Точки в цикле ренкина

Цикл Ренкина – это идеализированный термодинамический цикл, описывающий процесс, с помощью которого определенные тепловые двигатели , такие как паровые турбины или поршневые паровые двигатели, позволяют извлекать механическую работу из жидкости, когда она движется между источником тепла и радиатором . Цикл Ренкина назван в честь Уильяма Джона Маккорна Рэнкина , шотландского профессора- эрудита в Университете Глазго .

Тепловая энергия подается в систему через бойлер, где рабочая жидкость (обычно вода) преобразуется в газообразное состояние высокого давления (пар) для вращения турбины . После прохождения через турбину жидкости позволяют конденсироваться обратно в жидкое состояние, поскольку отработанная тепловая энергия отбрасывается, прежде чем она будет возвращена в котел, завершив цикл. Потери на трение во всей системе часто не учитываются с целью упрощения расчетов, поскольку такие потери обычно намного менее значительны, чем термодинамические потери, особенно в более крупных системах.

Описание

Цикл Ренкина подробно описывает процесс, с помощью которого паровые двигатели, обычно используемые на тепловых электростанциях, используют тепловую энергию топлива или другого источника тепла для выработки электроэнергии. Возможные источники тепла включают сжигание ископаемого топлива, такого как уголь , природный газ или нефть , возобновляемые виды топлива, такие как биомасса или этанол , ядерное деление и концентрированная солнечная энергия . Обычные радиаторы включают окружающий воздух над объектом или вокруг него, а также водоемы, такие как реки, пруды и океаны.

Способность двигателя Ренкина использовать энергию зависит от относительной разницы температур между источником тепла и радиатором. Чем больше дифференциал, тем больше механической мощности может быть эффективно извлечено из тепловой энергии в соответствии с теоремой Карно .

Эффективность цикла Ренкина ограничивается высокой теплотой испарения рабочего тела. Если давление и температура в котле не достигают сверхкритических уровней, диапазон температур, в котором может работать цикл, будет довольно небольшим: температура на входе в паровую турбину обычно составляет около 565 ° C, а температура конденсатора составляет около 30 ° C. Это дает теоретический максимальный КПД Карно только для турбины около 63,8% по сравнению с фактическим общим тепловым КПД менее 50% для типичных электростанций. Эта низкая температура на входе в паровую турбину (по сравнению с газовой турбиной ) является причиной того, что цикл Ренкина (паровой) часто используется в качестве нижнего цикла для рекуперации тепла, которое в противном случае выбрасывается на газотурбинных электростанциях с комбинированным циклом .

Двигатели Ренкина обычно работают в замкнутом контуре, в котором рабочая жидкость 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, показанной на диаграмме T – s ниже. Градирни работают как большие теплообменники, поглощая скрытую теплоту испарения рабочего тела и одновременно испаряя охлаждающую воду в атмосферу.

Хотя в качестве рабочего тела можно использовать многие вещества, воду обычно выбирают из-за ее простого химического состава, относительного количества, низкой стоимости и термодинамических свойств . 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). Например, в газовых турбинах 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

T – s диаграмма типичного цикла Ренкина, работающего в диапазоне давлений от 0,06 до 50 бар. Слева от колоколообразной кривой – жидкость, справа – газ, а под ней – насыщенное равновесие жидкость – пар.

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. Требуемую подводимую энергию можно легко рассчитать графически, используя диаграмму энтальпия – энтропия ( диаграмма h – s или диаграмма Молье ), или численно, используя таблицы пара или программное обеспечение.

Другими словами, процесс 2-3 [Подвод тепла при постоянном давлении в котле]

• 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, превращаясь в насыщенную жидкость .

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, 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, в результате чего пар выходит из котла под более низким давлением; потеря тепла снижает полезную мощность, поэтому требуется добавление тепла к пару в котле для поддержания того же уровня полезной мощности.

Переменные

Уравнения

В общем, эффективность простого цикла Ранкина можно записать как

Каждое из следующих четырех уравнений 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 выходной мощности турбины, ее можно упростить.

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

Реальный цикл Ренкина (не идеальный)

Цикл Ренкина с перегревом

В реальном цикле электростанции (название «цикл Ренкина» используется только для идеального цикла) сжатие насосом и расширение в турбине не являются изоэнтропическими. 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 ограничиваться образованием капель воды. По мере конденсации воды капли воды ударяются о лопатки турбины с высокой скоростью, вызывая точечную коррозию и эрозию, постепенно сокращая срок службы лопаток турбины и эффективность турбины. 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, будет производить более сухой пар после расширения.

Вариации основного цикла Ренкина

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

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

Цикл Ренкина с повторным нагревом

Цикл Ренкина с повторным нагревом

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 повторно 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. Среди других преимуществ это предотвращает конденсацию пара во время его расширения и тем самым снижает повреждение лопаток турбины и 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 требуется, 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

Регенеративный цикл Ренкина

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 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 большая часть теплового потока в цикл происходит при более высокой температуре.

Органический цикл Ренкина

Органический цикл Ренкина (ORC) использует органическую жидкость, такую ​​как н-пентан или толуол, 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. 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 оказывает большое влияние на качестве пары (пару) после стадии расширения, оказывая влияние на конструкцию всего цикла.

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

Сверхкритический цикл Ренкина

Цикл Ренкина, применяемый с использованием сверхкритической жидкости, объединяет концепции регенерации тепла и сверхкритического цикла Ренкина в единый процесс, называемый регенеративным сверхкритическим циклом (RGSC). Оптимизирован для источников температуры 125-450 ° C.

Смотрите также

• Потери мощности в режиме когенерации с отбором пара

Рекомендации

• ^ Ван Виллен ‘Основы термодинамики’ (ISBN 85-212-0327-6)
• ^ Вонг «Термодинамика для инженеров», 2-е изд., 2012, CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton, London, New York. (ISBN 978-1-4398-4559-2)
• Моран и Шапиро «Основы инженерной термодинамики» ( ISBN 0-471-27471-2 )
• Wikibooks Инженерная термодинамика

Внешние ссылки

• Шаблон цикла Ренкина

Источник