Mikä on Rankinen sykli ja miten se määritellään?

Evelyn Maitee Marin
Teollisuusinsinööri, Fysiikan maisteri ja EdD

Ihanteellinen termodynaaminen tehokierto, jonka tarkoituksena on saada hyödyllistä työtä lämmönlähteestä. Sen tehokkuutta rajoittaa vastaava Carnot sykli joka toimii samojen lämpötila-alueiden välillä ja noudattaa termodynamiikan toista pääsääntöä. Sen nimi viittaa fyysikkoon, insinööriin ja kouluttajaan William John Macguorn Rankinen (1820-1872), joka kehitti tämän mallin syntymäpaikassaan Skotlannissa.

Rankinesin syklillä on suuri merkitys, koska tätä mallia käytetään pohjana monien termodynaamisten syklien kuvaamiseen voimalaitokset, molemmat uusiutumattomista lähteistä, kuten hiilivoimaloita, polttoöljyä tai ydin; ja myös termodynaamiset syklit uusiutuvilla lähteillä, kuten aurinkolämpövoimaloilla tai geotermisillä voimalaitoksilla.

Kuvassa lämpövoimala. Useimmissa näistä laitoksista on sisällytetty komponentteja, kuten regeneraattoreita, joiden tarkoituksena on lisätä syklin tehokkuutta ja parantaa sen suorituskykyä.

Rankinen syklin peruskomponentit

Vaikka Rankinen sykli voi sisältää erilaisia ​​parannuksia ja komponentteja, joiden tarkoituksena on lisätä syklin tehokkuutta; Piirin loppuun saattamiseksi tarvitaan neljä peruslaitetta. Nämä ovat:

• Pumppu: se on komponentti, joka vastaa lämmönsiirtonesteen paineen nostamisesta paineesta minimi (lauhduttimen käyttöpaine), maksimipaineeseen asti (koneen käyttöpaine kattila). Pumput voivat toimia vain nestemäisessä tilassa olevien aineiden kanssa, eivät seosten kanssa, ja ihanteellisessa mielessä prosessi Kompressio suoritetaan isentrooppisesti, vaikka todellisuudessa entropia kasvaa aina kompression aikana. puristus.

• Lauhdutin: se on järjestelmä, joka on vastuussa lämmön vaihdosta säiliön kanssa matalalla lämpötila (ne voivat olla jokia, järviä tai muita lähteitä), jotta höyryn (tai seoksen) vaihe muuttuu turbiinin ulostulossa, kunnes se saavuttaa nestemäisen tilan ennen pumppuun tuloa. Yleensä se on kela tai putkia, joiden läpi neste kiertää sisäisesti. toimii ja siirtää lämpöä jäähdytysväliaineena käytettävään nesteeseen sekoittumatta tämän kanssa. Ihannetapauksessa lauhdutin toimii vakiopaineella, vaikka käytännössä kondensaatioprosessin aikana tapahtuu pieniä paineen pudotuksia. tiivistyminen.

• Kattila (tai vastaava): tämä on elementti tai tila, jossa lämmön lisääminen järjestelmään tapahtuu, ja tämä lämmönlähde voi tulla eri lähteistä ( polttoainetta fossiilit, biomassan poltto, geotermiset esiintymät, energiaa aurinkolämpö tai ydinfission aikana syntyvä lämpö). Korkeapaineisen nesteen on päästävä kattilaan, ja sen tehtävänä on toimittaa sille tarvittava lämpö, ​​jotta se saatetaan höyryn (tai tulistetun höyryn) tilaan ennen kuin se laajenee turbiinissa. Ihannetapauksessa kattilat toimivat vakiopaineella, vaikka käytännössä painehäviöitä tapahtuu lämmön lisäysprosessin aikana.

• Höyryturbiini: termodynaamisissa sykleissä turbiinit täyttävät käänteisen funktion pumppuja, eli niiden tavoitteena on laajentaa höyryä kattilan ulostulossa sen saattamiseksi paineeseen alaikäinen. Paisuntaprosessin aikana höyryhiukkasten vaikutus turbiinin siipiin saa roottorin akselin pyörimään tuottaen mekaaninen energia, joka puolestaan ​​voidaan muuntaa Sähkövoima kun se on yhdistetty generaattoriin. Ihanteellisissa olosuhteissa paisuntaprosessi turbiinissa tapahtuu isentrooppisesti, mutta irreversiteettien vuoksi lisääntyy entalpia.

Rankinen alkeissykli

Tämä sykli, sen perusversiossa, koostuu neljästä prosessista: kahdesta isobarisesta ja kahdesta isentrooppisesta, kuten kuvassa näkyy. järjestelmä. Neljän tilan rajojen sisällä oleva alue edustaa syklin nettotyötä (w_netto), joka liittyy suoraan syklin lämpötehokkuuteen.

Ihanteellinen prosessi, jota seuraa käyttöneste (se voi olla vesi tai muu aine) on seuraava:

Nestemäisessä tilassa oleva aine menee pumppuun, jossa se puristetaan kattilan paineeseen (tila 2). Kattilassa nestettä kuumennetaan ja se vaihtaa faasia siirtyen nesteestä seokseksi ja sitten höyryksi. Jos lämmön lisääminen jatkuu kylläisen höyryn tilan yli, aineesta tulee tulistettua höyryä, mikä nostaa sen lämpötilaa (tila 3). Seuraavaksi höyry tulee turbiiniin laajenemaan, kunnes se saavuttaa minimipaineen (tila 4) ja menee lauhdutin, jossa se menettää lämpöä siirtyessään höyrytilasta (tai seoksesta) nesteeksi (tila 4) täydentäen piirin.

Rankine-syklin tehokkuus

Lämpöhyötysuhde liittyy alueeseen, jota ympäröi syklin 4 tilan rajaama alue, joka mikä tarkoittaa, että jatkuvassa lämmöntuonnissa mitä suurempi verkko on, sitä suurempi hyötysuhde on sykli. Verkko (w_netto) on turbiinin tuottaman työn erotus (w_poistu) miinus pumpun tekemä työ (w_{Sisäänkäynti}). Toisaalta kierron tehokkuutta voidaan lisätä myös vähentämällä kattilaan syötettävän lämmön määrää (q_{Sisäänkäynti}), ja yksi tavoista saavuttaa tämä on sisällyttää kiertoon lämmittimiä (avoin tai suljettu), joiden päätehtävänä on esilämmittää vesi ruokinta (vesi, joka tulee kattilaan) höyrynpoiston kautta turbiinista; tämä tekisi piiristä regeneratiivisen Rankine-syklin.

Viimeisessä yhtälössä muuttuja h edustaa entalpiaa kussakin tilassa, ja arvot saadaan käyttönesteen höyrytaulukoista paine- ja/tai lämpötilaolosuhteista.

Rankinen kiertoon tehdyillä parannuksilla pyritään lisäämään syklin nettotyötä edustavaa pinta-alaa tai vähentämään kattilan tuottamaa lämpöä.