Какво представлява цикълът на Ранкин и как се дефинира?

Евелин Майте Марин
Индустриален инженер, магистър по физика и EdD

Идеален термодинамичен цикъл на мощност, чиято цел е да се получи полезна работа от източник на топлина. Неговата ефективност е ограничена от еквивалента Цикъл на Карно който работи между същите температурни диапазони и който се подчинява на втория закон на термодинамиката. Името му се отнася до физика, инженера и преподавателя Уилям Джон Макгуорн Ранкин (1820-1872), който разработи този модел в родното си място, Шотландия.

Цикълът на Ранкинс е от голямо значение, тъй като този модел се използва като основа за описание на термодинамичните цикли на много електроцентрали, както от невъзобновяеми източници, като въглищни термоелектрически централи, мазут или ядрен; и също така, термодинамични цикли с възобновяеми източници, като слънчеви топлинни електроцентрали или геотермални електроцентрали.

Изображението показва топлоелектрическа централа. В повечето от тези инсталации са включени компоненти като регенератори, чиято цел е да повишат ефективността на цикъла и да подобрят неговата производителност.

Основни компоненти на цикъла на Ранкин

Въпреки че цикълът на Ранкин може да включва различни подобрения и компоненти, чиято цел е да повишат ефективността на цикъла; Има четири основни устройства, които са необходими за завършване на веригата. Това са:

• Помпата: това е компонентът, отговорен за увеличаване на налягането на топлопреносната течност от налягането минимум (работно налягане на кондензатора), до максимално налягане (работно налягане на котел). Помпите могат да работят само с вещества в течно състояние, а не със смеси, и при идеални съображения процесът на Компресията се извършва изоентропично, въпреки че в действителност винаги има увеличение на ентропията по време на компресията. компресия.

• Кондензаторът: това е системата, която отговаря за обмена на топлина с резервоар при ниско ниво температура (те могат да бъдат реки, езера или други източници), за да се постигне фазова промяна на парата (или сместа) на изхода на турбината, докато достигне течно състояние преди да влезе в помпата. Обикновено това е намотка или тръби, през които течността циркулира вътрешно. работа и предава топлина на течността, използвана като охлаждаща среда, без действително да се смесва с тази. В идеалния случай кондензаторът работи при постоянно налягане, въпреки че на практика се получават леки спадове на налягането по време на процеса на кондензация. кондензация.

• Котелът (или негов еквивалент): това е елементът или пространството, където се извършва добавянето на топлина към системата и този източник на топлина може да идва от различни източници (изгаряне на гориво фосили, изгаряне на биомаса, геотермални находища, енергия слънчева топлина или топлината, генерирана по време на ядрено делене). Флуидът под високо налягане трябва да влезе в котела и той е отговорен за доставянето му с необходимата топлина, за да го доведе до състояние на пара (или прегрята пара), преди да бъде разширен в турбината. В идеалния случай котлите работят при постоянно налягане, въпреки че на практика се получават спадове на налягането по време на процеса на добавяне на топлина.

• Парна турбина: в термодинамичните цикли турбините изпълняват обратната функция на помпи, тоест тяхната цел е да разширят парата на изхода на котела, за да я доведат до налягане незначителен. По време на процеса на разширяване ударът на частиците на парата върху лопатките на турбината кара вала на ротора да се върти, произвеждайки механична енергия, които от своя страна могат да се трансформират в електрическа енергия когато е свързан с генератор. При идеални условия процесът на разширение в турбината се извършва изоентропично, но поради необратимост се увеличава в енталпия.

Елементарният цикъл на Ранкин

Този цикъл, в своята елементарна версия, се състои от четири процеса: два изобарни и два изоентропични, както е показано на фигурата. схема. Площта, затворена в границите на 4-те държави, представлява мрежата от цикъла (w_нето), което е пряко свързано с топлинната ефективност на цикъла.

Идеалният процес, последван от работната течност (може да бъде вода или друго вещество) е следният:

Веществото в течно състояние постъпва в помпата, където се компресира до налягането на котела (състояние 2). В котела течността се нагрява и променя фазата си, преминавайки от течност към смес и след това към пара. Ако продължи да се добавя топлина отвъд състоянието на наситена пара, веществото се превръща в прегрята пара, повишавайки температурата си (състояние 3). След това парата влиза в турбината, за да се разшири, докато достигне минималното налягане (състояние 4) и да влезе в кондензатор, където ще загуби топлина, за да премине от състояние на пара (или смес) към течност (състояние 4), завършвайки веригата.

Ефективност на цикъла на Ранкин

Топлинната ефективност е свързана с площта, затворена от областта, ограничена от 4-те състояния на цикъла, които което означава, че за постоянен входящ топлинен поток, колкото по-голяма е нетната работа, толкова по-голяма е ефективността на цикъл. Мрежовата работа (w_нето) е разликата на работата, генерирана от турбината (w_изход) минус работата, извършена от помпата (w_вход). От друга страна, ефективността на цикъла може също да бъде увеличена чрез намаляване на количеството топлина, което трябва да се достави на котела (q_вход), и един от начините да се постигне това е чрез включване на нагреватели (отворени или затворени) в цикъла, чиято основна функция е предварително загряване на водата от хранене (вода, която влиза в котела) чрез извличане на пара от турбината; това би направило веригата регенеративен цикъл на Ранкин.

В последното уравнение променливата h представлява енталпията във всяко състояние и стойностите се получават от таблиците на парата на работния флуид от условията на налягане и/или температура.

Подобренията в цикъла на Ранкин имат за цел да увеличат площта, която представлява нетната работа на цикъла, или да намалят топлината, доставяна от котела.