Цикл Карно — обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). Состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатных процессов. Впервые рассмотрен французским ученым Никола Леонаром Сади Карно (1824) как идеальный рабочий цикл теплового двигателя. Превращение теплоты в работу сопровождается переносом рабочим телом двигателя определенного количества теплоты от более нагретого тела (нагревателя с температурой Т1) к менее нагретому (холодильнику с температурой Т2). Имеет наивысший КПД среди всех возможных циклов, равный (Т1–Т2)/Т1.
Универсальным приводом, передающим тепловую энергию рабочего тела (пара, раскаленного газа), в ХХ веке стала турбина; любопытно, что практически одновременно стали использоваться и газовые, и паровые турбины. Появившись в начале прошлого столетия, паровая турбина всего за пару десятилетий сделала достоянием истории паровую машину. Паровая турбина оказалась очень удобным двигателем для привода генераторов, насосов и проч., так как была более компактной, легкой, экономичной и поддающейся дальнейшему совершенствованию, чем поршневая паровая машина. КПД ее к середине 20-х годов уже вдвое превышал эффективность паровой машины, затормозившей на отметке 10%.
Последующее развитие турбин и, соответственно, парогенераторов, то есть котлов, было завязано на повышение температуры и давления рабочего тела — пара. К середине 30-х годов давление пара было порядка 29 атмосфер, а температура не превышала 400°C, что дало возможность выйти на максимальный уровень 25% электрического КПД.
К 50-м годам были достигнуты критические параметры пара (225 атмосфер и температура 374°C), и КПД энергоблоков поднялся примерно до 32–34%. Тогда же были проведены работы по созданию экспериментальных сверхкритических блоков, которые получили распространение только к 70–80-м годам благодаря промышленному производству сплавов и других материалов, работающих при таких параметрах (250 атмосфер, температура 565°C). КПД блоков на сверхкритике достигал 42%.
С конца 80-х благодаря использованию новых материалов начали строиться энергоблоки на суперсверхкритических параметрах (250–300 атмосфер при температуре 580–610°C и выше) с КПД 45–47%.
В рамках европейской программы Termiproject (соответствующая программа, финансируемая государством, есть и в США) идет разработка пылеугольного энергоблока с максимальной температурой пара выше 700°C и с давлением 37,5 МПа. Выйти на эти параметры намечено к 2015 году. КПД энергоблока, по плану, должен составить свыше 50% и может достичь 53–54%, еще через двадцать лет КПД достигнет 55% при температурах пара до 800°C.
КПД паровых турбин, используемых в атомной энергетике, невысок из-за ограничений по давлению и температуре теплоносителя (в основном воды обычной или тяжелой) в реакторе. Параметры пара, получаемого в парогенераторе второго контура, еще более низкие, из-за чего КПД всего энергоблока редко превышает 33%.
Действующие образцы газовых турбин появились, как и паровые, к началу второго десятилетия ХХ века, но их КПД уступал эффективности паровых турбин, поэтому ГТУ не получили распространения в энергетике. Серьезный интерес к ним возобновился в 60-х годах, когда появились материалы, выдерживающие более высокие температуры (до 1 000°C) газов и, соответственно, позволяющие получить более высокий КПД, который тем не менее редко превышал 25% даже у промышленных образцов турбин. Эти турбины стали использовать там, где была необходимость быстрого покрытия пиков нагрузки, в качестве резервных мощностей. В 70-х годах военные технологии охлаждения лопаток стали доступны гражданским инженерам и конструкторам. Это вызвало взрывной рост газотурбинной энергетики, КПД машин превысил 30% (при температуре газа перед лопатками свыше 1 100°C) и достиг сейчас у последних образцов 38–40% (1 500°C). Газы на выходе из турбин имели уже достаточно высокие температуры для использования их энергии во втором — паровом — цикле: выработанный в котле-утилизаторе пар шел на паровую турбину, КПД которой плюсовался с КПД ГТ и достигает сейчас 55–60%.
