.   (1)

В простейшем случае цикл может быть осуществлен при одном источнике теплоты с температурой T₁, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температурой T_2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале T₁ — T₂ наивысший кпд h_к = 1 — T₂/T₁ среди всех возможных циклов имеет Карно цикл , то есть h_к h_t. Кпд, равный 1, то есть полное превращение теплоты Q₁ в работу, возможен либо при T₁ = ¥, либо при T₂ = 0. Разумеется, оба эти условия нереализуемы. Важно ещё подчеркнуть, что для земных условий температура Т₂ для теплоэнергетических установок должна в лучшем случае приниматься равной температуре Т окружающей среды (воздуха или водоёмов). Получить источник теплоты с температурой Т₂ < Т можно лишь с помощью холодильной машины , которая для своего действия в общем случае требует затраты работы. Невозможность полного превращения теплоты в работу при условии, что все тела, участвующие в этих превращениях, будут возвращены в исходные состояния, устанавливается вторым началом термодинамики .

  Процессы, протекающие в реальных установках, преобразующих теплоту в др. виды энергии, сопровождаются различными потерями, в результате чего получаемая действительная работа А_{действ.} оказывается меньше теоретически возможной работы А_теор . Отношение этих работ называется относительным эффективным кпд установки h_oe , то есть,

.   (2)

  Из формул (1) и (2) получаем А_действ = Q₁ × h_t h_oe = Q₁ h_e ,

где h_е = h_е ×h_oe — эффективный кпд установки. При прочих равных условиях эффективность преобразования теплоты в работу зависит от температуры, при которой эта теплота передаётся рабочему телу. Максимальная работа, которая может быть получена за счёт некоторого количества теплоты Q , отбираемого при температуре T₁ при заданной температуре среды Т, называется работоспособностью, или эксергией l_a этой теплоты, то есть

.   (3)

  Из формулы (3), в частности, видим, что при T₁= T эксергия теплоты равна нулю.

  В наиболее полном варианте установки, преобразующие теплоту в механическую работу (теплосиловые установки), включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу от какого-либо источника тепловой энергии; одну или несколько машин, воспринимающих работу рабочего тела или отдающих ему работу; систему отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают установки с внешним подводом (теплота подводится к рабочему телу от внешнего источника в теплообменнике) и установки с внутренним подводом (рабочее тело — продукты сгорания топлива).

  Тепловые электростанции. Основу современной Т. (1975) составляют теплосиловые установки паротурбинных электростанций, которые состоят из котлоагрегата и паровой турбины (так называемые паросиловые установки ). В СССР на таких электростанциях в 1975 было выработано более 80% всей электроэнергии. В крупных городах чаще всего строятся теплофикационные электростанции (ТЭЦ), а в районах с дешёвым топливом — конденсационные электростанции (КЭС).

  Отличие ТЭЦ от КЭС состоит в том, что ТЭЦ отдаёт потребителю не только электроэнергию, но и теплоту с сетевой водой, нагретой в бойлерах до 150—170 °С. Сетевая вода по магистральным теплопроводам подаётся в жилые массивы и далее либо непосредственно, либо через промежуточные теплообменники направляется на отопление и горячее водоснабжение. Турбины ТЭЦ помимо регенеративных отборов пара имеют один или несколько регулируемых теплофикационных отборов. Такая турбина работает по графику теплового потребления, и в наиболее холодное время года пропуск пара в конденсатор практически равен нулю. Отопление от ТЭЦ экономичнее, чем от индивидуальных и даже центральных котельных, так как на ТЭЦ сетевая вода подогревается отработавшим паром, температура (а значит, и эксергия) которого лишь немногим выше температуры сетевой воды. В котельных для повышения экономичности используется теплота при максимальной температуре горения топлива.

  Упрощённая принципиальная схема конденсационной паротурбинной электростанции изображена на рис. В топке котлоагрегата сжигается топливо (уголь, мазут или природный газ). Необходимый для сгорания воздух, предварительно нагретый уходящими из котлоагрегата газами в рекуперативном воздухоподогревателе, подаётся в топку дутьевым вентилятором. Продукты сгорания отдают свою теплоту также воде и водяному пару в различных элементах котлоагрегата и с температурой 130—150 °С через золоуловитель поступают в дымосос, который выбрасывает их в дымовую трубу. Рабочее тело, преобразующее теплоту в механическую работу, — водяной пар. Перегретый водяной пар поступает из пароперегревателя и направляется в паровую турбину. Давление пара перед турбиной на крупных электростанциях достигает 35 Мн/м² при температуре 650 °С. В турбине пар поступает через неподвижные сопла в каналы, образованные криволинейными лопатками, закрепленными по окружности ротора, и, отдавая свою энергию, приводит ротор во вращение. Механическая энергия ротора турбины преобразуется в электроэнергию в электромеханическом генераторе. Паровая турбина чаще всего выполняется в двух или трёх корпусах. Пар, поступающий из первого корпуса турбины во второй, иногда вновь направляется в парогенератор для промежуточного перегрева в пароперегревателе. Отработав в турбине, пар конденсируется в конденсаторе, в котором поддерживается давление 0,003—0,005 Мн/м² и температура 25—29 °С. Полученный конденсат насосом подаётся в систему регенеративных подогревателей (где подогревается до 230—260 °С за счёт теплоты пара, отбираемого из турбины), а затем насосом — в экономайзер. После экономайзера вода поступает в барабан котла, а из него в размещенные на стенах топки экранные трубы, в которых происходит частичное испарение воды и из которых образовавшаяся пароводяная смесь возвращается в барабан, где насыщенный пар отделяется от воды и направляется в пароперегреватель и далее в турбину, а вода возвращается в экранные трубы. Для генерации пара сверхкритических параметров (давлением свыше 24 Мн/м² ) используют прямоточные котлы .

  Охлаждающая вода подаётся в конденсатор из естественных или искусственных водоёмов и, нагревшись в конденсаторе на несколько градусов, сбрасывается в этот же водоём. В конечном итоге температура охлаждающей воды возвращается к прежнему уровню за счёт испарения некоторой её части. При отсутствии достаточно больших водоёмов охлаждающая вода циркулирует в замкнутом контуре, отдавая теплоту воздуху в испарительных охладителях башенного типа — градирнях . В районах с недостатком воды применяют так называемые сухие градирни (градирни Геллерта), в которых охлаждающая вода отдаёт теплоту воздуху через стенку теплообменника.

  Одна из основных тенденций развития тепловых электростанций — увеличение мощности единичных агрегатов (парогенераторов и паровых турбин), что позволяет быстрыми темпами наращивать энерговооружённость народного хозяйства. В СССР (1976) на КЭС осваиваются энергетические блоки мощностью 800 Мвт (сооружается блок мощностью 1200 Мвт ), а на ТЭЦ — 250 Мвт.