Цикл Ренкина: Что это? (Идеальный vs. Реальный + T-s диаграмма)

Что такое цикл Ренкина?

Цикл Ренкина - это механический цикл, который обычно используется на электростанциях для преобразования давления пара в механическую энергию через паровые турбины. Основные компоненты цикла Ренкина включают вращающуюся паровую турбину, насос котла, стационарный конденсатор и котел.

Котел используется для нагрева воды до пара при требуемом давлении и температуре в соответствии с требованиями турбины для генерации электроэнергии.

Выходной пар турбины направляется в радиальный или осевой потоковый конденсатор для конденсации пара в конденсат, который затем возвращается обратно в котел через насосы котла для повторного нагрева.

Это может стать более понятным, если мы отступим на шаг назад и поймем, как выглядит типичный цикл работы электростанции.

Типичный цикл работы электростанции

Электроэнергия генерируется с использованием паровых энергетических установок, использующих уголь, лигнит, дизельное топливо, тяжелое печное топливо в качестве топлива в зависимости от доступности и стоимости. Схема потока парового энергетического цикла представлена ниже:

Весь процесс работы электростанции можно разделить на следующие подсистемы.

• Подсистема A: классифицируется как основные компоненты электростанции (турбина, конденсатор, насос, котел) для генерации электроэнергии.

• Подсистема B: классифицируется как дымовая труба, через которую отработанные газы выбрасываются в атмосферу.

• Подсистема C: классифицируется как электрический генератор для преобразования механической энергии в электрическую энергию.

• Подсистема D: классифицируется как система охлаждающей воды для поглощения тепла отработавшего пара в конденсаторе и изменения фазы пара в жидкость (конденсат).

Мы будем анализировать подсистему в этом цикле работы электростанции, которая связана с циклом Ренкина.

Многие практические ограничения, связанные с циклом Карно, могут быть удобно преодолены в цикле Ренкина.

Идеальный цикл Ренкина

В паровом цикле, если рабочее вещество проходит через различные компоненты электростанции без необратимости и потери давления из-за трения, то такой цикл называется идеальным циклом Ренкина.

Цикл Ренкина является основным операционным циклом для всех электростанций, где рабочее вещество непрерывно меняет свою фазу от жидкости к пару и наоборот.

Диаграммы (p-h) и (T-s) полезны для понимания работы цикла Ренкина вместе с приведенным ниже описанием:

1-2-3 Изобарический теплообмен или постоянное добавление тепла в котле

Котел - это большой теплообменник, в котором тепло, выделяемое топливом, таким как уголь, лигнит или нефть, передается воде при постоянном давлении. Вода поступает в паровой котел от насоса питательной воды в виде сжатой жидкости в состоянии-1 и нагревается до температуры насыщения, как показано на диаграмме T-s в состоянии-3.

Энергетическое равновесие в котле или добавленная энергия в парогенераторе,
qin= h3-h1

3-4 Изэнтропическое расширение или изэнтропическое расширение в турбине

Пар из выхода котла поступает в турбину в состоянии 3, где он изэнтропически расширяется на неподвижных и движущихся лопатках турбины, производя работу в виде механического вращения вала турбины, который соединен с электрогенератором.
Выработка работы турбиной (пренебрегая теплопередачей с окружающей средой)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Изобарический отвод тепла или постоянный отвод тепла в конденсаторе

В состоянии-4 пар поступает в конденсатор. Происходит изменение фазы, так как пар конденсируется в жидкость при постоянном давлении в конденсаторе путем передачи тепла пара циркулирующему потоку воды через трубы конденсатора. Изменение фазы происходит в конденсаторе, и рабочее вещество, покидающее конденсатор, находится в жидком состоянии и обозначено как точка 5.
Отведенное в конденсаторе тепло, qout= h4-h5

5-1 Изэнтропическое сжатие или изэнтропическое сжатие в насосе

Вода выходит из конденсатора в состоянии 5 и поступает в насос. Этот насос повышает давление воды, затрачивая работу в процессе. В устройствах меньшего размера и с низким удельным объемом, эта малая работа может быть пренебрегаема по сравнению с работой, вырабатываемой паровой турбиной.
Затраченная на насос работу на 1 кг воды, W51= h5-h1