מהו מחזור Rankine, וכיצד הוא מוגדר?

אוולין מייטי מרין
מהנדס תעשיה, MSc בפיזיקה, ו-EDD

מחזור כוח תרמודינמי אידיאלי, שמטרתו להשיג עבודה שימושית ממקור חום. היעילות שלו מוגבלת על ידי המקבילה מחזור קרנו שפועל בין אותם טווחי טמפרטורה ושציית לחוק השני של התרמודינמיקה. שמו מתייחס לפיזיקאי, המהנדס והמחנך ויליאם ג'ון מקגורן רנקין (1820-1872), שפיתח מודל זה במקום הולדתו, סקוטלנד.

למחזור הרנקינס יש חשיבות רבה, שכן מודל זה משמש כבסיס לתיאור המחזורים התרמודינמיים של רבים תחנות כוח, הן ממקורות לא מתחדשים, כגון תחנות תרמו-חשמליות פחמיות, מזוט או גַרעִינִי; וגם, מחזורים תרמודינמיים עם מקורות מתחדשים, כגון תחנות כוח תרמיות סולאריות או תחנות כוח גיאותרמיות.

התמונה מציגה תחנת כוח תרמית. ברוב המפעלים הללו משולבים רכיבים כמו רגנרטורים שמטרתם להגביר את יעילות המחזור ולשפר את ביצועיו.

מרכיבים בסיסיים של מחזור Rankine

אמנם מחזור Rankine יכול לשלב שיפורים ורכיבים שונים, שמטרתם להגביר את יעילות המחזור; ישנם ארבעה מכשירים בסיסיים הנדרשים להשלמת המעגל. אלו הם:

• המשאבה: היא המרכיב שאחראי להגברת הלחץ של נוזל העברת החום מהלחץ מינימום (לחץ הפעלה של המעבה), עד הלחץ המקסימלי (לחץ הפעלה של ה דוּד). המשאבות יכולות לעבוד רק עם חומרים במצב נוזלי ולא עם תערובות, ובשיקולים אידיאליים, תהליך של הדחיסה מתבצעת באופן איזנטרופי, אם כי במציאות תמיד יש עלייה באנטרופיה במהלך הדחיסה. דְחִיסָה.

• המעבה: זו המערכת שאחראית על החלפת חום עם מאגר במצב נמוך טֶמפֶּרָטוּרָה (הם יכולים להיות נהרות, אגמים או מקורות אחרים), על מנת להשיג שינוי פאזה של הקיטור (או התערובת) במוצא הטורבינה, עד שהוא מגיע למצב נוזלי לפני הכניסה למשאבה. בדרך כלל זה סליל או צינורות שדרכם הנוזל מסתובב פנימי. עבודה, ומעביר חום לנוזל המשמש כמדיום קירור מבלי לערבב בפועל עם זה. באופן אידיאלי, המעבה פועל בלחץ קבוע, אם כי בפועל, מתרחשות ירידות לחץ קלות במהלך תהליך העיבוי. הִתְעַבּוּת.

• הדוד (או המקביל לו): זהו האלמנט או החלל שבו מתבצעת הוספת החום למערכת, ומקור החום הזה יכול להגיע ממקורות שונים (שריפת א. דלק מאובנים, שריפת ביומסה, מרבצים גיאותרמיים, אֵנֶרְגִיָה תרמית סולארית, או החום שנוצר במהלך ביקוע גרעיני). הנוזל בלחץ גבוה חייב להיכנס לדוד וזה מופקד על אספקת החום הדרוש כדי להביא אותו למצב של קיטור (או קיטור מחומם) לפני הרחבה בטורבינה. באופן אידיאלי, דוודים פועלים בלחץ קבוע, אם כי בפועל מתרחשות ירידות לחץ במהלך תהליך הוספת החום.

• טורבינת הקיטור: במחזורים תרמודינמיים, הטורבינות ממלאות את הפונקציה ההפוכה של ה משאבות, כלומר מטרתן היא להרחיב את הקיטור בשקע הדוד כדי להביא אותו ללחץ קַטִין. במהלך תהליך ההתפשטות, השפעת חלקיקי הקיטור על להבי הטורבינה גורמת לציר הרוטור להסתובב ומייצר אנרגיה מכנית, שבתורו, ניתן להפוך ל כוח חשמלי בשילוב עם גנרטור. בתנאים אידיאליים, תהליך ההתפשטות בטורבינה מתבצע באופן איזנטרופי, אך עקב אי-הפיכות, גדל אנטלפיה.

מחזור הרנקין היסודי

מחזור זה, בגרסתו היסודית, מורכב מארבעה תהליכים: שניים איזובריים ושניים איזנטרופיים, כפי שמוצג באיור. תָכְנִית. השטח הכלוא בגבולות ארבע המדינות מייצג את העבודה נטו של המחזור (w_נֶטוֹ), אשר קשורה ישירות ליעילות התרמית של המחזור.

התהליך האידיאלי שאחריו נוזל העבודה (זה יכול להיות מים או חומר אחר) הוא הבא:

החומר במצב נוזלי נכנס למשאבה שם הוא נדחס ללחץ הדוד (מצב 2). בדוד, הנוזל מחומם ומשנה פאזה, עובר מנוזל לתערובת ולאחר מכן לאדים. אם חום ממשיך להתווסף מעבר למצב האדים הרווי, החומר הופך לאדי מחומם-על, ומעלה את הטמפרטורה שלו (מצב 3). לאחר מכן, הקיטור נכנס לטורבינה כדי להתרחב עד שהוא מגיע ללחץ המינימלי (מצב 4) ונכנס ל מעבה שבו הוא יאבד חום כדי לעבור ממצב האדים (או התערובת) לנוזל (מצב 4) להשלים את המעגל.

יעילות מחזור Rankine

היעילות התרמית קשורה לאזור התחום על ידי האזור התחום על ידי 4 מצבי המחזור, אשר מה שאומר שלקלט חום קבוע, ככל שהעבודה נטו גדולה יותר, כך היעילות של ה- מחזור. העבודה ברשת (w_נֶטוֹ) הוא ההבדל של העבודה שנוצרת על ידי הטורבינה (w_{יְצִיאָה}) פחות העבודה שנעשתה על ידי המשאבה (w_{כְּנִיסָה}). מצד שני, ניתן להגביר את יעילות המחזור גם על ידי הפחתת כמות החום שיש לספק לדוד (ש_{כְּנִיסָה}), ואחת הדרכים להשיג זאת היא באמצעות שילוב תנורי חימום (פתוחים או סגורים) במחזור, שתפקידם העיקרי הוא לחמם מראש את המים מ. הַאֲכָלָה (מים הנכנסים לדוד) דרך הפקות קיטור מהטורבינה; זה יהפוך את המעגל למחזור רנקין מתחדש.

במשוואה האחרונה, המשתנה h מייצג את האנטלפיה בכל מצב, והערכים מתקבלים מטבלאות קיטור של נוזל העבודה מתנאי לחץ ו/או טמפרטורה.

שיפורים במחזור Rankine נועדו להגדיל את השטח המייצג את העבודה נטו של המחזור או להפחית את החום שמספק הדוד.