Što je Rankineov ciklus i kako se definira?

Evelyn Maitee Marin
Industrijski inženjer, magistar fizike i EdD

Idealni termodinamički ciklus snage, čija je svrha dobivanje korisnog rada od izvora topline. Njegova je učinkovitost ograničena ekvivalentom Carnotov ciklus koji radi između istih temperaturnih raspona i koji se pokorava drugom zakonu termodinamike. Njegovo ime odnosi se na fizičara, inženjera i pedagoga Williama Johna Macguorna Rankinea (1820.-1872.), koji je razvio ovaj model u svom rodnom mjestu, Škotskoj.

Rankinesov ciklus je od velike važnosti, jer se ovaj model koristi kao osnova za opisivanje termodinamičkih ciklusa mnogih elektrane, kako iz neobnovljivih izvora, kao što su termoelektrane na ugljen, loživo ulje ili nuklearni; te također, termodinamički ciklusi s obnovljivim izvorima, kao što su solarne termoelektrane ili geotermalne elektrane.

Slika prikazuje termoelektranu. U većini ovih postrojenja ugrađene su komponente poput regeneratora, čija je svrha povećati učinkovitost ciklusa i poboljšati njegovu izvedbu.

Osnovne komponente Rankineovog ciklusa

Iako Rankineov ciklus može uključivati ​​različita poboljšanja i komponente, čija je svrha povećati učinkovitost ciklusa; Četiri su osnovna uređaja potrebna za dovršenje kruga. Ovi su:

• Pumpa: to je komponenta zadužena za povećanje tlaka tekućine za prijenos topline od tlaka minimalni (radni tlak kondenzatora), do maksimalnog tlaka (radni tlak bojler). Crpke mogu raditi samo sa tvarima u tekućem stanju, a ne sa smjesama, a pod idealnim razmatranjima, proces Kompresija se izvodi izentropski, iako u stvarnosti uvijek postoji povećanje entropije tijekom kompresije. kompresija.

• Kondenzator: to je sustav zadužen za izmjenu topline s niskim spremnikom temperatura (mogu biti rijeke, jezera ili drugi izvori), kako bi se postigla fazna promjena pare (ili smjese) na izlazu iz turbine, dok ne dođe u tekuće stanje prije ulaska u pumpu. Obično je to zavojnica ili cijevi kroz koje tekućina cirkulira iznutra. rad i prenosi toplinu tekućini koja se koristi kao rashladni medij bez stvarnog miješanja s ovim. U idealnom slučaju, kondenzator radi pri konstantnom tlaku, iako u praksi dolazi do blagih padova tlaka tijekom procesa kondenzacije. kondenzacija.

• Kotao (ili njegov ekvivalent): to je element ili prostor u kojem se događa dodavanje topline sustavu, a ovaj izvor topline može dolaziti iz različitih izvora (izgaranje gorivo fosil, spaljivanje biomase, geotermalna nalazišta, energije solarna toplina ili toplina nastala tijekom nuklearne fisije). Visokotlačni fluid mora ući u kotao i on je zadužen da ga opskrbi potrebnom toplinom da ga dovede u stanje pare (ili pregrijane pare) prije ekspanzije u turbini. U idealnom slučaju, kotlovi rade na konstantnom tlaku, iako u praksi dolazi do pada tlaka tijekom procesa dodavanja topline.

• Parna turbina: u termodinamičkim ciklusima, turbine ispunjavaju inverznu funkciju od pumpe, odnosno njihov cilj je ekspandirati paru na izlazu iz kotla i dovesti je do tlaka manji. Tijekom procesa ekspanzije, udar čestica pare na lopatice turbine uzrokuje rotaciju osovine rotora proizvodeći mehanička energija, koji se, pak, može transformirati u električna energija kada je spojen s generatorom. U idealnim uvjetima proces ekspanzije u turbini odvija se izentropski, ali zbog ireverzibilnosti povećava se entalpija.

Elementarni Rankineov ciklus

Ovaj ciklus, u svojoj osnovnoj verziji, sastoji se od četiri procesa: dva izobarna i dva izentropska, kao što je prikazano na slici. shema. Područje unutar granica 4 države predstavlja mrežu ciklusa (w_neto), što je izravno povezano s toplinskom učinkovitošću ciklusa.

Idealan proces koji slijedi radna tekućina (to može biti voda ili neka druga tvar) je sljedeći:

Tvar u tekućem stanju ulazi u pumpu gdje se komprimira do tlaka kotla (stanje 2). U kotlu se tekućina zagrijava i mijenja fazu, prelazeći iz tekućine u smjesu, a zatim u paru. Ako se toplina nastavi dodavati izvan stanja zasićene pare, tvar postaje pregrijana para, povećavajući svoju temperaturu (stanje 3). Zatim para ulazi u turbinu kako bi se proširila dok ne postigne minimalni tlak (stanje 4) i ušla u kondenzator gdje će gubiti toplinu da prijeđe iz stanja pare (ili smjese) u tekućinu (stanje 4) čime se završava krug.

Učinkovitost Rankineovog ciklusa

Toplinska učinkovitost povezana je s područjem koje je okruženo područjem omeđenim s 4 stanja ciklusa, koja što znači da za konstantan unos topline, što je veći neto rad, veća je učinkovitost ciklus. Mrežni rad (w_neto) razlika je rada koji stvara turbina (w_Izlaz) minus rad pumpe (w_ulaz). S druge strane, učinkovitost ciklusa također se može povećati smanjenjem količine topline koja se mora dostaviti kotlu (q_ulaz), a jedan od načina da se to postigne je ugradnja grijača (otvorenih ili zatvorenih) u ciklus, čija je glavna funkcija predgrijavanje vode iz hraniti (voda koja ulazi u kotao) odvodom pare iz turbine; ovo bi krug učinilo regenerativnim Rankineovim ciklusom.

U posljednjoj jednadžbi varijabla h predstavlja entalpiju u svakom stanju, a vrijednosti se dobivaju iz tablica pare radnog fluida iz tlačnih i/ili temperaturnih uvjeta.

Poboljšanja u Rankineovom ciklusu imaju za cilj povećati površinu koja predstavlja neto rad ciklusa ili smanjiti toplinu koju isporučuje kotao.