Цикл Ренкина

Цикл Ренкина был предложен в середине XIX века инженером и физиком У. Ренкином.

По состоянию на начало 2000-х годов по циклу Ренкина в разных его вариациях, с использованием паровых турбин, вырабатывалось около 90 % всей электроэнергии, потребляемой в мире^[1], включая паросиловые установки солнечных, атомных, а также тепловых электростанций, использующих в качестве топлива мазут, газ, уголь или торф.

Цикл Ренкина используется также в радиоизотопных электрогенераторах, а обратный цикл Ренкина - самый распространенный цикл холодильной машины, по которому работают компрессорные холодильные машины (холодильники, кондиционеры, чиллеры, и так далее)

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от разности величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара. КПД цикла Ренкина ${\displaystyle \eta }$ выражается:

${\displaystyle \eta ={\frac {q_{1}-q_{2}}{q_{1}}}={\frac {l_{a}^{T}-l_{a}^{H}}{q_{1}}}.}$

Цикл Ренкина с водой в качестве рабочего тела состоит из следующих процессов:

• изобара (термодинамика) — линия 4—5—6—1. Происходит догрев (в экономайзере) до температуры насыщения и испарение воды (перевод в состояние влажного пара, а затем сепарация пара от капель воды с повышением степени сухости), а затем перегрев пара в пароперегревателе. В этом процессе затрачивается теплота ${\displaystyle {q_{1}}}$. Происходит в паровом котле, в активной зоне реактора или в парогенераторе. На АЭС с большинством типов энергетических реакторов (РБМК, ВВЭР, BWR, CANDU) перегрева пара не происходит, происходит только сепарация пара и сепарация после ЦВД паровой турбины. Подведённая теплота равна разности энтальпий между состояниями 4 и 1.

• адиабата — линия 1—2. Процесс расширения пара в турбине или паровой машине и преобразования части внутренней энергии пара в механическую работу (${\displaystyle {l_{a}^{T}}}$). В идеальном случае этот процесс является изоэнтропным. Этот процесс происходит в паровой машине или в паровой турбине. В реальности процесс происходит с увеличением энтропии, работа в этом процессе равна разности энтальпий между состояниями 1 и 2.

• изотерма — линия 2—3 конденсация отработавшего пара с отводом теплоты ${\displaystyle {q_{2}}}$ в конденсаторе охлаждающей конденсатор водой (циркуляционной водой), или воздухом, нагнетаемым вентилятором, в случае конденсатора воздушного охлаждения. Отведенная теплота равна разности энтальпий между состояниями 2 и 3.

• адиабата — линия 3—4. Сжатие сконденсированного рабочего тела до первоначального давления с затратой работы ${\displaystyle {l_{a}^{H}}}$ в питательном насосе. Также, в идеальном случае этот процесс является изоэнтропным, в реальности же протекает с изменением энтропии, и является необратимым (на T-S-диаграмме реальная адиабата бы выглядела как отрезок, имеющая угол наклона к оси, не равный 90°, по которой откладывается значение энтропии, в то время как идеальный и обратимый адиабатический процесс - изоэнтропа, выглядит как отрезок, перпендикулярный к оси энтропии). Работа, необходимая для сжатия сконденсированного рабочего тела, многократно меньше, чем работа, которая совершается рабочим телом в турбине.

Цикл Ренкина повсеместно применяется в современных тепловых и атомных электростанциях большой мощности, использующих в качестве рабочего тела воду. Паровоз с тендером-конденсатором также работает по этому термодинамическому циклу.

При прохождении рабочим телом цикла Ренкина в обратном направлении (1—6—5—4—3—2—1) он описывает рабочий процесс холодильной машины с двухфазным рабочим телом (то есть, претерпевающим в ходе процесса фазовые переходы от газа к жидкости и обратно).

Холодильные машины, работающие по этому циклу, с фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в составе бытовых холодильников, кондиционеров и промышленных холодильников с температурой охлаждаемой камеры до −40 °C. Как правило, процесс расширения в обратном цикле Ренкина происходит без совершения работы (дросселирование - необратимый адиабатный процесс)

Цикл паротурбинной установки, в котором питательная вода до её поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточной ступени паровой турбины. Подогрев реализуется посредством специального теплообменника — регенеративного подогревателя, высокого или низкого давления (ПВД и ПНД). Наиболее широко распространённый в теплоэнергетике термодинамический цикл, причём подогрев осуществляется в несколько ступеней (на АЭС применяют один ПНД и промежуточный перегрев пара за счёт отбора с ЦВД, в атомной энергетике паровые турбины работают на насыщенном паре, за исключением реакторов с ЖМТ-теплоносителями), некоторые паровые турбины на тепловых электростанциях имеют встроенный в конденсатор пучок подогревателя низкого давления, как самую первую ступень регенерации. КПД цикла также повышает использование теплофикационных отборов пара (как правило, подогрев сетевой воды в бойлерах, в которые поступает пар теплофикационных отборов, происходит в две ступени), таким образом, в атмосфере рассеивается просто так лишь 10% произведённой при сжигании топлива тепловой энергии, с учётом утилизации тепла дымовых газов на подогрев питательной воды и подогрев воздуха, подаваемого на горелочные устройства с помощью воздухоподогревателя в конвективной шахте и регенеративного воздухоподогревателя (РВП).

В так называемом органическом цикле Ренкина вместо воды и водяного пара используются органические жидкости, например н-пентан^[2] или толуол^[3]. За счет этого становится возможным использовать источники тепла, имеющие низкую температуру, например солнечные пруды (Solar pond), которые обычно нагреваются до 70—90 °C^[4]. Термодинамическая эффективность подобного варианта цикла невелика из-за низких температур, однако низкотемпературные источники тепла значительно дешевле высокотемпературных. Геотермальная электростанция Ландау в Германии в качестве рабочего тела использует изопентан.

Также цикл Ренкина может быть использован с жидкостями, имеющими более высокую температуру кипения, чем вода, для получения большей эффективности. Примером таких машин является турбина, работающая на парах ртути, используемая как высокотемпературная часть в ртутно-водяном бинарном цикле ртутно-паровая турбина)^[5][6].