ランキン サイクルとは何ですか? また、どのように定義されていますか?

熱源から有用な仕事を得ることを目的とする理想的な熱力学的パワー サイクル。 その効率は同等のものによって制限されます カルノーサイクル 同じ温度範囲で動作し、熱力学の第 2 法則に従います。 その名前は物理学者、エンジニア、教育者であるウィリアム ジョン マクガーン ランキン (1820-1872) にちなんで付けられ、このモデルは彼の出身地であるスコットランドで開発されました。

ランキンズ サイクルは非常に重要です。このモデルは、多くの熱力学サイクルを記述するための基礎として使用されるからです。 石炭火力発電所、燃料油、または 核; また、太陽熱発電所や地熱発電所などの再生可能エネルギー源による熱力学サイクル。

写真は火力発電所。 これらのプラントのほとんどでは、再生器などのコンポーネントが組み込まれており、その目的はサイクルの効率を高め、その性能を向上させることです。

ランキン サイクルの基本コンポーネント

ランキン サイクルにはさまざまな改良やコンポーネントを組み込むことができますが、その目的はサイクルの効率を高めることです。 回路を完成させるために必要な 4 つの基本的なデバイスがあります。 これらは：

• ポンプ: 熱伝達流体の圧力を圧力から上昇させる役割を担うコンポーネントです。 最小 (凝縮器の動作圧力)、最大圧力 (凝縮器の動作圧力) まで ボイラー）。 ポンプは、混合物ではなく、液体状態の物質でのみ機能します。理想的な考慮の下では、 圧縮は等エントロピーで実行されますが、実際には圧縮中に常にエントロピーが増加します。 圧縮。

• コンデンサー: 低温でリザーバーとの熱交換を担当するシステムです。 温度 ポンプに入る前に液体状態に達するまで、タービン出口で蒸気 (または混合物) の相変化を達成するためです。 通常、それは流体が内部を循環するコイルまたはパイプです。 実際に混合することなく、冷却媒体として使用される流体に熱を伝達します これとともに。 理想的には、凝縮器は一定の圧力で動作しますが、実際には凝縮プロセス中にわずかな圧力低下が発生します。 結露.

• ボイラー (またはそれに相当するもの): これは、システムに熱が加えられる要素または空間であり、この熱源はさまざまなソース (燃料の燃焼) から得ることができます。

燃料 化石、バイオマス燃焼、地熱鉱床、 エネルギー 太陽熱、または核分裂中に発生する熱)。 高圧流体はボイラーに入る必要があり、タービンで膨張する前に蒸気 (または過熱蒸気) の状態にするために必要な熱を供給します。 理想的には、ボイラーは一定の圧力で運転されますが、実際には加熱プロセス中に圧力降下が発生します。

• 蒸気タービン: 熱力学サイクルでは、タービンは逆の機能を果たします。 つまり、その目的は、ボイラーの出口で蒸気を膨張させて圧力を上げることです。 マイナー。 膨張プロセス中、蒸気粒子がタービン ブレードに衝突することで、ローター シャフトが回転します。 力学的エネルギーに変換できます。 電力 発電機と組み合わせると。 理想的な条件下では、タービン内の膨張プロセスは等エントロピー的に実行されますが、不可逆性により、 エンタルピー.

基本的なランキン サイクル

このサイクルは、基本的なバージョンでは、図に示すように、2 つの等圧と 2 つの等エントロピーの 4 つのプロセスで構成されています。 図式. 4 つの州の境界内に囲まれた領域は、サイクルのネットワーク (w_ネット）、これはサイクルの熱効率に直接関係しています。

作動流体 (水または別の物質) がたどる理想的なプロセスは次のとおりです。

液体状態の物質がポンプに入り、そこでボイラーの圧力まで圧縮されます (状態 2)。 ボイラーでは、液体が加熱されて相が変化し、液体から混合物、そして蒸気になります。 飽和蒸気状態を超えて熱を加え続けると、物質は過熱蒸気となり、温度が上昇します（状態3）。 次に、蒸気はタービンに入り、最低圧力に達するまで膨張し（状態 4）、 蒸気（または混合物）の状態から液体（状態4）に移行するために熱を失うコンデンサー回路を完成させます.

ランキンサイクル効率

熱効率は、サイクルの 4 つの状態によって区切られた領域によって囲まれた領域に関連しています。 つまり、入熱が一定の場合、正味の仕事が大きいほど、熱の効率が高くなります。 サイクル。 ネットワーク (w_ネット) はタービンが生成する仕事の差 (w_出口) マイナス ポンプの仕事 (w_入り口). 一方、ボイラーに供給しなければならない熱量を減らすことによって、サイクルの効率を上げることもできます (q_入り口)、これを達成する方法の 1 つは、ヒーター (オープンまたはクローズド) をサイクルに組み込むことです。その主な機能は、水を予熱することです。 摂食 （ボイラーに入る水）タービンからの蒸気抽出による。 これにより、回路が再生ランキン サイクルになります。

最後の式では、変数 h は各状態のエンタルピーを表し、値は圧力および/または温度条件から作動流体の蒸気テーブルから取得されます。

ランキン サイクルの改良は、サイクルの正味の仕事を表す面積を増やすか、ボイラーによって供給される熱を減らすことを目的としています。