Цикл Ренкина — это идеализированный термодинамический цикл, описывающий процесс, посредством которого некоторые 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 Ренкина , шотландского профессора -полимата в Университете Глазго .
Тепловая энергия подается в систему через котел , где рабочая жидкость (обычно вода) преобразуется в газообразное состояние высокого давления (пар) для вращения турбины . После прохождения через турбину жидкость конденсируется обратно в жидкое состояние, поскольку отработанная тепловая энергия отводится перед возвращением в котел, завершая цикл. Потери на трение во всей системе часто пренебрегаются с целью упрощения расчетов, поскольку такие потери обычно гораздо менее значительны, чем термодинамические потери, особенно в более крупных системах.
Цикл Ренкина подробно описывает процесс, посредством 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 и нефть , использование добытых ресурсов для ядерного деления , возобновляемые виды топлива, такие как биомасса и этанол , и захват энергии из природных источников, таких как концентрированная солнечная энергия и геотермальная энергия . Обычные поглотители тепла включают окружающий воздух над или вокруг объекта и водоемы, такие как реки, пруды и океаны.
Способность двигателя Ренкина использовать энергию зависит от относительной разницы температур между источником тепла и теплоотводом. Чем больше разница, тем больше механической мощности можно эффективно извлечь из тепловой энергии, согласно теореме Карно .
Эффективность цикла Ренкина ограничена высокой теплотой испарения рабочей жидкости. Если давление и температура не достигают сверхкритических уровней в котле, диапазон температур, в котором может работать цикл, довольно мал. По состоянию на 2022 год большинство сверхкритических электростанций принимают давление пара на входе 24,1 МПа и температуру на входе от 538 °C до 566 °C, что приводит к эффективности установки 40%. Однако, если давление дополнительно увеличивается до 31 МПа, электростанция называется ультрасверхкритической, и можно увеличить температуру пара на входе до 600 °C, достигая таким образом теплового КПД 42%. [1] Эта низкая температура на входе паровой турбины (по сравнению с газовой турбиной ) является причиной того, что цикл Ренкина (паровой) часто используется в качестве донного [ требуется разъяснение ] цикла для рекуперации в противном случае отбрасываемого тепла на парогазовых электростанциях. Идея заключается в том, что очень горячие продукты сгорания сначала расширяются в газовой турбине, а затем выхлопные газы, которые все еще относительно горячие, используются в качестве источника тепла для цикла Ренкина, тем самым уменьшая разницу температур между источником тепла и рабочим телом и, следовательно, уменьшая количество энтропии, генерируемой необратимостью.
Двигатели Ренкина обычно работают в замкнутом цикле, в котором рабочая жидкость используется повторно. Водяной пар с конденсированными каплями, часто видимый на электростанциях, создается системами охлаждения (не напрямую из замкнутого цикла мощности Ренкина). Это «выхлопное» тепло представлено «Q out », вытекающим из нижней стороны 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 множество веществ, вода обычно выбирается из-за ее простого химического состава, относительной распространенности, низкой стоимости и термодинамических свойств . При конденсации рабочего пара в жидкость давление на выходе турбины снижается, а энергия, необходимая питательному насосу, потребляет всего 1–3 % выходной мощности турбины. Эти факторы способствуют повышению 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 тепловые КПД реальных крупных паровых электростанций и крупных современных газотурбинных станций схожи.
В цикле Ренкина четыре процесса. Состояния обозначены числами (коричневым цветом) на диаграмме T–s .
В идеальном цикле Ренкина насос и турбина были бы изоэнтропическими: т. е. насос и турбина не генерировали бы энтропию и, следовательно, максимизировали бы чистый выход работы. Процессы 1–2 и 3–4 были бы представлены вертикальными линиями на диаграмме T–s и больше напоминали бы цикл Карно . Показанный здесь цикл Ренкина предотвращает состояние рабочей жидкости от попадания в область перегретого пара после расширения в турбине, [1] что снижает энергию, отводимую конденсаторами.
Фактический цикл паровой мощности отличается от идеального цикла Ренкина из-за необратимости внутренних компонентов, вызванной трением жидкости и потерей тепла в окружающую среду; трение жидкости вызывает падение давления в котле, конденсаторе и трубопроводах между компонентами, и в результате пар покидает котел при более низком давлении; потеря тепла снижает чистую выходную работу, поэтому для поддержания того же уровня чистой выходной работы требуется добавление тепла к пару в котле.
