Паровые турбины используются во всем мире на различных электростанциях. Эти типы турбин чаще всего используются на угольных электростанциях и гидроэлектростанциях. Котел используется для преобразования воды в пар. Полученный пар направляется в паровую турбину для производства электроэнергии. Паровая турбина работает по циклу Ранкина. Поэтому цикл Ранкина также известен как паровой цикл. В предыдущей статье мы обсудили работу и типы паровых турбин. Поэтому в этой статье в основном описывается цикл Ранкина, его типы, работа и эффективность.
Что такое цикл Ренкина?
Цикл Ренкина — это наиболее широко используемый термодинамический цикл на различных электростанциях, таких как атомные электростанции или электростанции, работающие на угле. Цикл Ранкина описывает процедуру, посредством которой поршневой паровой двигатель или паровая турбина извлекает механическую энергию из рабочей среды, когда она течет между тепловым резервуаром и источником тепла.
Проще говоря, цикл Ренкина описывает, как тепловой двигатель, такой как паровая машина, извлекает тепловую энергию из источника тепла и использует ее для производства электроэнергии. Этими источниками тепла могут быть сжигание этанола, биомассы, нефти, природного газа, угля или процесс ядерного деления и т.д.
В 19 веке Уильям Джон Маккуорн Рэнкин разработал цикл Рэнкина.
Мощность извлечения тепловой энергии в двигателе Ренкина зависит от температуры теплоотвода и температуры источника тепла.
Согласно теореме Карно, чем выше разница температур, тем больше механической энергии двигатель может извлечь из тепловой энергии.
Идеальный цикл Ранкина
В случае парового цикла, если рабочая среда перемещается по различным частям силовой установки без давления трения и потерь необратимости, цикл называется идеальным циклом Ранкина.
Цикл Ранкина — это основной рабочий цикл всех электростанций, в котором рабочая жидкость непрерывно переходит из жидкости в пар и из пара в жидкость. Это теоретический цикл, в котором тепловая энергия превращается в полезную работу.
Ниже приведена T-s диаграмма цикла Ренкина, которая поможет понять принцип работы цикла Ренкина.
Т-образная диаграмма цикла Ренкина
Ниже приведены этапы завершения цикла Ренкина:
- Изэнтропическое сжатие (1 — 2): На этом этапе насос используется для перекачки воды или другой рабочей среды из водоема (канала, резервуара и т.д.) в котел. Насос требует небольшого количества энергии для первоначальной перекачки. Он перекачивает жидкость, увеличивая давление жидкости, но энтропия жидкости остается неизменной. Для начальной откачки работа, выполняемая насосом, приведена ниже:
- Процесс добавления тепла при постоянном давлении (2 — 3): Когда вода поступает в котел, внешний источник тепла подводит к нему тепло. Котел нагревает воду при постоянном давлении и преобразует ее в сухой насыщенный пар (пар). Во время этого процесса энтальпия жидкости изменяется, а давление остается постоянным.
- Изэнтропическое расширение (3 — 4): После процесса добавления тепла при постоянном давлении пар поступает в зону турбины, где он расширяется. Расширяясь, пар ударяется о лопатки турбины, которые преобразуют тепловую энергию пара в энергию вращения (механическую работу). При вращении лопастей турбины они также вращают коленчатый вал, который далее вращает катушку генератора. Вращаясь в магнитном поле, катушка вырабатывает электричество. Во время всего этого процесса давление и температура пара снижаются, поэтому может происходить конденсация.
- Процесс отвода тепла при постоянном давлении (4 к 1) : После процесса расширения пар или пар попадает в конденсатный бак. В процессе конденсации пар конденсируется и превращается в насыщенную жидкость. Во время этого процесса пар отдает тепло, но давление жидкости остается неизменным.
В идеальном цикле Ренкина турбина и насос работают в изоэнтропийных условиях. Это означает, что турбина и насос не генерируют энтропию; они просто увеличивают производительность цикла.
Цикл Ренкина (показанный на приведенной выше диаграмме) позволяет избежать попадания рабочей среды в область перегретого пара после расширения в турбине, что уменьшает энергию, рассеиваемую конденсатором.
