ما هي دورة رانكين وكيف يتم تعريفها؟

إيفلين مايتي مارين
مهندس صناعي ، ماجستير في الفيزياء ، و EdD

دورة طاقة ديناميكية حرارية مثالية ، والغرض منها الحصول على عمل مفيد من مصدر حراري. كفاءتها محدودة بالمكافئ دورة كارنو التي تعمل بين نطاقات درجة الحرارة نفسها والتي تخضع للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. يشير اسمها إلى الفيزيائي والمهندس والمعلم ويليام جون ماكغورن رانكين (1820-1872) ، الذي طور هذا النموذج في مسقط رأسه ، اسكتلندا.

تعتبر دورة رانكين ذات أهمية كبيرة ، حيث يتم استخدام هذا النموذج كأساس لوصف الدورات الديناميكية الحرارية للعديد من محطات توليد الطاقة ، سواء من مصادر غير متجددة ، مثل محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم أو زيت الوقود أو نووي. وكذلك الدورات الديناميكية الحرارية ذات المصادر المتجددة ، مثل محطات الطاقة الحرارية الشمسية أو محطات الطاقة الحرارية الأرضية.

تظهر الصورة محطة طاقة حرارية. في معظم هذه المصانع ، يتم دمج مكونات مثل المُجددات ، والغرض منها هو زيادة كفاءة الدورة وتحسين أدائها.

المكونات الأساسية لدورة رانكين

على الرغم من أن دورة رانكين يمكن أن تتضمن تحسينات ومكونات مختلفة ، والغرض منها هو زيادة كفاءة الدورة ؛ هناك أربعة أجهزة أساسية مطلوبة لإكمال الدائرة. هؤلاء هم:

• المضخة: وهي المكون المسؤول عن زيادة ضغط مائع نقل الحرارة من الضغط الحد الأدنى (ضغط تشغيل المكثف) ، حتى أقصى ضغط (ضغط التشغيل لـ سخان مياه). يمكن أن تعمل المضخات فقط مع المواد في حالة سائلة وليس مع الخلائط ، وتحت اعتبارات مثالية ، فإن عملية يتم تنفيذ الضغط بشكل متساوي ، على الرغم من أنه في الواقع هناك دائمًا زيادة في الانتروبيا أثناء الضغط. ضغط.

• المكثف: هو النظام المسئول عن تبادل الحرارة مع خزان منخفض درجة حرارة (يمكن أن تكون أنهارًا أو بحيرات أو مصادر أخرى) ، من أجل تحقيق تغيير طور للبخار (أو الخليط) عند مخرج التوربينات ، حتى يصل إلى الحالة السائلة قبل دخول المضخة. عادة ما يكون عبارة عن ملف أو أنابيب يدور السائل من خلالها داخليًا. يعمل ، وينقل الحرارة إلى السائل المستخدم كوسيط تبريد دون خلط فعليًا مع هذا. من الناحية المثالية ، يعمل المكثف بضغط ثابت ، على الرغم من حدوث انخفاض طفيف في الضغط في الممارسة العملية أثناء عملية التكثيف. تركيز.

• المرجل (أو ما يعادله): هو العنصر أو الفراغ الذي تتم فيه إضافة الحرارة إلى النظام ، ويمكن أن يأتي مصدر الحرارة هذا من مصادر مختلفة (احتراق وقود الأحافير ، حرق الكتلة الحيوية ، الرواسب الحرارية الأرضية ، طاقة الطاقة الشمسية الحرارية ، أو الحرارة المتولدة أثناء الانشطار النووي). يجب أن يدخل السائل عالي الضغط إلى الغلاية ويكون هذا مسؤولاً عن إمدادها بالحرارة اللازمة لإعادتها إلى حالة بخار (أو بخار شديد السخونة) قبل أن يتمدد في التوربين. من الناحية المثالية ، تعمل الغلايات بضغط ثابت ، على الرغم من حدوث انخفاضات في الضغط أثناء عملية إضافة الحرارة.

• التوربينات البخارية: في الدورات الديناميكية الحرارية ، تؤدي التوربينات الوظيفة العكسية لـ المضخات ، أي أن هدفها هو توسيع البخار عند مخرج الغلاية للضغط عليه صغير. أثناء عملية التمدد ، يتسبب تأثير جزيئات البخار على ريش التوربينات في دوران عمود الدوران في الإنتاج الطاقة الميكانيكية، والتي بدورها يمكن أن تتحول إلى الطاقة الكهربائية عندما يقترن بمولد. في ظل الظروف المثالية ، تتم عملية التمدد في التوربين بشكل متساوي الاتجاه ، ولكن بسبب عدم الانعكاس ، تزداد في الطاقة الداخلية الكامنة.

دورة رانكين الابتدائية

تتكون هذه الدورة ، في نسختها الأولية ، من أربع عمليات: عمليتان متساويتان واثنتان متماثلتان ، كما هو موضح في الشكل. مخطط. تمثل المنطقة المحاطة بحدود الولايات الأربع صافي عمل الدورة (w_شبكة) ، والتي ترتبط ارتباطًا مباشرًا بالكفاءة الحرارية للدورة.

العملية المثالية التي يتبعها سائل العمل (يمكن أن يكون الماء أو مادة أخرى) هي كما يلي:

تدخل المادة في الحالة السائلة إلى المضخة حيث يتم ضغطها إلى ضغط المرجل (الحالة 2). في الغلاية ، يتم تسخين السائل وتغيير الطور ، والانتقال من سائل إلى خليط ثم إلى بخار. إذا استمرت إضافة الحرارة إلى ما بعد حالة البخار المشبع ، فإن المادة تصبح بخارًا شديد الحرارة ، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارتها (الحالة 3). بعد ذلك ، يدخل البخار التوربين ليتمدد حتى يصل إلى الحد الأدنى من الضغط (الحالة 4) ويدخل المكثف حيث ستفقد الحرارة لتنتقل من حالة البخار (أو الخليط) إلى السائل (الحالة 4) لإكمال الدائرة.

كفاءة دورة رانكين

ترتبط الكفاءة الحرارية بالمنطقة المحاطة بالمنطقة المحددة بواسطة 4 حالات من الدورة ، والتي مما يعني أنه بالنسبة للإدخال الحراري الثابت ، كلما زاد صافي العمل ، زادت كفاءة دورة. صافي العمل (w_شبكة) هو فرق الشغل الناتج عن التوربين (w_مخرج) مطروحًا منه الشغل الذي تقوم به المضخة (w_مدخل). من ناحية أخرى ، يمكن أيضًا زيادة كفاءة الدورة عن طريق تقليل كمية الحرارة التي يجب توفيرها للغلاية (q_مدخل) ، وإحدى طرق تحقيق ذلك هي دمج السخانات (المفتوحة أو المغلقة) في الدورة ، والتي تتمثل وظيفتها الرئيسية في تسخين الماء مسبقًا من تغذية (الماء الذي يدخل الغلاية) من خلال شفط البخار من التوربين ؛ هذا من شأنه أن يجعل الدائرة دورة رانكين متجددة.

في المعادلة الأخيرة ، يمثل المتغير h المحتوى الحراري في كل حالة ، ويتم الحصول على القيم من جداول بخار مائع التشغيل من ظروف الضغط و / أو درجة الحرارة.

تهدف التحسينات في دورة رانكين إلى زيادة المساحة التي تمثل صافي عمل الدورة أو تقليل الحرارة التي توفرها الغلاية.