Цикл Ренкина — это идеализированный термодинамический цикл , описывающий процесс, с помощью которого некоторые тепловые двигатели , такие как паровые турбины или поршневые паровые двигатели, позволяют извлекать механическую работу из жидкости, когда она перемещается между источником тепла и радиатором . Цикл Ренкина назван в честь Уильяма Джона Маккуорна Рэнкина , шотландского профессора -эрудита в Университете Глазго .
Тепловая энергия подается в систему через котел , в котором рабочая жидкость (обычно вода) преобразуется в газообразное состояние (пар) под высоким давлением для вращения турбины . После прохождения через турбину жидкости позволяют конденсироваться обратно в жидкое состояние, поскольку отработанная тепловая энергия отбрасывается перед возвращением в котел, завершая цикл. Потерями на трение во всей системе часто пренебрегают с целью упрощения расчетов, поскольку такие потери обычно гораздо менее значительны, чем термодинамические потери, особенно в более крупных системах.
Цикл Ренкина точно описывает процесс, с помощью которого паровые двигатели, обычно встречающиеся 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 и нефть , использование добытых ресурсов для ядерного деления , возобновляемые виды топлива, такие как биомасса и этанол , а также захват энергии из природных источников, таких как концентрированная солнечная энергия и геотермальная энергия . Обычными поглотителями тепла являются 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. Согласно теореме Карно , чем больше дифференциал, тем больше механической энергии можно эффективно извлечь из тепловой энергии .
Эффективность цикла Ренкина ограничена высокой теплотой испарения рабочего тела. Если давление и температура в котле не достигнут сверхкритического уровня, диапазон температур, в котором может работать цикл, весьма мал. По состоянию на 2022 год на большинстве сверхкритических электростанций давление пара на входе будет составлять 24,1 МПа, а температура на входе — от 538°C до 566°C, что приведет к КПД установки 40%. Однако при дальнейшем повышении давления до 31 МПа электростанцию называют сверхкритической, и можно повысить температуру пара на входе до 600°С, достигнув при этом теплового КПД 42 %. [1] 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 [ необходимо пояснение ] цикла для рекуперации иначе отброшенного тепла на газотурбинных электростанциях с комбинированным циклом. Идея состоит в том, что очень горячие продукты сгорания сначала расширяются в газовой турбине, а затем выхлопные газы, которые еще относительно горячие, используются в качестве источника тепла для цикла Ренкина, тем самым уменьшая разницу температур между источником тепла и рабочей средой. рабочего тела и, следовательно, уменьшая количество энтропии, создаваемой необратимостью.
Двигатели Ренкина обычно работают по замкнутому контуру, в котором рабочая жидкость используется повторно. Водяной пар с конденсированными каплями, который часто можно увидеть вздымающимся с электростанций, создается системами охлаждения (а не непосредственно из замкнутого энергетического цикла Ренкина). Это «выхлопное» тепло представлено «Q out », выходящим из нижней части цикла, показанного на диаграмме T – s ниже. Градирни работают как большие теплообменники, поглощая скрытую теплоту испарения рабочей жидкости и одновременно испаряя охлаждающую воду в атмосферу.
Хотя в качестве рабочей жидкости можно использовать многие вещества, воду обычно выбирают из-за ее простого химического состава, относительного количества, низкой стоимости и термодинамических свойств . За счет конденсации паров рабочего пара в жидкость давление на выходе турбины снижается, а энергия, необходимая питательному насосу, потребляет всего от 1% до 3% выходной мощности турбины. Эти факторы способствуют более высокой эффективности цикла. Преимущество этого компенсируется низкими температурами пара, поступающего в турбину(ы). Например, газовые турбины имеют температуру на входе в турбину, приближающуюся к 1500 °C. Однако тепловой КПД реальных крупных паровых электростанций и крупных современных газотурбинных станций аналогичен.
В цикле Ренкина четыре процесса. Состояния обозначены цифрами (коричневыми) на диаграмме T–s .
В идеальном цикле Ренкина насос и турбина были бы изэнтропическими: т. е. насос и турбина не генерировали бы энтропии и, следовательно, максимизировали бы чистую производительность. Процессы 1–2 и 3–4 будут представлены вертикальными линиями на диаграмме T–s и более похожи на цикл Карно . Показанный здесь цикл Ренкина не позволяет состоянию рабочего тела оказаться в области перегретого пара после расширения в турбине, [1] что снижает энергию, отбираемую конденсаторами.
