Mi az a Rankine-ciklus, és hogyan definiálható?

Evelyn Maitee Marin
ipari mérnök, MSc fizika és EdD

Ideális termodinamikai teljesítményciklus, melynek célja a hőforrásból hasznos munka elérése. Hatékonyságát az ekvivalens korlátozza Carnot ciklus amely ugyanazon hőmérsékleti tartományok között működik, és engedelmeskedik a termodinamika második főtételének. Neve William John Macguorn Rankine (1820-1872) fizikusra, mérnökre és oktatóra utal, aki szülőhelyén, Skóciában fejlesztette ki ezt a modellt.

A Rankines-ciklus nagy jelentőséggel bír, mivel ezt a modellt használják sokak termodinamikai ciklusának leírására erőművek, mind nem megújuló forrásból, mint például széntüzelésű hőerőművek, fűtőolaj ill. nukleáris; valamint termodinamikai ciklusok megújuló forrásokkal, például napenergia-termikus erőművekkel vagy geotermikus erőművekkel.

A képen egy hőerőmű látható. A legtöbb ilyen üzembe olyan alkatrészeket építenek be, mint például a regenerátorok, amelyek célja a ciklus hatékonyságának növelése és teljesítményének javítása.

A Rankine-ciklus alapvető összetevői

Bár a Rankine ciklus különféle fejlesztéseket és komponenseket tartalmazhat, amelyek célja a ciklus hatékonyságának növelése; Négy alapvető eszköz szükséges az áramkör befejezéséhez. Ezek:

• A szivattyú: az a komponens, amely a hőhordozó közeg nyomásának nyomásról történő növeléséért felelős minimum (a kondenzátor üzemi nyomása), legfeljebb a maximális nyomásig (a kondenzátor üzemi nyomása kazán). A szivattyúk csak folyékony halmazállapotú anyagokkal működhetnek, keverékekkel nem, és ideális megfontolás esetén a folyamat A tömörítést izentropikusan hajtják végre, bár a valóságban a tömörítés során mindig megnő az entrópia. tömörítés.

• A kondenzátor: az a rendszer, amely a hőcseréért felelős egy alacsony hőmérsékletű tárolóval hőfok (ezek lehetnek folyók, tavak vagy egyéb források), hogy a gőz (vagy keverék) fázisváltozást érjenek el a turbina kimeneténél, amíg az el nem éri a folyékony halmazállapotot, mielőtt belép a szivattyúba. Általában ez egy tekercs vagy csövek, amelyeken keresztül a folyadék belül kering. munkát, és hőt ad át a hűtőközegként használt folyadéknak anélkül, hogy ténylegesen keveredne ezzel. Ideális esetben a kondenzátor állandó nyomáson működik, bár a gyakorlatban enyhe nyomásesések lépnek fel a kondenzációs folyamat során. páralecsapódás.

• A kazán (vagy annak megfelelője): ez az az elem vagy tér, ahol a rendszerbe hőt adnak, és ez a hőforrás többféle forrásból származhat (egy égő égéséből). üzemanyag fosszilis, biomassza-égetés, geotermikus lerakódások, energia napenergia, vagy a maghasadás során keletkező hő). A nagynyomású folyadéknak be kell jutnia a kazánba, és ez biztosítja azt a szükséges hőt, hogy gőz (vagy túlhevített gőz) állapotba kerüljön, mielőtt a turbinában kitágulna. Ideális esetben a kazánok állandó nyomáson működnek, bár a gyakorlatban nyomásesések lépnek fel a hőadagolási folyamat során.

• A gőzturbina: termodinamikai ciklusokban a turbinák az inverz funkciót töltik be szivattyúk, vagyis céljuk a gőz kitágítása a kazán kimeneténél, hogy nyomásra állítsák azt kiskorú. A tágulási folyamat során a gőzrészecskék turbinalapátokra csapódása miatt a rotor tengelye elfordul mechanikus energia, ami viszont átalakítható elektromos energia generátorral összekapcsolva. Ideális körülmények között a turbinában a tágulási folyamat izentropikusan megy végbe, de az irreverzibilitások miatt megnövekszik a entalpia.

Az elemi Rankine-ciklus

Ez a körfolyamat elemi változatában négy folyamatból tevődik össze: két izobár és két izobárus, amint az az ábrán látható. rendszer. A 4 állapot határain belüli terület a ciklus nettó munkáját jelenti (w_háló), ami közvetlenül kapcsolódik a ciklus termikus hatásfokához.

Az ideális folyamat, amelyet a munkafolyadék (lehet víz vagy más anyag) követ, a következő:

A folyékony halmazállapotú anyag belép a szivattyúba, ahol a kazán nyomására préselik (2. állapot). A kazánban a folyadék felmelegszik és fázist vált, folyadékból keverékké, majd gőzzé válik. Ha a hő hozzáadása a telített gőz állapotán túl is folytatódik, az anyag túlhevített gőzzé válik, ami növeli a hőmérsékletét (3. állapot). Ezután a gőz belép a turbinába, hogy kitáguljon, amíg el nem éri a minimális nyomást (4-es állapot), és belép a turbinába. kondenzátor, ahol hőt veszít, hogy a gőz (vagy keverék) állapotából folyadékba (4-es állapot) kerüljön, befejezve az áramkört.

Rankine ciklus hatékonysága

A termikus hatásfok a körfolyamat 4 állapota által határolt régió által bezárt területhez kapcsolódik, amely ami azt jelenti, hogy állandó hőbevitel esetén minél nagyobb a nettó munka, annál nagyobb a hatásfoka a ciklus. A hálózati munka (w_háló) a turbina által generált munka különbsége (w_kijárat) mínusz a szivattyú által végzett munka (w_bejárat). Másrészt a ciklus hatásfoka a kazánba juttatandó hőmennyiség csökkentésével is növelhető (q_bejárat), és ennek egyik módja a fűtőberendezések (nyitott vagy zárt) beépítése a ciklusba, amelyek fő funkciója a víz előmelegítése. táplálás (a kazánba belépő víz) a turbinából történő gőzelszíváson keresztül; ez egy regeneratív Rankine-ciklussá tenné az áramkört.

Az utolsó egyenletben a h változó az entalpiát jelenti az egyes állapotokban, és az értékeket a munkaközeg nyomás- és/vagy hőmérsékleti viszonyok szerinti gőztáblázataiból kapjuk.

A Rankine-ciklus fejlesztésének célja a ciklus nettó munkáját reprezentáló terület növelése vagy a kazán által szolgáltatott hő csökkentése.