Cos'è il ciclo di Rankine e come viene definito?

Evelyn Maitée Marin
Ingegnere Industriale, Master in Fisica e EdD

Ciclo di potenza termodinamico ideale, il cui scopo è ottenere lavoro utile da una fonte di calore. La sua efficienza è limitata dall'equivalente Ciclo di Carnot che opera tra gli stessi intervalli di temperatura e che obbedisce alla seconda legge della termodinamica. Il suo nome si riferisce al fisico, ingegnere ed educatore William John Macguorn Rankine (1820-1872), che sviluppò questo modello nella sua città natale, la Scozia.

Il ciclo di Rankines è di grande importanza, poiché questo modello viene utilizzato come base per descrivere i cicli termodinamici di molti centrali elettriche, sia da fonti non rinnovabili, quali centrali termoelettriche a carbone, olio combustibile o nucleare; e ancora, cicli termodinamici con fonti rinnovabili, come centrali solari termiche o centrali geotermiche.

L'immagine mostra una centrale termica. Nella maggior parte di questi impianti sono incorporati componenti come i rigeneratori, il cui scopo è aumentare l'efficienza del ciclo e migliorarne le prestazioni.

Componenti di base del ciclo Rankine

Sebbene il ciclo Rankine possa incorporare vari miglioramenti e componenti, il cui scopo è aumentare l'efficienza del ciclo; Ci sono quattro dispositivi di base necessari per completare il circuito. Questi sono:

• La pompa: è il componente preposto ad aumentare la pressione del fluido termovettore dalla pressione minima (pressione di esercizio del condensatore), fino alla pressione massima (pressione di esercizio del caldaia). Le pompe possono funzionare solo con sostanze allo stato liquido e non con miscele, e sotto considerazioni ideali, il processo di La compressione viene eseguita in modo isentropico, anche se in realtà c'è sempre un aumento dell'entropia durante la compressione. compressione.

• Il condensatore: è il sistema preposto allo scambio di calore con un serbatoio al minimo temperatura (possono essere fiumi, laghi o altre sorgenti), al fine di ottenere un cambio di fase del vapore (o miscela) all'uscita della turbina, fino a raggiungere lo stato liquido prima di entrare nella pompa. Di solito si tratta di una serpentina o di tubi attraverso i quali il fluido circola internamente. lavoro e trasferisce il calore al fluido utilizzato come mezzo di raffreddamento senza effettivamente mescolarsi con questo. Idealmente, il condensatore funziona a pressione costante, anche se in pratica durante il processo di condensazione si verificano leggere cadute di pressione. condensazione.

• La caldaia (o suo equivalente): è l'elemento o ambiente in cui avviene l'apporto di calore all'impianto, e tale fonte di calore può provenire da diverse fonti (combustione di un carburante fossili, combustione di biomasse, depositi geotermici, energia solare termico, ovvero il calore generato durante la fissione nucleare). Il fluido ad alta pressione deve entrare nella caldaia e questa ha il compito di fornirle il calore necessario per portarla allo stato di vapore (o vapore surriscaldato) prima di essere espansa nella turbina. Idealmente, le caldaie funzionano a pressione costante, sebbene in pratica si verifichino cadute di pressione durante il processo di aggiunta di calore.

• La turbina a vapore: nei cicli termodinamici, le turbine svolgono la funzione inversa della pompe, cioè il loro obiettivo è espandere il vapore all'uscita della caldaia per portarlo in pressione minore. Durante il processo di espansione, l'impatto delle particelle di vapore sulle pale della turbina fa ruotare l'albero del rotore producendo energia meccanica, che, a sua volta, può essere trasformato in energia elettrica quando accoppiato con un generatore. In condizioni ideali, il processo di espansione nella turbina avviene in modo isentropico, ma a causa delle irreversibilità aumenta la entalpia.

Il ciclo Rankine elementare

Questo ciclo, nella sua versione elementare, è costituito da quattro processi: due isobarici e due isentropici, come mostrato in figura. schema. L'area racchiusa entro i confini dei 4 stati rappresenta il lavoro netto del ciclo (w_netto), che è direttamente correlata all'efficienza termica del ciclo.

Il processo ideale seguito dal fluido di lavoro (può essere acqua o altra sostanza) è il seguente:

La sostanza allo stato liquido entra nella pompa dove viene compressa alla pressione della caldaia (stato 2). Nella caldaia il liquido si riscalda e cambia fase, passando da liquido a miscela e poi a vapore. Se il calore continua ad essere aggiunto oltre lo stato di vapore saturo, la sostanza diventa un vapore surriscaldato, aumentando la sua temperatura (stato 3). Successivamente, il vapore entra nella turbina per espandersi fino a raggiungere la pressione minima (stato 4) ed entrare nel condensatore dove perderà calore per passare dallo stato di vapore (o miscela) a liquido (stato 4) completando il circuito.

Efficienza del ciclo Rankine

L'efficienza termica è correlata all'area racchiusa dalla regione delimitata dai 4 stati del ciclo, che il che significa che a parità di apporto termico, maggiore è il lavoro netto, maggiore è il rendimento dell'impianto ciclo. Il lavoro in rete (w_netto) è la differenza del lavoro generato dalla turbina (w_Uscita) meno il lavoro svolto dalla pompa (w_Entrata). D'altra parte, l'efficienza del ciclo può essere aumentata anche riducendo la quantità di calore che deve essere fornita alla caldaia (q_Entrata), e uno dei modi per raggiungere questo obiettivo è incorporare nel ciclo dei riscaldatori (aperti o chiusi), la cui funzione principale è quella di preriscaldare l'acqua da alimentazione (acqua che entra in caldaia) tramite estrazioni di vapore dalla turbina; questo renderebbe il circuito un ciclo Rankine rigenerativo.

Nell'ultima equazione, la variabile h rappresenta l'entalpia in ogni stato, e i valori sono ottenuti dalle tabelle del vapore del fluido di lavoro dalle condizioni di pressione e/o temperatura.

I miglioramenti nel ciclo Rankine hanno lo scopo di aumentare l'area che rappresenta il lavoro netto del ciclo o di ridurre il calore fornito dalla caldaia.