Фактический пароэнергетический цикл отличается от идеального цикла Ренкина из-за необратимости внутренних компонентов, вызванной трением жидкости и потерями тепла в окружающую среду; трение жидкости вызывает падение давления в котле, конденсаторе и трубопроводах между компонентами, в результате чего пар выходит из котла при более низком давлении; Потери тепла уменьшают полезную мощность, поэтому для поддержания того же уровня полезной мощности требуется добавление тепла к пару в котле.
определяет термодинамическую эффективность цикла как отношение полезной выходной мощности к подводимому теплу. Поскольку работа, требуемая насосом, часто составляет около 1% от производительности турбины, ее можно упростить:
Каждое из следующих четырех уравнений [1] получено из баланса энергии и массы контрольного объема.
При рассмотрении КПД турбин и насосов необходимо внести поправку на условия работы:
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 в ходе обоих процессов. Это несколько увеличивает мощность , необходимую насосу, и снижает мощность, вырабатываемую турбиной. [2]
В частности, эффективность паровой турбины будет ограничена образованием капель воды. Когда вода конденсируется, капли воды попадают на лопатки турбины на высокой скорости, вызывая точечную коррозию и эрозию, постепенно уменьшая срок службы лопаток турбины и эффективность турбины. Самый простой способ решить эту проблему — перегреть пар. На диаграмме T–s выше 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.
Общий термодинамический КПД можно повысить за счет повышения средней температуры подвода тепла .
этого цикла. Простой способ добиться этого – повысить температуру пара в область перегрева. Существуют также варианты базового цикла Ренкина, предназначенные для повышения термического КПД цикла; два из них описаны ниже.
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, тогда как оптимальное необходимое давление повторного нагрева составляет лишь одну четверть исходного давления в котле. Среди других преимуществ это предотвращает конденсацию пара во время его расширения и тем самым снижает повреждение лопаток турбины, а также повышает эффективность цикла, поскольку большая часть теплового потока в цикл происходит при более высокой температуре. Цикл повторного нагрева был впервые введен в эксплуатацию в 1920-х годах, но из-за технических трудностей проработал недолго. В 1940-х годах он был вновь введен в действие с увеличением производства котлов высокого давления , а в 1950-х годах в конечном итоге был введен двойной подогрев. Идея двойного подогрева заключается в повышении средней температуры. Было замечено, что более двух стадий повторного нагрева, как правило, не нужны, поскольку следующая стадия увеличивает эффективность цикла лишь вдвое меньше, чем предыдущая. Сегодня двойной догрев широко используется на электростанциях, работающих при сверхкритическом давлении.
Регенеративный цикл Ренкина назван так потому, что после выхода из конденсатора (возможно, в виде переохлажденной жидкости ) рабочее тело нагревается паром , отбираемым из горячей части цикла. На показанной диаграмме жидкость в точке 2 смешивается с жидкостью в точке 4 (обе имеют одинаковое давление), образуя насыщенную жидкость в точке 7. Это называется «нагревом при прямом контакте». Регенеративный цикл Ренкина (с небольшими вариантами) обычно используется на реальных электростанциях.
Другой вариант направляет отбираемый пар между ступенями турбины в подогреватели питательной воды для предварительного нагрева воды на пути от конденсатора к котлу. Эти подогреватели не смешивают входной пар и конденсат, работают как обычный трубчатый теплообменник и называются «подогревателями питательной воды закрытого типа».
Регенерация увеличивает температуру подвода тепла в цикл 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.
В органическом цикле Ренкина (ORC) вместо воды и пара используется органическая жидкость, такая как н-пентан [3] или толуол [4] . Это позволяет использовать источники тепла с более низкой температурой, такие как солнечные пруды , которые обычно работают при температуре около 70–90 °C. [5] Эффективность цикла намного ниже из-за более низкого температурного диапазона, но это может оказаться целесообразным из-за более низких затрат на сбор тепла при этой более низкой температуре . В качестве альтернативы можно использовать жидкости, температура кипения которых выше температуры воды, и это может иметь термодинамические преимущества (см., например, турбину на парах ртути ). Свойства фактического рабочего тела оказывают большое влияние на качество пара (пара) после этапа расширения, влияя на проектирование всего цикла.
Цикл Ренкина не ограничивает рабочую жидкость в своем определении, поэтому название «органический цикл» является просто маркетинговой концепцией, и цикл не следует рассматривать как отдельный термодинамический цикл.
Цикл Ренкина, применяемый с использованием сверхкритической жидкости [6] , объединяет концепции тепловой регенерации и сверхкритического цикла Ренкина в единый процесс, называемый регенеративным сверхкритическим циклом (RGSC). Оптимизирован для источников температуры 125–450 °С.
