Что такое цикл Ренкина и как он определяется?

Эвелин Мейти Марин
Инженер-технолог, магистр физики и EdD

Идеальный термодинамический энергетический цикл, целью которого является получение полезной работы от источника тепла. Его эффективность ограничена эквивалентом Цикл Карно который работает в тех же диапазонах температур и подчиняется второму закону термодинамики. Его название относится к физику, инженеру и педагогу Уильяму Джону Макгуорну Рэнкину (1820-1872), который разработал эту модель на своей родине, в Шотландии.

Цикл Ренкина имеет большое значение, так как эта модель используется в качестве основы для описания термодинамических циклов многих электростанции, как из невозобновляемых источников, таких как угольные теплоэлектростанции, мазут или ядерный; а также термодинамические циклы с возобновляемыми источниками, такими как солнечные тепловые электростанции или геотермальные электростанции.

На фото тепловая электростанция. В большинстве этих установок встроены такие компоненты, как регенераторы, целью которых является повышение эффективности цикла и улучшение его производительности.

Основные компоненты цикла Ренкина

Хотя цикл Ренкина может включать в себя различные усовершенствования и компоненты, целью которых является повышение эффективности цикла; Есть четыре основных устройства, которые необходимы для завершения схемы. Это:

• Насос: это компонент, отвечающий за повышение давления теплоносителя от давления минимальное (рабочее давление конденсатора), до максимального давления (рабочее давление котел). Насосы могут работать только с веществами в жидком состоянии, а не со смесями, и при идеальном рассмотрении процесс Сжатие осуществляется изоэнтропически, хотя в действительности при сжатии всегда происходит увеличение энтропии. сжатие.

• Конденсатор: это система, отвечающая за обмен теплом с резервуаром при низкой температуре. температура (это могут быть реки, озера или другие источники), чтобы добиться фазового перехода пара (или смеси) на выходе из турбины, пока он не достигнет жидкого состояния перед входом в насос. Обычно это змеевик или трубы, по которым внутри циркулирует жидкость. работу и передает тепло жидкости, используемой в качестве охлаждающей среды, фактически не смешиваясь с этим. В идеале конденсатор работает при постоянном давлении, хотя на практике в процессе конденсации возникают небольшие перепады давления. конденсация.

• Котел (или его эквивалент): это элемент или пространство, где происходит добавление тепла в систему, и этот источник тепла может исходить из различных источников (сжигание котла). топливо ископаемое, сжигание биомассы, геотермальные месторождения, энергия солнечное тепло, или тепло, выделяющееся при ядерном делении). Жидкость под высоким давлением должна поступать в котел, и он отвечает за снабжение его необходимым теплом, чтобы привести его в состояние пара (или перегретого пара) перед расширением в турбине. В идеале котлы работают при постоянном давлении, хотя на практике в процессе подвода тепла происходят перепады давления.

• Паровая турбина: в термодинамических циклах турбины выполняют обратную функцию насосы, то есть их задачей является расширение пара на выходе из котла для доведения его до давления незначительный. В процессе расширения воздействие частиц пара на лопатки турбины приводит к вращению вала ротора. механическая энергия, который, в свою очередь, может быть преобразован в электроэнергия при соединении с генератором. В идеальных условиях процесс расширения в турбине осуществляется изоэнтропически, но из-за необратимости возрастает энтальпия.

Элементарный цикл Ренкина

Этот цикл в его элементарном варианте состоит из четырех процессов: двух изобарических и двух изоэнтропических, как показано на рисунке. схема. Площадь, заключенная в границах 4 состояний, представляет собой чистую работу цикла (w_сеть), что напрямую связано с тепловым КПД цикла.

Идеальный процесс, сопровождаемый рабочим телом (это может быть вода или другое вещество), следующий:

Вещество в жидком состоянии поступает в насос, где сжимается до давления котла (состояние 2). В котле жидкость нагревается и переходит в фазовое состояние, переходя из жидкости в смесь, а затем в пар. Если тепло продолжает добавляться за пределами состояния насыщенного пара, вещество становится перегретым паром, повышая его температуру (состояние 3). Далее пар поступает в турбину, расширяется до достижения минимального давления (состояние 4) и поступает в конденсатор, где он будет терять тепло, чтобы перейти из состояния пара (или смеси) в жидкость (состояние 4), завершая контур.

Эффективность цикла Ренкина

Тепловой КПД связан с площадью, заключенной в область, ограниченную 4 состояниями цикла, которые это означает, что при постоянной подводимой теплоте чем больше полезная работа, тем выше КПД. цикл. Чистая работа (w_сеть) – разность работы, производимой турбиной (w_Выход) минус работа насоса (w_вход). С другой стороны, КПД цикла можно повысить и за счет уменьшения количества теплоты, которое необходимо подвести к котлу (q_вход), и одним из способов достижения этого является включение в цикл нагревателей (открытых или закрытых), основной функцией которых является предварительный нагрев воды из кормление (вода, поступающая в котел) за счет отбора пара из турбины; это сделало бы схему регенеративным циклом Ренкина.

В последнем уравнении переменная h представляет собой энтальпию в каждом состоянии, а значения получены из таблиц пара рабочего тела из условий давления и/или температуры.

Улучшения в цикле Ренкина предназначены для увеличения площади, представляющей чистую работу цикла, или для уменьшения тепла, подаваемого котлом.