую турбину с более низким давлением. Температуры повторного нагрева очень близки или равны температурам на входе, в то время как оптимальное необходимое давление повторного нагрева составляет лишь одну четвертую от исходного давления в бойлере. Помимо других преимуществ, это предотвращает конденсацию пара.во время его расширения и тем самым уменьшая повреждение лопаток турбины, а также повышает эффективность цикла, поскольку большая часть теплового потока в цикле происходит при более высокой температуре. Цикл повторного нагрева был впервые введен в 1920-х годах, но не работал долго из-за технических трудностей. В 1940-х годах он был повторно введен с увеличением производства котлов высокого давления , и в конечном итоге в 1950-х годах был введен двойной повторный нагрев. Идея двойного подогрева заключается в повышении средней температуры. Было замечено, что более двух стадий повторного нагрева обычно не нужны, поскольку следующая стадия увеличивает эффективность цикла только наполовину, чем предыдущая стадия. Сегодня двойной повторный нагрев обычно используется на электростанциях, работающих при сверхкритическом давлении.

Регенеративный цикл Ренкина [ править ]

Регенеративный цикл Ренкина назван так потому, что после выхода из конденсатора (возможно, в виде переохлажденной жидкости ) рабочая жидкость нагревается паром, отбираемым из горячей части цикла. На показанной диаграмме жидкость в точке 2 смешивается с жидкостью в точке 4 (обе при одинаковом давлении), чтобы в итоге получить насыщенную жидкость в точке 7. Это называется «нагрев при прямом контакте». Регенеративный цикл Ренкина (с небольшими вариантами) обычно используется на реальных электростанциях.

Другой вариант направляет отбираемый пар между ступенями турбины к нагревателям питательной воды для предварительного нагрева воды на пути от конденсатора к котлу. Эти нагреватели не смешивают входящий пар и конденсат, функционируют как обычный трубчатый теплообменник и называются «закрытые нагреватели питательной воды».

Регенерация увеличивает температуру подводимого тепла цикла за счет исключения добавления тепла от котла / источника топлива при относительно низких температурах питательной воды, которые существовали бы без регенеративного нагрева питательной воды. Это повышает эффективность цикла, поскольку больше теплового потока в цикл происходит при более высокой температуре.

Органический цикл Ренкина [ править ]

Органический цикл Ренкина (ORC) использует органическую жидкость, такую ​​как н-пентан ^[1] или толуол ^[2], вместо воды и пара. Это позволяет использовать источники тепла с более низкой температурой, такие как солнечные пруды , которые обычно работают при температуре около 70–90 ° C. ^[3] эффективность цикла значительно ниже , в результате нижнем температурном диапазоне, но это может быть целесообразным из-за более низкой стоимости , участвующих в сборе тепла при этой более низкой температуре. В качестве альтернативы можно использовать жидкости с точками кипения над водой, и это может иметь термодинамические преимущества (см., Например, турбину на парах ртути ). В свойстве фактической рабочей жидкости имеют большое влияние на качество пара (пара) после стадии расширения, влияя на конструкцию всего цикла.

Цикл Ренкина не ограничивает рабочую жидкость в своем определении, поэтому название «органический цикл» - это просто маркетинговая концепция, и цикл не следует рассматривать как отдельный термодинамический цикл.

Сверхкритический цикл Ренкина [ править ]

Цикл Ренкина, применяемый с использованием сверхкритического флюида ^[4], объединяет концепции регенерации тепла и сверхкритического цикла Ренкина в единый процесс, называемый регенеративным сверхкритическим циклом (RGSC). Он оптимизирован для источников температуры 125–450 ° C.

См. Также [ править ]

• Потери мощности в режиме когенерации с отбором пара

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с циклом Ренкина .

• ^ Ван Виллен «Основы термодинамики» (ISBN85-212-0327-6) 
• ^ Вонг «Термодинамика для инженеров», 2-е изд., 2012, CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton, London, New York. (ISBN978-1-4398-4559-2) 
• Моран и Шапиро «Основы инженерной термодинамики» ( ISBN 0-471-27471-2 ) 
• Wikibooks Инженерная термодинамика