Was ist der Rankine-Zyklus und wie ist er definiert?

Evelyn Maitee Marin
Wirtschaftsingenieur, MSc in Physik und EdD

Idealer thermodynamischer Kraftkreislauf, dessen Zweck es ist, nützliche Arbeit von einer Wärmequelle zu erhalten. Seine Effizienz wird durch das Äquivalent begrenzt Carnot-Zyklus die in denselben Temperaturbereichen arbeitet und die dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gehorcht. Sein Name geht auf den Physiker, Ingenieur und Pädagogen William John Macguorn Rankine (1820-1872) zurück, der dieses Modell in seiner Geburtsstadt Schottland entwickelt hat.

Der Rankines-Zyklus ist von großer Bedeutung, da dieses Modell als Grundlage zur Beschreibung der thermodynamischen Kreisläufe vieler verwendet wird Kraftwerke, sowohl aus nicht erneuerbaren Quellen, wie kohlebefeuerte thermoelektrische Kraftwerke, Heizöl oder nuklear; sowie thermodynamische Kreisläufe mit erneuerbaren Quellen, wie solarthermische Kraftwerke oder geothermische Kraftwerke.

Das Bild zeigt ein Heizkraftwerk. In den meisten dieser Anlagen sind Komponenten wie Regeneratoren eingebaut, deren Zweck es ist, die Effizienz des Kreislaufs zu erhöhen und seine Leistung zu verbessern.

Grundkomponenten des Rankine-Zyklus

Obwohl der Rankine-Zyklus verschiedene Verbesserungen und Komponenten enthalten kann, deren Zweck darin besteht, die Effizienz des Zyklus zu erhöhen; Es gibt vier grundlegende Geräte, die erforderlich sind, um die Schaltung zu vervollständigen. Diese sind:

• Die Pumpe: Es ist die Komponente, die dafür verantwortlich ist, den Druck der Wärmeübertragungsflüssigkeit vom Druck zu erhöhen minimal (Betriebsdruck des Kondensators), bis zum maximalen Druck (Betriebsdruck des Kessel). Die Pumpen können nur mit Stoffen in flüssigem Zustand und nicht mit Gemischen arbeiten und unter idealen Bedingungen den Prozess von Die Komprimierung erfolgt isentropisch, obwohl in Wirklichkeit immer eine Entropiezunahme während der Komprimierung stattfindet. Kompression.

• Der Kondensator: Es ist das System, das für den Wärmeaustausch mit einem niedrigen Reservoir zuständig ist Temperatur (es können Flüsse, Seen oder andere Quellen sein), um eine Phasenänderung des Dampfes (oder Gemisches) am Turbinenauslass zu erreichen, bis er einen flüssigen Zustand erreicht, bevor er in die Pumpe eintritt. Normalerweise handelt es sich um eine Spule oder Rohre, durch die die Flüssigkeit intern zirkuliert. Arbeit und überträgt Wärme auf die als Kühlmedium verwendete Flüssigkeit, ohne sich tatsächlich zu vermischen mit diesem. Idealerweise arbeitet der Kondensator mit konstantem Druck, in der Praxis treten jedoch leichte Druckabfälle während des Kondensationsprozesses auf. Kondensation.

• Der Heizkessel (oder sein Äquivalent): Dies ist das Element oder der Raum, in dem die Wärmezufuhr zum System stattfindet, und diese Wärmequelle kann aus verschiedenen Quellen stammen (Verbrennung von a Kraftstoff fossil, Biomasseverbrennung, geothermische Lagerstätten, Energie Solarthermie oder die bei der Kernspaltung erzeugte Wärme). Das unter Hochdruck stehende Fluid muss in den Kessel eintreten, der dafür verantwortlich ist, es mit der erforderlichen Wärme zu versorgen, um es vor der Expansion in der Turbine in einen Dampfzustand (oder überhitzten Dampf) zu bringen. Idealerweise arbeiten Kessel mit konstantem Druck, obwohl in der Praxis während des Wärmezufuhrvorgangs Druckabfälle auftreten.

