Τι είναι ο κύκλος Rankine και πώς ορίζεται;

Έβελιν Μέιτ Μάριν
Βιομηχανικός Μηχανικός, MSc στη Φυσική, και EdD

Ιδανικός θερμοδυναμικός κύκλος ισχύος, σκοπός του οποίου είναι η λήψη χρήσιμου έργου από μια πηγή θερμότητας. Η αποτελεσματικότητά του περιορίζεται από το αντίστοιχο Κύκλος Carnot που λειτουργεί μεταξύ των ίδιων θερμοκρασιακών περιοχών και που υπακούει στον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο. Το όνομά του αναφέρεται στον φυσικό, μηχανικό και παιδαγωγό William John Macguorn Rankine (1820-1872), ο οποίος ανέπτυξε αυτό το μοντέλο στη γενέτειρά του, τη Σκωτία.

Ο κύκλος Rankines έχει μεγάλη σημασία, καθώς αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται ως βάση για την περιγραφή των θερμοδυναμικών κύκλων πολλών εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής, τόσο από μη ανανεώσιμες πηγές, όπως θερμοηλεκτρικές μονάδες με καύση άνθρακα, μαζούτ ή πυρηνικός; και επίσης, θερμοδυναμικοί κύκλοι με ανανεώσιμες πηγές, όπως ηλιακοί θερμοηλεκτρικοί σταθμοί ή γεωθερμικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής.

Η εικόνα δείχνει έναν θερμοηλεκτρικό σταθμό. Στις περισσότερες από αυτές τις εγκαταστάσεις ενσωματώνονται εξαρτήματα όπως αναγεννητές, σκοπός των οποίων είναι η αύξηση της απόδοσης του κύκλου και η βελτίωση της απόδοσής του.

Βασικά συστατικά του κύκλου Rankine

Αν και ο κύκλος Rankine μπορεί να ενσωματώσει διάφορες βελτιώσεις και εξαρτήματα, σκοπός των οποίων είναι να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα του κύκλου. Υπάρχουν τέσσερις βασικές συσκευές που απαιτούνται για την ολοκλήρωση του κυκλώματος. Αυτά είναι:

• Η αντλία: είναι το εξάρτημα που είναι υπεύθυνο για την αύξηση της πίεσης του ρευστού μεταφοράς θερμότητας από την πίεση ελάχιστη (πίεση λειτουργίας του συμπυκνωτή), έως τη μέγιστη πίεση (πίεση λειτουργίας του λέβητας). Οι αντλίες μπορούν να λειτουργήσουν μόνο με ουσίες σε υγρή κατάσταση και όχι με μείγματα, και υπό ιδανικές εκτιμήσεις, η διαδικασία Η συμπίεση εκτελείται ισεντροπικά, αν και στην πραγματικότητα υπάρχει πάντα μια αύξηση της εντροπίας κατά τη συμπίεση. συμπίεση.

• Ο συμπυκνωτής: είναι το σύστημα που είναι υπεύθυνο για την ανταλλαγή θερμότητας με μια δεξαμενή στο χαμηλό θερμοκρασία (μπορεί να είναι ποτάμια, λίμνες ή άλλες πηγές), προκειμένου να επιτευχθεί αλλαγή φάσης του ατμού (ή του μείγματος) στην έξοδο του στροβίλου, μέχρι να φτάσει σε υγρή κατάσταση πριν εισέλθει στην αντλία. Συνήθως πρόκειται για ένα πηνίο ή σωλήνες μέσω των οποίων το υγρό κυκλοφορεί εσωτερικά. λειτουργεί και μεταφέρει θερμότητα στο ρευστό που χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο χωρίς να αναμειγνύεται πραγματικά με αυτό. Στην ιδανική περίπτωση, ο συμπυκνωτής λειτουργεί σε σταθερή πίεση, αν και στην πράξη, σημειώνονται μικρές πτώσεις πίεσης κατά τη διαδικασία συμπύκνωσης. συμπύκνωση.

• Ο λέβητας (ή το ισοδύναμό του): αυτό είναι το στοιχείο ή ο χώρος όπου λαμβάνει χώρα η προσθήκη θερμότητας στο σύστημα και αυτή η πηγή θερμότητας μπορεί να προέρχεται από διάφορες πηγές (κάψιμο ενός καύσιμα απολιθώματα, καύση βιομάζας, γεωθερμικά κοιτάσματα, ενέργεια ηλιακή θερμική, ή τη θερμότητα που παράγεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης). Το υγρό υψηλής πίεσης πρέπει να εισέλθει στο λέβητα και αυτό είναι υπεύθυνο για την τροφοδοσία του με την απαραίτητη θερμότητα για να το φέρει σε κατάσταση ατμού (ή υπερθερμασμένου ατμού) πριν εκτονωθεί στον στρόβιλο. Στην ιδανική περίπτωση, οι λέβητες λειτουργούν με σταθερή πίεση, αν και στην πράξη σημειώνονται πτώσεις πίεσης κατά τη διαδικασία προσθήκης θερμότητας.