Фактический цикл Ренкина (неидеальный)
В реальном цикле Ренкина (или практической электростанции) процесс расширения в турбине и процесс сжатия в насосе не могут происходить при изоэнтропийных условиях. Проще говоря, это необратимые процессы, и внутренняя энергия жидкости (энтропия) увеличивается во время этих процессов.
Этот цикл в определенной степени повышает требуемую мощность насоса и снижает выходную мощность турбины.
Образование капель воды контролирует эффективность паровых турбин. Когда капли воды конденсируются, они с большой скоростью ударяются о лопатки турбины, в результате чего на лопатках турбины возникают эрозия и точечная коррозия. Эти эрозия и точечная коррозия постепенно сокращают срок службы и производительность лопаток турбины. Самый простой метод решения этой проблемы — перегрев пара.
На приведенной выше Т-образной диаграмме цикла Ренкина состояние 3 находится на границе двухфазного диапазона воды и пара. После расширения пар переходит в очень влажную форму. Когда пар перегревается, состояние 3 перемещается вправо (и вверх) на приведенном выше рисунке и генерирует сухой пар после расширения.
Тепловая эффективность цикла Ренкина
Работа, выполняемая турбиной и уменьшаемая насосом, деленная на тепловую энергию, полученную котлом, известна как тепловой КПД цикла Ренкина.
Водяной пар поглощает теплотворную способность, которую можно рассчитать по приведенному ниже уравнению:
В котле вода преобразуется в перегретый пар. Этот пар поступает в турбину. Затем, как показывает линия F-G на рисунке выше, тепловая энергия водяного пара преобразуется в кинетическую энергию. Уменьшение энтальпии используется для расчета количества кинетической энергии, производимой паровой турбиной. Ее можно рассчитать с помощью приведенного ниже уравнения:
Когда пар выходит из турбины, он попадает в конденсатор. В конденсаторе он конденсируется в жидкую форму. В этом случае тепловая энергия используется для превращения воды в пар (скрытое тепло). Тепловая энергия конденсированной воды может быть рассчитана по уменьшению энтальпии (линия G-C) с помощью следующего уравнения:
После процесса конденсации сконденсированная вода снова закачивается в котел путем повышения давления воды. Как показано на приведенной выше диаграмме (линии C — D), энтальпия воды увеличилась незначительно. Это означает, что энергия, выделяемая в воздух, менее значительна. Вы можете рассчитать значение входной энергии, используя приведенную ниже формулу:
Теперь, наконец, КПД цикла Ренкина можно рассчитать по следующей формуле :
- Общий тепловой КПД новейшей атомной электростанции с циклом Ренкина составляет около 33%. Таким образом, для производства 1000 МВтэ электроэнергии требуется 3000 МВт тепла реакции деления.
- Сверхкритическая электростанция на ископаемом топливе, работающая при сверхкритическом давлении (например, выше 22,1 МПа), имеет КПД до 43%.
- Подкритические электростанции на ископаемом топливе, работающие при критическом давлении (менее 22,1 МПа), могут иметь КПД от 36% до 40%.
Как повысить эффективность цикла Ранкина?
- Снизить среднюю температуру
- Перегреть пар
- Повысить давление в котле
- Снизить давление в конденсаторе
1) Основная идея
Первый метод повышения эффективности цикла Ренкина заключается в снижении средней температуры, при которой тепло выделяется из рабочей среды, находящейся в конденсаторе.
Другой метод заключается в повышении средней температуры теплопередачи рабочей среды, находящейся в котле.
2) Повышение давления в котле
При увеличении рабочего давления в котле увеличивается и температура котла, при которой происходит процесс кипения.
Этот процесс увеличивает среднюю температуру, при которой тепло передается в рабочую среду, что повышает тепловую эффективность цикла.
3) Перегрев пара
Перегрев пара до высокой температуры позволяет повысить среднюю температуру нагрева пара без повышения давления в котле.
Перегрев пара до более высокой температуры имеет очень приятные последствия. Это уменьшает содержание влаги в паре на выходе из паровой турбины.
