Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара. Регенерация теплоты.

Цикл Карно насыщенного пара можно было бы осуществить следующим об­разом. Теплота от горячего источника подводится при постоянной температуре по линии 5-1, в результа­те чего вода с параметрами точки 5 пре­вращается в сухой насыщенный пар с параметрами точки 1. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры , совершая техническую работу и превращаясь во влажный пар с пара­метрами точки 2. Этот пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту хо­лодному источнику (циркулирующей по трубкам охлаждающей воде), в резуль­тате чего его степень сухости уменьшает­ся от до . Изотермы в области влаж­ного пара являются одновременно и изобарами, поэтому процессы 5-1 и 2-2' протекают при постоянных давлениях и . Влажный пар с параметрами точки 2' сжимается в компрессоре по линии 2'-5, превращаясь в воду с температурой кипения. На практике этот цикл не осуществляется, прежде всего, потому, что в реальном цикле вследствие потерь, связанных с неравновесностью протекаю­щих в нем процессов, на привод компрессора затрачивалась бы большая часть мощности, вырабатываемой турбиной.

Значительно удобнее и экономичнее в реальном цикле конденсировать пар до конца по линии 2-3, а затем насосом увеличивать давление воды от р₂ до по линии 3-4. Поскольку вода несжимаема, точки 3 и 4 почти совпадают, и затрачи­ваемая на привод насоса мощность ока­зывается ничтожной по сравнению с мощностью турбины (несколько про­центов), так что практически вся мощ­ность турбины используется в качестве полезной. Такой цикл был предложен в 50-х годах прошлого века шотландским инженером и физиком Ренкиным и почти одновременно Клаузиусом. Схема теплосиловой установки, в которой осу­ществляется этот цикл, представлена на рис. (На этой схеме показана также возможность перегрева пара в паропе­регревателе 6-1, которая в цикле насы­щенного пара не реализуется).

Рисунок 8.6 - Циклы Карно и Ренкина насыщен­ного водяного пара

в T,s диаграмме

Рисунок 8.7 - Схема паросиловой установки: ПК — паровой котел; Т — паровая турбина; ЭГ- электрогенератор; К — конденсатор; Н — насос

Теплота в этом цикле подводится по линии 4-5-6 (см. рис.) в паровом кот­ле, пар поступает в турбину Т и рас­ширяется там по линии 1-2 до давления, совершая техническую работу . Она передается на электрический гене­ратор ЭГ или другую машину, которую вращает турбина. Отработавший в тур­бине пар поступает в конденсатор К, где конденсируется по линии 2-3, отдавая теплоту конденсации холодному источни­ку (охлаждающей воде). Конденсат за­бирается насосом Н и подается снова в котел (линия 3-4).

Термический КПД цикла Ренкина, естественно, меньше, чем цикла Карно при тех же температурах и , по­скольку средняя температура подвода теплоты уменьшается при неизменной температуре отвода. Однако реальный цикл (с учетом неравновесности сжатия пара в компрессоре в цикле Карно) ока­зывается экономичнее.

Теоретически термический КПД цикла Ренкина можно сделать равным КПД цикла Карно с помощью регенерации теплоты, если осуществить расширение пара не по адиабате 1-2, как в обычной турбине, а по политропе 7 эквидистантной линии 4-5 нагрева воды, и всю выделяющуюся при этом теплоту (площадь 1-1'-7'-7) передать в идеальном (без потерь эксергии) теплообменнике воде (площадь 3'-3-5-5').

На практике такую идеальную реге­нерацию осуществить не удается, однако в несколько ином виде регенеративный подогрев воды применяется очень широ­ко и позволяет существенно увеличить КПД реального цикла.

К сожалению, цикл насыщенного во­дяного пара обладает весьма низким КПД из-за невысоких температур насыщения. Например, при давлении 9,8МПа тем­пература насыщения составляет 311 °С. При температуре холодного источни­ка, равной 25 °С, =(273 + 25)/(273 + 311)=0,49. Даль­нейшее увеличение температуры а значит, и давления не имеет смысла, ибо, мало увеличивая КПД, оно приво­дит к утяжелению оборудования из усло­вий прочности, а также к уменьшению количества теплоты , забираемой каж­дым килограммом воды в процессе испа­рения 5-1 (из-за сближения точек и на рис. и по мере повышения температуры). Это значит, что для по­лучения той же мощности необходимо увеличивать расходы воды и пара, т. е. габариты оборудования.

При температуре, превышающей критическую (для воды _кр = 374,15°С что соответствует давлению 22,1 МПа), цикл на насыщенном паре вообще невоз­можен. Поэтому цикл насыщенного пара (регенеративный) применяется в основ­ном в атомной энергетике, где перегрев пара выше температуры насыщения свя­зан с определенными трудностями.

Рисунок 8.8 - Идеальная регенерация теплоты в цикле насыщенного пара

Между тем металлы, которыми рас­полагает современное машиностроение, позволяют перегревать пар до 550— 600 °С. Это дает возможность уменьшить потери эксергии при передаче теплоты от продуктов сгорания к рабочему телу и тем самым существенно увеличить эф­фективность цикла. Кроме того, перегрев пара уменьшает потери на трение при его течении в проточной части турбины. Все без исключения тепловые электрические станции на органическом топливе рабо­тают сейчас на перегретом паре, а иног­да пар на станции перегревают дважды и даже трижды. Перегрев пара все шире применяется и на атомных электростан­циях, особенно в реакторах на быстрых нейтронах.