• Ο ατμοστρόβιλος: στους θερμοδυναμικούς κύκλους, οι τουρμπίνες εκπληρώνουν την αντίστροφη συνάρτηση του αντλίες, δηλαδή, στόχος τους είναι να διαστέλλουν τον ατμό στην έξοδο του λέβητα για να τον φέρουν σε πίεση ανήλικος. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διαστολής, η πρόσκρουση των σωματιδίων ατμού στα πτερύγια του στροβίλου προκαλεί την περιστροφή του άξονα του ρότορα παράγοντας μηχανική ενέργεια, το οποίο, με τη σειρά του, μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια όταν συνδυάζεται με γεννήτρια. Υπό ιδανικές συνθήκες, η διαδικασία εκτόνωσης στον στρόβιλο πραγματοποιείται ισεντροπικά, αλλά λόγω μη αναστρέψιμων αυξήσεων ενθαλπία.

Ο στοιχειώδης κύκλος Rankine

Αυτός ο κύκλος, στη στοιχειώδη εκδοχή του, αποτελείται από τέσσερις διεργασίες: δύο ισοβαρικές και δύο ισεντροπικές, όπως φαίνεται στο σχήμα. σχέδιο. Η περιοχή που περικλείεται εντός των ορίων των 4 πολιτειών αντιπροσωπεύει το καθαρό έργο του κύκλου (w_καθαρά), που σχετίζεται άμεσα με τη θερμική απόδοση του κύκλου.

Η ιδανική διαδικασία που ακολουθείται από το ρευστό εργασίας (μπορεί να είναι νερό ή άλλη ουσία) είναι η εξής:

Η ουσία σε υγρή κατάσταση εισέρχεται στην αντλία όπου συμπιέζεται στην πίεση του λέβητα (κατάσταση 2). Στο λέβητα, το υγρό θερμαίνεται και αλλάζει φάση, πηγαίνοντας από υγρό σε μείγμα και μετά σε ατμό. Εάν συνεχίσει να προστίθεται θερμότητα πέρα ​​από την κατάσταση κορεσμένου ατμού, η ουσία γίνεται υπέρθερμος ατμός, αυξάνοντας τη θερμοκρασία της (κατάσταση 3). Στη συνέχεια, ο ατμός εισέρχεται στον στρόβιλο για να διασταλεί μέχρι να φτάσει στην ελάχιστη πίεση (κατάσταση 4) και να εισέλθει στο συμπυκνωτή όπου θα χάσει θερμότητα για να περάσει από την κατάσταση ατμού (ή μείγματος) σε υγρό (κατάσταση 4) ολοκληρώνοντας το κύκλωμα.

Αποδοτικότητα κύκλου Rankine

Η θερμική απόδοση σχετίζεται με την περιοχή που περικλείεται από την περιοχή που οριοθετείται από τις 4 καταστάσεις του κύκλου, οι οποίες πράγμα που σημαίνει ότι για σταθερή εισροή θερμότητας, όσο μεγαλύτερο είναι το καθαρό έργο, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση του κύκλος. Το δίκτυο (w_καθαρά) είναι η διαφορά του έργου που παράγεται από τον στρόβιλο (w_έξοδος) μείον την εργασία που έχει κάνει η αντλία (w_{είσοδος}). Από την άλλη πλευρά, η απόδοση του κύκλου μπορεί επίσης να αυξηθεί μειώνοντας την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να παρέχεται στον λέβητα (q_{είσοδος}), και ένας από τους τρόπους για να το πετύχετε αυτό είναι με την ενσωμάτωση θερμαντήρων (ανοιχτών ή κλειστών) στον κύκλο, των οποίων η κύρια λειτουργία είναι η προθέρμανση του νερού από σίτιση (νερό που εισέρχεται στο λέβητα) μέσω εξαγωγών ατμού από τον στρόβιλο. Αυτό θα έκανε το κύκλωμα έναν αναγεννητικό κύκλο Rankine.

Στην τελευταία εξίσωση, η μεταβλητή h αντιπροσωπεύει την ενθαλπία σε κάθε κατάσταση και οι τιμές λαμβάνονται από πίνακες ατμού του ρευστού εργασίας από συνθήκες πίεσης ή/και θερμοκρασίας.

Οι βελτιώσεις στον κύκλο Rankine αποσκοπούν στην αύξηση της επιφάνειας που αντιπροσωπεύει το καθαρό έργο του κύκλου ή στη μείωση της θερμότητας που παρέχεται από τον λέβητα.