Hvad er Rankine-cyklussen, og hvordan defineres den?

Evelyn Maitee Marin
Industriingeniør, MSc i fysik og EdD

Ideel termodynamisk effektcyklus, hvis formål er at opnå nyttigt arbejde fra en varmekilde. Dens effektivitet er begrænset af det tilsvarende Carnot cyklus der opererer mellem de samme temperaturområder og som adlyder termodynamikkens anden lov. Dens navn refererer til fysikeren, ingeniøren og pædagogen William John Macguorn Rankine (1820-1872), som udviklede denne model i sit fødested, Skotland.

Rankines cyklus er af stor betydning, da denne model bruges som grundlag for at beskrive de termodynamiske cyklusser for mange kraftværker, både fra ikke-vedvarende kilder, såsom kulfyrede termoelektriske værker, brændselsolie eller atomisk; og også termodynamiske kredsløb med vedvarende kilder, såsom solvarmekraftværker eller geotermiske kraftværker.

Billedet viser et termisk kraftværk. I de fleste af disse anlæg er der indbygget komponenter såsom regeneratorer, hvis formål er at øge effektiviteten af ​​cyklussen og forbedre dens ydeevne.

Grundlæggende komponenter i Rankine-cyklussen

Selvom Rankine-cyklussen kan inkorporere forskellige forbedringer og komponenter, hvis formål er at øge effektiviteten af ​​cyklussen; Der er fire grundlæggende enheder, der er nødvendige for at fuldføre kredsløbet. Disse er:

• Pumpen: det er den komponent, der er ansvarlig for at øge trykket af varmeoverførselsvæsken fra trykket minimum (kondensatorens driftstryk), op til maksimumtrykket (driftstrykket for kedel). Pumperne kan kun arbejde med stoffer i flydende tilstand og ikke med blandinger, og under ideelle overvejelser kan processen med Kompression udføres isentropisk, selvom der i virkeligheden altid er en stigning i entropi under kompression. kompression.

• Kondensatoren: det er det system, der har ansvaret for at udveksle varme med et reservoir ved lav temperatur (de kan være floder, søer eller andre kilder), for at opnå en faseændring af dampen (eller blandingen) ved turbineudløbet, indtil den når en flydende tilstand, før den kommer ind i pumpen. Normalt er det en spole eller rør, gennem hvilke væsken cirkulerer internt. arbejde, og overfører varme til væsken, der bruges som kølemedium uden egentlig at blande med dette. Ideelt set arbejder kondensatoren ved konstant tryk, selvom der i praksis forekommer små trykfald under kondensationsprocessen. kondensation.

• Kedlen (eller dens ækvivalent): dette er det element eller det rum, hvor tilførslen af ​​varme til systemet finder sted, og denne varmekilde kan komme fra forskellige kilder (afbrænding af en brændstof fossil, biomasseafbrænding, geotermiske aflejringer, energi solvarme eller den varme, der genereres under nuklear fission). Højtryksvæsken skal ind i kedlen, og denne har ansvaret for at forsyne den med den nødvendige varme til at bringe den til en tilstand af damp (eller overophedet damp), før den udvides i turbinen. Ideelt set arbejder kedler ved konstant tryk, selvom der i praksis forekommer trykfald under varmetilsætningsprocessen.

• Dampturbinen: i termodynamiske cyklusser opfylder turbinerne den omvendte funktion af pumper, det vil sige, at deres mål er at udvide dampen ved kedlens udløb for at bringe den til et tryk mindre. Under ekspansionsprocessen får damppartiklernes påvirkning på turbinebladene rotorakslen til at rotere og producerer mekanisk energi, som igen kan omdannes til elektrisk strøm når den er koblet sammen med en generator. Under ideelle forhold udføres ekspansionsprocessen i turbinen isentropisk, men på grund af irreversibiliteter øges entalpi.

Den elementære Rankine-cyklus

Denne cyklus består i sin elementære version af fire processer: to isobariske og to isentropiske, som vist på figuren. ordning. Området indesluttet inden for grænserne af de 4 stater repræsenterer cyklussens netværk (w_net), som er direkte relateret til cyklussens termiske effektivitet.

Den ideelle proces efterfulgt af arbejdsvæsken (det kan være vand eller et andet stof) er følgende:

Stoffet i flydende tilstand kommer ind i pumpen, hvor det komprimeres til kedlens tryk (tilstand 2). I kedlen opvarmes væsken og skifter fase, går fra en væske til en blanding og derefter til en damp. Hvis der fortsat tilføres varme ud over den mættede damptilstand, bliver stoffet en overophedet damp, hvilket øger dets temperatur (tilstand 3). Derefter kommer dampen ind i turbinen for at udvide sig, indtil den når minimumstrykket (tilstand 4) og kommer ind i kondensator, hvor den vil miste varme for at gå fra tilstanden af ​​damp (eller blanding) til væske (tilstand 4), der fuldender kredsløbet.

Rankine cyklus effektivitet

Den termiske effektivitet er relateret til området omgivet af området afgrænset af kredsløbets 4 tilstande, som hvilket betyder, at for konstant varmetilførsel, jo større netværk, jo større er effektiviteten af cyklus. Netværket (w_net) er forskellen mellem det arbejde, der genereres af turbinen (w_Afslut) minus arbejdet udført af pumpen (w_indgang). På den anden side kan effektiviteten af ​​cyklussen også øges ved at reducere mængden af ​​varme, der skal tilføres kedlen (q_indgang), og en af ​​måderne at opnå dette på er ved at indbygge varmelegemer (åbne eller lukkede) i kredsløbet, hvis hovedfunktion er at forvarme vandet fra fodring (vand der kommer ind i kedlen) gennem dampudtræk fra turbinen; dette ville gøre kredsløbet til en regenerativ Rankine-cyklus.

I den sidste ligning repræsenterer variablen h entalpien i hver tilstand, og værdierne er opnået fra damptabeller for arbejdsfluidet fra tryk- og/eller temperaturforhold.

Forbedringer i Rankine-cyklussen har til formål at øge det areal, der repræsenterer cyklussens netværk, eller at reducere den varme, der leveres af kedlen.