4) Снизить давление в конденсаторе
Другой метод заключается в снижении рабочего давления конденсатора. При снижении рабочего давления температура теплоотдачи также будет снижаться.
Общий эффект снижения давления в конденсаторе увеличивает тепловую эффективность двигателя Ренкина.
Компоненты цикла Ренкина
- Котел
- Бак для конденсата
- Насос котла
- Паровая турбина
1) Бойлер
В цикле Ренкина используется котел для преобразования воды в пар в соответствии с требуемой турбиной температурой и давлением.
2) Насос
Это устройство, которое используется для перекачки воды из одной области в другую. Основная задача насоса — перекачивать воду из резервуара или другого источника воды в котел.
3) Паровая турбина
Основная цель паровой турбины — вращать вал генератора для выработки электроэнергии. Турбина извлекает механическую энергию из пара и направляет ее в конденсат.
4) Конденсатор
Он охлаждает пар, преобразует его в жидкую форму и отправляет эту воду обратно в котел.
В чем разница между реальным циклом и идеальным циклом Ранкина?
- Обратимый процесс
- Изотермическое присоединение тепла
- Постоянное давление (изобарическое)
- Отсутствие взаимодействия с окружающей средой
Но на практической электростанции такие процессы невозможны. Идеальный цикл Ранкина — это всего лишь теоретический цикл, в то время как реальный цикл Ранкина — это практический цикл, который используется на различных электростанциях.
Идеальный цикл Ранкина имеет 100% КПД, что выше, чем у реального цикла. Цикл Карно имеет КПД, очень близкий к КПД идеального цикла Ранкина.
На приведенной ниже диаграмме показаны T-s и P-v диаграммы цикла Ранкина.
Раздел часто задаваемых вопросов
Что такое цикл Ранкина с повторным нагревом?
Цикл Ранкина с повторным нагревом — это процесс, в ходе которого эффективность цикла повышается. Он имеет промежуточную фазу нагрева пара.
Как правило, после 1-й фазы расширения, которая снижает начальное давление пара, пар нагревается до (или около) предельной температуры источника тепла.
Почему в цикле Ренкина осуществляется повторный нагрев?
- Увеличивается подача тепла.
- Увеличивается срок службы турбины
- Уменьшается процесс эрозии лопаток турбины
- Доля сухости на выходе турбины увеличивается, а влажность уменьшается
- Тепловой КПД увеличивается или уменьшается в зависимости от температуры источника добавления тепла.
Для чего используется цикл Ранкина?
Цикл Ранкина используется для расчета функциональности системы паровой турбины. Он также используется для изучения работы поршневого парового двигателя.
Какой насос используется в цикле Ренкина?
- Гидравлический мембранный дозирующий насос
- Роторно-струйный насос.
Что включает в себя цикл Ранкина?
Цикл Ранкина — это обратимый процесс, который состоит из двух процессов с постоянной температурой и двух процессов с постоянным давлением.
Читать далее
- Что такое различные типы тепловых двигателей?
- Как работает цикл Карно?
- Как работает цикл Стирлинга?
- Работа цикла Отто
10 мыслей о «Цикл Ренкина | Как рассчитать эффективность цикла Ренкина?»
Я думаю, что администратор этого сайта на самом деле усердно работает в пользу своего сайта, так как здесь каждая информация является качественным материалом.
Спасибо за вашу поддержку
Безусловно, есть много интересного по этой теме. Мне нравятся все ваши замечания.
Привет, спасибо за вашу информацию — я вэ ɗefiniteⅼy почерпнул кое-что новое прямо здесь. Я, однако, столкнулся с некоторыми техническими проблемами при использовании этого сайта, поскольку Ӏ пришлось много раз перезагружать сайтѕ до того, как я смог заставить его загружаться нормально. Мне было интересно, если ｙ наш ѡeb хост в порядке? Не то чтобы я жаловался, но медленное время загрузки очень часто влияет на ваше размещение в google и может ухудшить ваш высокий показатель качества, если реклама и маркетинг сһ Adwordѕ. Well I’m adding tһіѕ RSS to my e-mail and can look out for mսch more of your respective fascinating content. Убедитесь, что вы снова скоро обновите эту тему.
