रैंकिन चक्र क्या है और इसे कैसे परिभाषित किया जाता है?

एवलिन मैती मारिन
औद्योगिक अभियंता, भौतिकी में एमएससी और एडीडी

आदर्श थर्मोडायनामिक शक्ति चक्र, जिसका उद्देश्य ताप स्रोत से उपयोगी कार्य प्राप्त करना है। इसकी दक्षता समतुल्य द्वारा सीमित है कार्नाट चक्र जो समान तापमान परिसरों के बीच संचालित होता है और जो ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का पालन करता है। इसका नाम भौतिक विज्ञानी, इंजीनियर और शिक्षक विलियम जॉन मैकगॉर्न रैंकिन (1820-1872) को संदर्भित करता है, जिन्होंने इस मॉडल को अपने जन्मस्थान, स्कॉटलैंड में विकसित किया था।

रैंकिंस चक्र का बहुत महत्व है, क्योंकि इस मॉडल का उपयोग कई लोगों के थर्मोडायनामिक चक्रों का वर्णन करने के लिए आधार के रूप में किया जाता है बिजली संयंत्र, दोनों गैर-नवीकरणीय स्रोतों से, जैसे कि कोयले से चलने वाले थर्मोइलेक्ट्रिक प्लांट, ईंधन तेल या परमाणु; और भी, सौर तापीय ऊर्जा संयंत्रों या भूतापीय विद्युत संयंत्रों जैसे नवीकरणीय स्रोतों के साथ थर्मोडायनामिक चक्र।

छवि एक थर्मल पावर स्टेशन दिखाती है। इनमें से अधिकांश संयंत्रों में पुनर्योजी जैसे घटक शामिल होते हैं, जिनका उद्देश्य चक्र की दक्षता में वृद्धि करना और इसके प्रदर्शन में सुधार करना है।

रैंकिन चक्र के मूल घटक

हालांकि रैंकिन चक्र विभिन्न सुधारों और घटकों को शामिल कर सकता है, जिसका उद्देश्य चक्र की दक्षता में वृद्धि करना है; सर्किट को पूरा करने के लिए चार बुनियादी उपकरणों की आवश्यकता होती है। ये:

• पंप: यह दबाव से गर्मी हस्तांतरण द्रव के दबाव को बढ़ाने के लिए जिम्मेदार घटक है न्यूनतम (कंडेनसर का ऑपरेटिंग दबाव), अधिकतम दबाव तक (ऑपरेटिंग दबाव बॉयलर)। पंप केवल तरल अवस्था में पदार्थों के साथ काम कर सकते हैं और मिश्रण के साथ नहीं, और आदर्श विचारों के तहत, की प्रक्रिया संपीड़न आइसेंट्रोपिक रूप से किया जाता है, हालांकि वास्तव में संपीड़न के दौरान एंट्रॉपी में हमेशा वृद्धि होती है। संपीड़न।

• संघनित्र: यह कम तापमान वाले जलाशय के साथ ऊष्मा के आदान-प्रदान के लिए जिम्मेदार प्रणाली है तापमान (वे नदियाँ, झीलें या अन्य स्रोत हो सकते हैं), टरबाइन आउटलेट पर भाप (या मिश्रण) के एक चरण परिवर्तन को प्राप्त करने के लिए, जब तक कि यह पंप में प्रवेश करने से पहले एक तरल अवस्था में न पहुँच जाए। आमतौर पर यह एक कॉइल या पाइप होता है जिसके माध्यम से द्रव आंतरिक रूप से प्रसारित होता है। काम करता है, और वास्तव में मिश्रण किए बिना शीतलन माध्यम के रूप में उपयोग किए जाने वाले द्रव में गर्मी स्थानांतरित करता है इस के साथ। आदर्श रूप से, कंडेनसर निरंतर दबाव में काम करता है, हालांकि व्यवहार में, संक्षेपण प्रक्रिया के दौरान मामूली दबाव गिरता है। वाष्पीकरण.

