Питання. Паросилова цикл Ренкіна, схеми установки. Зображення в Р, v-і T, s-діаграмах
Цикл Ренкіна - теоретичний термодинамічний цикл парової машини, що складається з чотирьох основний операцій:
-1 - Випаровування рідини при високому тиску;
-2 - Розширення пари;
-3 - Конденсації пари;
-4 - Збільшення тиску рідини до початкового значення.
На рис. 1 представлена технологічна схема паросилова установки для виробництва електроенергії.
Пар великого тиску і температури подається в соплові апарати турбіни, де відбувається перетворення потенційної енергії пари в кінетичну енергію потоку пари (швидкість потоку - надзвукова). Кінетична енергія надзвукового потоку перетворюється на лопатках турбіни в кінетичну енергію обертання колеса турбіни і в роботу виробництва електроенергії.
На рис. 1 показана одна турбіна, насправді турбіна має кілька ступенів розширення пари.
Після турбіни пар направляється в конденсатор. Це звичайний теплообмінник, всередині труб проходить охолоджуюча вода, зовні - водяний пар, який конденсується, вода стає рідкою.
Рис. 1. Принципова технологічна схема паросилова установки.
Ця вода надходить в живильний насос, де відбувається збільшення тиску до номінальної (проектної) величини.
Далі вода з високим тиском направляється в котельний агрегат (на рис. 1 він обведений штриховою лінією). У цьому агрегаті вода спочатку нагрівається до температури кипіння від димових газів з топки котла, потім надходить у кип'ятильні труби, де відбувається фазове перетворення аж до стану сухого насиченої пари (див. т. 5 на рис. 6.3).
Нарешті, сухий насичений пар йде у пароперегреватель, що обігрівається топковим димовими газами з топки. Стан пари на виході з пароперегрівача характеризується точкою 1. Так замикається цикл. Цей цикл паросилова установки запропонував німецький інженер Ренкін, і тому його і назвали циклом Ренкіна.
Розглянемо цикл Ренкіна на трьох термодинамічних діаграмах p - v, T - s, h - s (див. рис. 2).
Нумерація точок збігається з нумерацією на рис. 1. Процес 1 - 2 - розширення пари в соплах турбіни; 2 - 3 - процес конденсації пари; 3 - 4 - процес в живильному насосі; 4 - 5 - процес нагрівання води та її кипіння; 5 - 1 - процес перегріву пари. Заштриховані ті області діаграм, площа яких чисельно дорівнює роботі та теплоти за цикл, причому q ц = w ц.
Рис. 2. Цикл Ренкіна на термодинамічних діаграмах
З технологічної схеми на рис. 1 і діаграми Т - s на рис. 2 слід, що теплота підводиться до робочого тіла в процесах 4 - 5 - 1, у яких ds> 0. І ці процеси характеризуються інваріантом p 1 = const. Тому що підводиться в циклі Ренкіна теплота q підв дорівнює:
q підв = h 1 - h 4. Дж. (6.2)
Теплота відводиться від робочого тіла в процесі 2 - 3 (ds <0) і цей процес теж p 2 = const. Тому
q отв = h 2 - h 3. Дж. (1)
Різниця між підведеної теплотою і відведеної представляє собою теплоту циклу q ц, перетворену на роботу w ц
w ц = q ц = (h 1 - h 4) - (h 2 - h 3) = (h 1 - h 2) - (h 4 - h 3).
Різниця ентальпії води до живильного насоса (точка 3) і після (точка 4) мізерно мала. У зв'язку з цим
w ц = q ц = h 1 - h 2. (2)
Термічний коефіцієнт корисної дії циклу Ренкіна (а це відношення «користі», тобто w ц, до «витрат», тобто q підв) дорівнює
η t = (h 1 - h 2) / (h 1 - h 4). (3)
Рис. 3. Ілюстрація причини малого ККД циклу Ренкіна в порівнянні з циклом Карно. Втрати роботи - заштрихована площа. Нумерація точок збігається з нумерацією на рис. 1 і 2.