Mis on Rankine'i tsükkel ja kuidas seda määratletakse?

Evelyn Maitee Marin
Tööstusinsener, MSc füüsikas ja EdD

Ideaalne termodünaamiline võimsustsükkel, mille eesmärk on saada soojusallikast kasulikku tööd. Selle tõhusust piirab samaväärne Carnot' tsükkel mis toimib samade temperatuurivahemike vahel ja järgib termodünaamika teist seadust. Selle nimi viitab füüsikule, insenerile ja koolitajale William John Macguorn Rankine'ile (1820-1872), kes töötas selle mudeli välja oma sünnikohas Šotimaal.

Rankinesi tsükkel on väga oluline, kuna seda mudelit kasutatakse paljude termodünaamiliste tsüklite kirjeldamisel elektrijaamad, nii taastumatutest allikatest, nagu kivisöel töötavad termoelektrijaamad, kütteõli või tuumaenergia; ja ka termodünaamilised tsüklid taastuvate allikatega, nagu päikesesoojuselektrijaamad või geotermilised elektrijaamad.

Pildil on soojuselektrijaam. Enamikus nendes tehastes on sisseehitatud sellised komponendid nagu regeneraatorid, mille eesmärk on suurendada tsükli efektiivsust ja parandada selle jõudlust.

Rankine'i tsükli põhikomponendid

Kuigi Rankine'i tsükkel võib sisaldada erinevaid täiustusi ja komponente, mille eesmärk on tõsta tsükli efektiivsust; Ahela lõpuleviimiseks on vaja nelja põhiseadet. Need on:

• Pump: see on komponent, mis vastutab soojusülekandevedeliku rõhu suurendamise eest rõhust minimaalne (kondensaatori töörõhk), kuni maksimaalne rõhk (kondensaatori töörõhk boiler). Pumbad saavad töötada ainult vedelas olekus ainetega, mitte segudega, ja ideaaljuhul võib see protsess Kokkusurumine toimub isentroopiliselt, kuigi tegelikkuses toimub tihendamise ajal alati entroopia suurenemine. kokkusurumine.

• Kondensaator: see on süsteem, mis vastutab soojuse vahetamise eest reservuaariga madalal temperatuuril temperatuuri (need võivad olla jõed, järved või muud allikad), et saavutada auru (või segu) faasimuutus turbiini väljalaskeava juures, kuni see jõuab enne pumpa sisenemist vedelasse olekusse. Tavaliselt on see mähis või torud, mille kaudu vedelik sisemiselt ringleb. töötab ja kannab soojust jahutusainena kasutatavale vedelikule ilma tegelikult segunemata sellega. Ideaalis töötab kondensaator konstantsel rõhul, kuigi praktikas esinevad kondensatsiooniprotsessis väikesed rõhulangused. kondensatsioon.

• boiler (või selle ekvivalent): see on element või ruum, kus toimub soojuse lisamine süsteemi ja see soojusallikas võib pärineda erinevatest allikatest ( kütust fossiil, biomassi põletamine, geotermilised maardlad, energiat päikesesoojus või tuuma lõhustumise käigus tekkiv soojus). Kõrgsurvevedelik peab sisenema katlasse ja see varustab seda vajaliku soojusega, et viia see enne turbiinis paisutamist auru (või ülekuumendatud auru) olekusse. Ideaalis töötavad katlad konstantsel rõhul, kuigi praktikas tekivad soojuse lisamise protsessis rõhulangused.

• Auruturbiin: termodünaamilistes tsüklites täidavad turbiinid pöördfunktsiooni pumbad, st nende eesmärk on auru paisutamine katla väljalaskeavas, et viia see rõhuni alaealine. Paisumisprotsessi ajal paneb auruosakeste mõju turbiini labadele rootori võlli pöörlema, tekitades mehaaniline energia, mida saab omakorda teisendada elektrienergia kui see on ühendatud generaatoriga. Ideaalsetes tingimustes toimub paisumisprotsess turbiinis isentroopiliselt, kuid pöördumatuse tõttu suureneb entalpia.

Elementaarne Rankine'i tsükkel

See tsükkel koosneb oma elementaarses versioonis neljast protsessist: kaks isobaarilist ja kaks isentroopset, nagu on näidatud joonisel. skeem. Nelja oleku piiridesse jääv ala tähistab tsükli netotööd (w_net), mis on otseselt seotud tsükli soojusliku efektiivsusega.

Ideaalne protsess, millele järgneb töövedelik (see võib olla vesi või muu aine), on järgmine:

Vedelas olekus aine siseneb pumpa, kus see surutakse kokku katla rõhuni (olek 2). Katlas vedelikku kuumutatakse ja see muudab faasi, muutudes vedelikust seguks ja seejärel auruks. Kui soojuse lisamine jätkub üle küllastunud auru oleku, muutub aine ülekuumenenud auruks, mis suurendab selle temperatuuri (olek 3). Järgmisena siseneb aur turbiini, et paisuda, kuni see saavutab minimaalse rõhu (olek 4) ja siseneb kondensaator, kus see kaotab soojust, et minna auru (või segu) olekust vedelikuks (olek 4), lõpetades vooluringi.

Rankine tsükli efektiivsus

Soojusefektiivsus on seotud alaga, mis on ümbritsetud tsükli nelja olekuga piiritletud piirkonnaga, mis mis tähendab, et pideva soojussisendi korral, mida suurem on netotöö, seda suurem on selle efektiivsus tsükkel. Võrgutöö (w_net) on turbiini tekitatud töö erinevus (w_väljuda) miinus pumba tehtud töö (w_sissepääs). Teisest küljest saab tsükli efektiivsust tõsta ka katlale tarnitava soojushulga vähendamisega (q_sissepääs) ja üks viise selle saavutamiseks on lülitada tsüklisse küttekehad (avatud või suletud), mille põhiülesanne on vee eelsoojendamine toitmine (vesi, mis siseneb katlasse) turbiinist auru eemaldamise kaudu; see muudaks ahela regeneratiivseks Rankine'i tsükliks.

Viimases võrrandis tähistab muutuja h entalpiat igas olekus ja väärtused saadakse töövedeliku aurutabelitest rõhu ja/või temperatuuri tingimustes.

Rankine tsükli täiustuste eesmärk on suurendada tsükli netotööd esindavat pindala või vähendada katla poolt tarnitud soojust.