• बॉयलर (या इसके समतुल्य): यह वह तत्व या स्थान है जहां सिस्टम में गर्मी का समावेश होता है, और गर्मी का यह स्रोत विभिन्न स्रोतों से आ सकता है (एक का जलना) ईंधन जीवाश्म, बायोमास जलाना, भूतापीय निक्षेप, ऊर्जा सौर तापीय, या परमाणु विखंडन के दौरान उत्पन्न ऊष्मा)। उच्च दबाव वाले द्रव को बॉयलर में प्रवेश करना चाहिए और टरबाइन में विस्तारित होने से पहले इसे भाप (या अतितापित भाप) की स्थिति में लाने के लिए आवश्यक गर्मी के साथ आपूर्ति करने का प्रभारी होता है। आदर्श रूप से, बॉयलर निरंतर दबाव में काम करते हैं, हालांकि व्यवहार में गर्मी जोड़ने की प्रक्रिया के दौरान दबाव गिरता है।

• भाप टर्बाइन: थर्मोडायनामिक चक्रों में, टर्बाइन उलटा कार्य पूरा करते हैं पंप, अर्थात्, उनका उद्देश्य बॉयलर के आउटलेट पर भाप को दबाव में लाने के लिए उसका विस्तार करना है अवयस्क। विस्तार प्रक्रिया के दौरान, टरबाइन ब्लेड पर भाप के कणों के प्रभाव से रोटर शाफ्ट उत्पादन को घुमाने का कारण बनता है मेकेनिकल ऊर्जा, जिसे बदले में रूपांतरित किया जा सकता है विद्युत शक्ति जब एक जनरेटर के साथ युग्मित। आदर्श परिस्थितियों में, टर्बाइन में विस्तार की प्रक्रिया आइसेंट्रोपिक रूप से की जाती है, लेकिन अपरिवर्तनीयता के कारण, इसमें वृद्धि होती है तापीय धारिता.

प्राथमिक रैंकिन चक्र

यह चक्र, अपने प्रारंभिक संस्करण में, चार प्रक्रियाओं से बना है: दो आइसोबैरिक और दो आइसेंट्रोपिक, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। योजना. 4 राज्यों की सीमाओं के भीतर घिरा क्षेत्र चक्र के शुद्ध कार्य का प्रतिनिधित्व करता है (w_जाल), जो सीधे चक्र की तापीय दक्षता से संबंधित है।

कार्यशील द्रव (यह पानी या कोई अन्य पदार्थ हो सकता है) के बाद आदर्श प्रक्रिया निम्नलिखित है:

एक तरल अवस्था में पदार्थ पंप में प्रवेश करता है जहां इसे बॉयलर (राज्य 2) के दबाव में संकुचित किया जाता है। बॉयलर में, तरल गर्म होता है और चरण बदलता है, तरल से मिश्रण में और फिर वाष्प में जाता है। यदि संतृप्त वाष्प अवस्था से परे ऊष्मा को जोड़ा जाना जारी रहता है, तो पदार्थ अतितापित वाष्प बन जाता है, जिससे उसका तापमान बढ़ जाता है (राज्य 3)। इसके बाद, भाप टर्बाइन में तब तक प्रवेश करती है जब तक कि यह न्यूनतम दबाव (राज्य 4) तक नहीं पहुंच जाता है और प्रवेश करता है कंडेनसर जहां यह भाप (या मिश्रण) से तरल (राज्य 4) की स्थिति में जाने के लिए सर्किट को पूरा करने के लिए गर्मी खो देगा।

रैंकिन चक्र दक्षता

थर्मल दक्षता चक्र के 4 राज्यों द्वारा सीमांकित क्षेत्र से घिरे क्षेत्र से संबंधित है, जो जिसका अर्थ है कि निरंतर ताप इनपुट के लिए, जितना अधिक शुद्ध कार्य होगा, उतनी ही अधिक दक्षता होगी चक्र। शुद्ध कार्य (w_जाल) टर्बाइन द्वारा उत्पन्न कार्य का अंतर है (w_{बाहर निकलना}) पंप द्वारा किए गए कार्य को घटाएं (w_{प्रवेश}). दूसरी ओर, बॉयलर (क्यू) को आपूर्ति की जाने वाली गर्मी की मात्रा को कम करके चक्र की दक्षता भी बढ़ाई जा सकती है_{प्रवेश}), और इसे प्राप्त करने के तरीकों में से एक चक्र में हीटर (खुले या बंद) को शामिल करना है, जिसका मुख्य कार्य पानी को पहले से गरम करना है खिलाना (पानी जो बॉयलर में प्रवेश करता है) टरबाइन से भाप के अर्क के माध्यम से; यह सर्किट को पुनर्योजी रैंकिन चक्र बना देगा।

अंतिम समीकरण में, चर एच प्रत्येक राज्य में तापीय धारिता का प्रतिनिधित्व करता है, और दबाव और / या तापमान की स्थिति से काम कर रहे तरल पदार्थ की भाप तालिकाओं से मान प्राप्त होते हैं।

रैंकिन चक्र में सुधार का उद्देश्य उस क्षेत्र को बढ़ाना है जो चक्र के शुद्ध कार्य का प्रतिनिधित्व करता है या बॉयलर द्वारा आपूर्ति की गई गर्मी को कम करता है।