Цикл Ренкина: появление, процессы, диаграммы, параметры

Цикл Ренкина является основой работы подавляющего большинства тепловых и атомных электростанций в мире. Понимание принципов этого цикла позволяет повысить эффективность использования топлива и уменьшить вредное воздействие энергетики на окружающую среду.

История цикла Ренкина

Цикл Ренкина был предложен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкиным для преобразования тепловой энергии в механическую работу.

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).

Первоначально цикл Ренкина применялся в паровых машинах, а затем в паровых турбинах. К началу XXI века по разным модификациям цикла Ренкина работало около 90% всей вырабатываемой в мире электроэнергии.

Описание процессов в цикле Ренкина

Классический цикл Ренкина с водяным паром как рабочим телом состоит из следующих процессов:

1. Испарение воды в котле при постоянном давлении и подводе тепла извне
2. Перегрев полученного пара в котле или пароперегревателе при постоянном давлении
3. Расширение перегретого пара в турбине с получением механической работы
4. Конденсация отработанного пара в конденсаторе при постоянном давлении
5. Сжатие жидкости (конденсата) в питательном насосе для подачи ее обратно в котел

Важнейшими элементами установки, реализующей цикл Ренкина, являются:

• Паровой котел
• Паровая турбина
• Конденсатор
• Питательный насос

В котле происходят процессы нагрева и испарения воды, а также перегрева пара.

Цикл Ренкина на диаграмме состояния

Для анализа циклов часто используют диаграммы состояния: ts-диаграмму, TQ-диаграмму и pv-диаграмму. На них цикл Ренкина выглядит следующим образом:

На ts-диаграмме (температура - энтропия) цикл Ренкина представляет собой замкнутый контур 1-2-3-4-5. Площадь этого контура на диаграмме соответствует работе, которую совершает 1 кг рабочего тела за цикл.

Другим важным параметром цикла является его термический КПД, определяемый отношением полезной работы к подведенной теплоте. Для цикла Ренкина с перегретым паром термический КПД составляет 34-46%.

На pv-диаграмме (давление - объем) цикл Ренкина также представляется в виде замкнутого контура. Здесь видно, как меняются параметры рабочего тела на разных стадиях цикла.

Цикл Ренкина широко используется в современных паротурбинных тепловых и атомных электростанциях. Понимание его основ позволяет оптимизировать работу этих станций.

Термический КПД цикла Ренкина

Важнейшим показателем эффективности цикла Ренкина является его термический КПД. Он определяется по формуле:

где η - термический КПД цикла Ренкина; L - полезная работа, совершаемая рабочим телом за цикл; Кподв - количество подведенной теплоты к рабочему телу за цикл.

На величину КПД влияют такие параметры как начальное давление перед турбиной, температура перегрева пара, температура конденсации.

Пути повышения КПД цикла Ренкина

Существует несколько основных направлений повышения термического КПД цикла Ренкина:

• Применение промежуточного перегрева пара
• Использование регенерации (подогрев конденсата за счет отборов из турбины)
• Переход к сверхкритическим параметрам (давление > 22 МПа)

Улучшенные модификации цикла Ренкина

На практике применяются различные усовершенствованные варианты цикла Ренкина, позволяющие повысить его эффективность.

Наиболее распространен цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара. Здесь пар после турбины частично возвращается в котел на дополнительный подогрев перед подачей в низкопотенциальную часть турбины.

Органический цикл Ренкина

В органическом цикле Ренкина в качестве рабочего тела используются невода, а органические соединения. Это позволяет эффективно утилизировать низкопотенциальное тепло с относительно невысокими температурами (70-120°C).

Преимущества органического цикла Ренкина

Главные преимущества использования органического рабочего тела в цикле Ренкина:

• Возможность утилизации низкопотенциальной теплоты
• Экологическая чистота
• Выработка дешевой электроэнергии

Благодаря этим достоинствам сфера применения органического цикла Ренкина непрерывно расширяется.

Примеры реализации органического цикла Ренкина

Успешно работающие установки на основе органического цикла Ренкина действуют, например, на геотермальной станции Ландау в Германии и на ряде промышленных предприятий.

Перспективно использование органического цикла Ренкина в солнечных прудах, где температура воды достигает 70-90°C.

Цикл Ренкина в парогазовых установках

Для повышения эффективности использования органического топлива применяют комбинированные парогазовые установки (ПГУ). В них цикл Ренкина объединяется с газотурбинным циклом.

Газовая турбина работает при более высоких температурах (до 1100°C), чем паровая. Это позволяет достичь большего КПД.

Роль цикла Ренкина в ПГУ

В парогазовых установках цикл Ренкина выполняет следующие функции:

• Утилизация тепла отработавших газов из газовой турбины
• Охлаждение газов перед выбросом в атмосферу
• Дополнительная выработка электроэнергии в паровой турбине

Благодаря этому КПД ПГУ достигает 58-60%, что намного выше, чем у раздельных паросиловых и газотурбинных установок.

Перспективы развития парогазовых технологий

Дальнейшее совершенствование ПГУ идет по пути повышения начальных параметров цикла Ренкина:

• Температуры перегретого пара (до 700°C)
• Давления свежего пара (до 350 атм)

Это позволит еще больше приблизить эффективность комбинированного цикла к пределу по КПД цикла Карно.

Применение цикла Ренкина в холодильных установках

При обращении цикла Ренкина он может быть использован для получения холода, например в холодильниках и кондиционерах.

Принцип действия холодильной машины на цикле Ренкина

При обращении цикла Ренкина теплота отбирается в испарителе, а отводится в конденсаторе. Это позволяет использовать цикл Ренкина для получения холода.

Основные элементы холодильной машины на цикле Ренкина:

• Компрессор
• Конденсатор
• Дроссель
• Испаритель

В качестве хладагента чаще всего используют фреоны, аммиак, пропан, изобутан.

Достоинства и недостатки холодильных машин на цикле Ренкина

Преимущества:

• Высокая эффективность
• Длительный срок службы

Недостатки:

• Высокая стоимость
• Большие габариты и вес

Перспективы применения цикла Ренкина в холодильной технике

В будущем возможно расширение использования цикла Ренкина в промышленных холодильных установках большой мощности. Для бытового применения перспективнее компрессорные холодильники.

Перспективы развития цикла Ренкина

Несмотря на длительную историю применения, цикл Ренкина обладает потенциалом для дальнейшего совершенствования и повышения эффективности.

Новые рабочие тела

Ведутся разработки новых органических соединений в качестве рабочих тел для цикла Ренкина. Они должны обладать более высокими критическими температурами и давлениями по сравнению с водой.

Применение нанотехнологий

Наноструктурированные покрытия элементов установки могут уменьшить трение и повысить теплопередачу, что позитивно скажется на эффективности цикла Ренкина.

Новые схемные решения

Разрабатываются комбинированные циклы, включающие цикл Ренкина наряду с органическим циклом Брайтона, циклом Стирлинга и другими.

Роль цикла Ренкина в энергетике будущего

Большинство экспертов считают, что в обозримой перспективе цикл Ренкина сохранит лидирующие позиции в производстве электроэнергии из органического топлива.