• Die Dampfturbine: In thermodynamischen Kreisläufen erfüllen die Turbinen die umgekehrte Funktion der Pumpen, das heißt, ihr Ziel ist es, den Dampf am Kesselausgang zu expandieren, um ihn auf einen Druck zu bringen unerheblich. Beim Expansionsvorgang wird durch den Aufprall der Dampfpartikel auf die Turbinenschaufeln die Rotorwelle produzierend in Rotation versetzt mechanische Energie, die wiederum umgewandelt werden können in elektrische Energie bei Kopplung mit einem Generator. Unter idealen Bedingungen verläuft der Expansionsvorgang in der Turbine isentrop, nimmt aber aufgrund von Irreversibilitäten zu Enthalpie.

Der elementare Rankine-Zyklus

Dieser Zyklus besteht in seiner elementaren Version aus vier Prozessen: zwei isobaren und zwei isentropen, wie in der Abbildung gezeigt. planen. Das von den Grenzen der 4 Staaten umschlossene Gebiet stellt das Netzwerk des Kreislaufs dar (w_Netz), die direkt mit dem thermischen Wirkungsgrad des Kreislaufs zusammenhängt.

Der ideale Prozess, dem das Arbeitsmedium (es kann Wasser oder eine andere Substanz sein) folgt, ist folgender:

Der Stoff in flüssigem Zustand gelangt in die Pumpe, wo er auf den Druck des Kessels komprimiert wird (Zustand 2). Im Kessel wird die Flüssigkeit erhitzt und ändert ihre Phase, indem sie von einer Flüssigkeit zu einem Gemisch und dann zu Dampf übergeht. Wenn über den gesättigten Dampfzustand hinaus weiterhin Wärme zugeführt wird, wird die Substanz zu einem überhitzten Dampf, der seine Temperatur erhöht (Zustand 3). Als nächstes tritt der Dampf in die Turbine ein, um zu expandieren, bis er den Mindestdruck erreicht (Zustand 4) und in die Turbine eintritt Kondensator, wo es Wärme verliert, um vom Dampfzustand (oder Gemisch) in den flüssigen Zustand überzugehen (Zustand 4), wodurch der Kreislauf geschlossen wird.

Effizienz des Rankine-Zyklus

Der thermische Wirkungsgrad bezieht sich auf die Fläche, die von der Region umschlossen wird, die durch die 4 Zustände des Zyklus begrenzt wird, die Das bedeutet, dass bei konstanter Wärmezufuhr der Wirkungsgrad umso größer ist, je größer das Netz ist Zyklus. Das Netzwerk (w_Netz) ist die Differenz der von der Turbine erzeugten Arbeit (w_Ausfahrt) abzüglich der von der Pumpe geleisteten Arbeit (w_Eingang). Andererseits lässt sich die Effizienz des Kreislaufs auch steigern, indem man die Wärmemenge reduziert, die dem Kessel zugeführt werden muss (q_Eingang), und eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, Erhitzer (offen oder geschlossen) in den Kreislauf einzubauen, deren Hauptfunktion darin besteht, das Wasser vorzuwärmen füttern (Wasser, das in den Kessel eintritt) durch Dampfentnahmen aus der Turbine; dies würde die Schaltung zu einem regenerativen Rankine-Zyklus machen.

In der letzten Gleichung stellt die Variable h die Enthalpie in jedem Zustand dar, und die Werte werden aus Dampftabellen des Arbeitsmediums aus Druck- und/oder Temperaturverhältnissen gewonnen.

Verbesserungen des Rankine-Kreisprozesses zielen darauf ab, die Fläche zu vergrößern, die das Netz des Kreislaufs darstellt, oder die vom Kessel gelieferte Wärme zu reduzieren.