определяет термодинамическую эффективность цикла как отношение чистой выходной мощности к подводимому теплу. Поскольку работа, требуемая насосом, часто составляет около 1% от выходной работы турбины, ее можно упростить:
Каждое из следующих четырех уравнений [1] выводится из баланса энергии и массы для контрольного объема.
При расчете КПД турбин и насосов необходимо внести поправку в 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, требуемую насосом, и уменьшает мощность, вырабатываемую турбиной. [2]
В частности, эффективность паровой турбины будет ограничена образованием капель воды. По мере конденсации воды капли воды ударяются о лопатки турбины на высокой скорости, вызывая точечную коррозию и эрозию, постепенно уменьшая срок службы лопаток турбины и эффективность турбины. Самый простой способ преодолеть 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 сместится вправо (и вверх) на диаграмме и, следовательно, даст более сухой пар после расширения.
Общую термодинамическую эффективность можно повысить за счет повышения средней температуры подводимого тепла .
этого цикла. Повышение температуры пара до области перегрева — простой способ сделать это. Существуют также вариации базового цикла Ренкина, предназначенные для повышения термической эффективности цикла таким образом; две из них описаны ниже.
Целью цикла повторного нагрева является удаление влаги, переносимой паром на последних этапах процесса расширения. В этом варианте две турбины работают последовательно. Первая 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 всего одну четвертую от исходного давления котла. Среди других преимуществ, это предотвращает конденсацию пара во время его расширения и, таким образом, уменьшает 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 1920-х годах, но не эксплуатировался долго из-за технических трудностей. В 1940-х годах он был повторно введен с ростом производства котлов высокого давления , и в конечном итоге двойной повторный нагрев был введен в 1950-х годах. Идея двойного повторного нагрева заключается в повышении средней температуры. Было замечено, что более двух стадий повторного нагрева, как правило, не нужны, поскольку следующая стадия увеличивает эффективность цикла только в два раза по сравнению с предыдущей стадией. Сегодня двойной повторный нагрев обычно используется на электростанциях, работающих под сверхкритическим давлением.
Регенеративный цикл Ренкина так назван, потому что после выхода из конденсатора (возможно, в виде переохлажденной жидкости ) рабочая жидкость нагревается паром , отбираемым из горячей части цикла. На показанной схеме жидкость в точке 2 смешивается с жидкостью в точке 4 (обе при одинаковом давлении), в результате чего получается насыщенная жидкость в точке 7. Это называется «нагрев прямым контактом». Регенеративный цикл Ренкина (с небольшими изменениями) обычно используется на реальных электростанциях.
Другой вариант направляет отборный пар из зоны между ступенями турбины в подогреватели питательной воды для предварительного нагрева воды на пути от конденсатора к котлу. Эти подогреватели не смешивают входящий пар и конденсат, функционируют как обычный трубчатый теплообменник и называются «закрытыми подогревателями питательной воды».
Регенерация увеличивает температуру подачи тепла в цикл за счет устранения 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 (ORC) использует органическую жидкость, такую как н-пентан [3] или толуол [4] 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. [5] Эффективность цикла намного ниже из-за более низкого температурного диапазона, но это может быть оправдано из-за более низких затрат, связанных с сбором тепла при этой более низкой температуре. В качестве альтернативы можно использовать жидкости, которые имеют точки кипения выше воды, и это может иметь термодинамические преимущества (см., например, турбину на ртутных парах ). Свойства фактической рабочей жидкости оказывают большое влияние на качество пара (испарений) после этапа расширения, влияя на конструкцию всего цикла.
Цикл Ренкина не ограничивает рабочее тело в своем определении, поэтому название «органический цикл» — это просто маркетинговая концепция, и цикл не следует рассматривать как отдельный термодинамический цикл.
Цикл Ренкина, применяемый с использованием сверхкритического флюида [6], объединяет концепции регенерации тепла и сверхкритического цикла Ренкина в единый процесс, называемый регенеративным сверхкритическим циклом (РСЦ). Он оптимизирован для температурных источников 125–450 °C.
