Co je Rankinův cyklus a jak je definován?

Evelyn Maitee Marin
Průmyslový inženýr, MSc ve fyzice a EdD

Ideální termodynamický energetický cyklus, jehož účelem je získat užitečnou práci ze zdroje tepla. Jeho účinnost je omezena ekvivalentem Carnotův cyklus který funguje mezi stejnými teplotními rozsahy a který se řídí druhým zákonem termodynamiky. Jeho název odkazuje na fyzika, inženýra a pedagoga Williama Johna Macguorna Rankina (1820-1872), který tento model vyvinul ve svém rodišti ve Skotsku.

Rankinesův cyklus je velmi důležitý, protože tento model se používá jako základ pro popis termodynamických cyklů mnoha elektrárny, a to jak z neobnovitelných zdrojů, jako jsou uhelné termoelektrárny, topný olej popř jaderná; a také termodynamické cykly s obnovitelnými zdroji, jako jsou solární tepelné elektrárny nebo geotermální elektrárny.

Na obrázku je tepelná elektrárna. Ve většině těchto závodů jsou zabudovány komponenty, jako jsou regenerátory, jejichž účelem je zvýšit účinnost cyklu a zlepšit jeho výkon.

Základní složky Rankinova cyklu

Přestože Rankinův cyklus může obsahovat různá vylepšení a komponenty, jejichž účelem je zvýšit účinnost cyklu; K dokončení obvodu jsou zapotřebí čtyři základní zařízení. Tyto jsou:

• Čerpadlo: je to součást, která má na starosti zvýšení tlaku teplonosné kapaliny z tlaku minimální (provozní tlak kondenzátoru), až po maximální tlak (provozní tlak kondenzátoru). kotel). Čerpadla mohou pracovat pouze s látkami v kapalném stavu a ne se směsmi a za ideálních podmínek proces Komprese se provádí isentropicky, i když ve skutečnosti při kompresi vždy dochází ke zvýšení entropie. komprese.

• Kondenzátor: je to systém, který má na starosti výměnu tepla se zásobníkem při nízké teplotě teplota (mohou to být řeky, jezera nebo jiné zdroje), aby se dosáhlo fázové změny páry (nebo směsi) na výstupu z turbíny, dokud nedosáhne kapalného stavu před vstupem do čerpadla. Obvykle je to cívka nebo potrubí, kterými tekutina cirkuluje uvnitř. pracuje a přenáší teplo do kapaliny používané jako chladicí médium, aniž by se skutečně mísilo s tím. V ideálním případě pracuje kondenzátor při konstantním tlaku, i když v praxi dochází během procesu kondenzace k mírným poklesům tlaku. kondenzace.

• Kotel (nebo jeho ekvivalent): jedná se o prvek nebo prostor, kde dochází k přidávání tepla do systému a tento zdroj tepla může pocházet z různých zdrojů (spalování palivo fosilie, spalování biomasy, geotermální ložiska, energie solární termální nebo teplo vznikající při jaderném štěpení). Vysokotlaká kapalina musí vstoupit do kotle a ten má na starosti zásobování kotlem potřebným teplem, aby se dostal do stavu páry (nebo přehřáté páry) před rozpínáním v turbíně. V ideálním případě kotle pracují při konstantním tlaku, i když v praxi dochází k poklesu tlaku během procesu přidávání tepla.

• Parní turbína: v termodynamických cyklech plní turbíny inverzní funkci čerpadla, to znamená, že jejich cílem je expandovat páru na výstupu z kotle, aby se dostala na tlak Méně důležitý. Během procesu expanze způsobí dopad částic páry na lopatky turbíny rotaci hřídele rotoru mechanická energie, který se naopak může proměnit v elektrická energie ve spojení s generátorem. Za ideálních podmínek probíhá expanzní proces v turbíně isentropicky, ale v důsledku nevratnosti se zvyšuje entalpie.

Základní Rankinův cyklus

Tento cyklus se ve své základní verzi skládá ze čtyř procesů: dvou izobarických a dvou izoentropických, jak je znázorněno na obrázku. systém. Plocha uzavřená v hranicích 4 států představuje čistou práci cyklu (w_síť), což přímo souvisí s tepelnou účinností cyklu.

Ideální proces následovaný pracovní tekutinou (může to být voda nebo jiná látka) je následující:

Látka v kapalném stavu vstupuje do čerpadla, kde je stlačena na tlak kotle (stav 2). V kotli se kapalina zahřívá a mění fázi, přechází z kapaliny na směs a poté na páru. Jestliže teplo pokračuje v přidávání za stavem nasycené páry, látka se stává přehřátou párou, což zvyšuje její teplotu (stav 3). Dále pára vstupuje do turbíny, aby expandovala, dokud nedosáhla minimálního tlaku (stav 4) a vstupuje do kondenzátor, kde ztratí teplo při přechodu ze stavu páry (nebo směsi) do kapaliny (stav 4), čímž se okruh dokončí.

Účinnost Rankinova cyklu

Tepelná účinnost je vztažena k oblasti ohraničené oblastí vymezenou 4 stavy cyklu, který což znamená, že při konstantním přívodu tepla platí, že čím větší je síťová práce, tím větší je účinnost cyklus. Síť (w_síť) je rozdíl práce generované turbínou (w_výstup) mínus práce odvedená čerpadlem (w_vchod). Na druhou stranu lze účinnost cyklu zvýšit i snížením množství tepla, které je nutné do kotle dodat (q_vchod), a jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je začlenění ohřívačů (otevřených nebo uzavřených) do cyklu, jejichž hlavní funkcí je předehřát vodu z krmení (voda, která vstupuje do kotle) ​​prostřednictvím odběrů páry z turbíny; to by z okruhu udělalo regenerační Rankinův cyklus.

V poslední rovnici proměnná h ​​představuje entalpii v každém stavu a hodnoty jsou získány z parních tabulek pracovní tekutiny z tlakových a/nebo teplotních podmínek.

Vylepšení Rankinova cyklu mají za cíl zvětšit plochu, která představuje čistou práci cyklu nebo snížit teplo dodávané kotlem.