Идеальный цикл Ренкина

В современной стационарной теплоэнергетике в основном используются установки, в которых рабочим телом является пар, имеющий ряд особенностей и преимуществ по сравнению с газообразным рабочим телом. Наиболее распространенным и дешевым рабочим телом является водяной пар. Рассмотрим работу паротурбинных установок (ПТУ), в которых в качестве рабочего тела применяется водяной пар.

Прежде всего, проанализируем возможность реализации в ПТУ наиболее эффективного цикла работы тепловых машин. С точки зрения термодинамики представляется целесообразным осуществлять в ПТУ цикл Карно, так как он имеет наибольший термический КПД в заданном диапазоне изменения температур. На рис. 4.1 представлена схема паротурбинной установки, а на рис. 4.2 - цикл Карно на влажном паре в координатах, pv и Ts, (в турбину подается сухой пар при х ≈ 1).

Рис. 4.1 Схема паротурбинной установки:

КТ - котел; ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор;

КН - конденсатор; КР - компрессор

Цикл Карно для насыщенного пара осуществляется следующим образом. Рабочее тело (пар) приготавливается в котле КТ (рис. 4.1) путем подвода теплоты сгорания топлива к жидкости в процессе 4-1 при постоянных давлении р₁ и температуре Т₁ (рис. 4.2); пар расширяется в паровой турбине ПТ и совершает работу в адиабатном процессе 1-2, паровая турбина соединена с электрогенератором ЭГ; отработавший пар с состоянием в точке 2 (х₂ < 1) поступает в конденсатор КН (теплообменник для отвода теплоты от пара к охлаждающей воде), где осуществляется отвод теплоты в процессе 2-3 при постоянных давлении р₂ и температуре Т₂. Точка 3 (рис. 4.2) выбирается так, чтобы путем адиабатного сжатия (процесс 3-4) в компрессоре КР влажный пар (х₃ < 1) перевести в кипящую жидкость (х₃~0) и ввести ее в котел.

Термический КПД цикла Карно на влажном паре (рис. 4.2) равен

Рис. 4.2. Цикл Карно (в турбину подается сухой насыщенный пар)

Практическое осуществление цикла Карно связано с некоторыми трудностями. Например, при р₁ =10,0 МПа и р₂ =0,01 МПа отношение удельных объемов (рис. 4.2); отношение работ парового цикла l₁=пл. 1-2-3-4 и работы на привод компрессора l₂ =пл. 3-4-4'-3’ равно .

В цикле Карно процесс конденсирования должен заканчиваться в точке 3, где величина удельного объема пара v₃ велика, что обусловливает чрезмерно большие размеры компрессора по сравнению с размерами турбины, а на его приводе должна затрачиваться более ⅓ работы турбины и более. Кроме того, сухой насыщенный пар при адиабатном расширении в проточной части турбины сильно увлажняется с образованием крупных водяных капель, которые отрицательно сказываются на состоянии лопаток турбины (происходит кавитация).

Из рассмотренного выше примера следует, что осуществление цикла Карно для парового теплового двигателя по практическим соображениям нецелесообразно; термический КПД цикла высокий, но общая эффективность паротурбинной установки невелика.