რა არის რანკინის ციკლი და როგორ განისაზღვრება იგი?

ეველინ მეიტი მარინი
ინდუსტრიული ინჟინერი, მაგისტრი ფიზიკაში და EdD

იდეალური თერმოდინამიკური ენერგიის ციკლი, რომლის მიზანია სითბოს წყაროდან სასარგებლო სამუშაოს მიღება. მისი ეფექტურობა შეზღუდულია ექვივალენტით კარნოს ციკლი რომელიც მოქმედებს იმავე ტემპერატურის დიაპაზონებს შორის და ემორჩილება თერმოდინამიკის მეორე კანონს. მისი სახელი მოიხსენიებს ფიზიკოსს, ინჟინერსა და განმანათლებელს უილიამ ჯონ მაკგუორნ რანკინს (1820-1872), რომელმაც შექმნა ეს მოდელი თავის დაბადების ადგილას, შოტლანდიაში.

რენკინსის ციკლს დიდი მნიშვნელობა აქვს, რადგან ეს მოდელი გამოიყენება მრავალი თერმოდინამიკური ციკლის აღსაწერად. ელექტროსადგურები, როგორც არაგანახლებადი წყაროებიდან, როგორიცაა ქვანახშირზე მომუშავე თერმოელექტროსადგურები, მაზუთი ან ბირთვული; ასევე, თერმოდინამიკური ციკლები განახლებადი წყაროებით, როგორიცაა მზის თბოელექტროსადგურები ან გეოთერმული ელექტროსადგურები.

სურათზე ნაჩვენებია თბოელექტროსადგური. ამ ქარხნების უმეტესობაში ჩართულია ისეთი კომპონენტები, როგორიცაა რეგენერატორები, რომელთა მიზანია ციკლის ეფექტურობის გაზრდა და მისი მუშაობის გაუმჯობესება.

რანკინის ციკლის ძირითადი კომპონენტები

მიუხედავად იმისა, რომ რანკინის ციკლი შეიძლება შეიცავდეს სხვადასხვა გაუმჯობესებას და კომპონენტებს, რომელთა მიზანია ციკლის ეფექტურობის გაზრდა; არსებობს ოთხი ძირითადი მოწყობილობა, რომლებიც საჭიროა წრედის დასასრულებლად. Ესენი არიან:

• ტუმბო: ეს არის კომპონენტი, რომელიც პასუხისმგებელია წნეხიდან სითბოს გადამცემი სითხის წნევის გაზრდაზე მინიმალური (კონდენსატორის საოპერაციო წნევა), მაქსიმალურ წნევამდე (სამუშაო წნევა ქვაბი). ტუმბოებს შეუძლიათ იმუშაონ მხოლოდ თხევად მდგომარეობაში მყოფ ნივთიერებებთან და არა ნარევებთან და იდეალური მოსაზრებით, პროცესი შეკუმშვა ხდება იზენტროპიულად, თუმცა რეალურად შეკუმშვისას ყოველთვის არის ენტროპიის მატება. შეკუმშვა.

• კონდენსატორი: ეს არის სისტემა, რომელიც პასუხისმგებელია სითბოს გაცვლაზე რეზერვუარით დაბალ ტემპერატურაზე ტემპერატურა (ისინი შეიძლება იყოს მდინარეები, ტბები ან სხვა წყაროები), რათა მივაღწიოთ ორთქლის (ან ნარევის) ფაზურ ცვლილებას ტურბინის გამოსასვლელში, სანამ არ მიაღწევს თხევად მდგომარეობას ტუმბოში შესვლამდე. ჩვეულებრივ, ეს არის ხვეული ან მილები, რომლებშიც სითხე ცირკულირებს შიგნით. მუშაობს და გადასცემს სითბოს სითხეს, რომელიც გამოიყენება როგორც გამაგრილებელი საშუალება რეალურად შერევის გარეშე ამით. იდეალურ შემთხვევაში, კონდენსატორი მუშაობს მუდმივ წნევაზე, თუმცა პრაქტიკაში, კონდენსაციის პროცესის დროს ხდება წნევის უმნიშვნელო ვარდნა. კონდენსაცია.

• ქვაბი (ან მისი ექვივალენტი): ეს არის ელემენტი ან სივრცე, სადაც ხდება სითბოს დამატება სისტემაში და სითბოს ეს წყარო შეიძლება მოდიოდეს სხვადასხვა წყაროდან (დაწვა საწვავი ნამარხი, ბიომასის წვა, გეოთერმული საბადოები, ენერგია მზის თერმული, ან ბირთვული დაშლის დროს წარმოქმნილი სითბო). მაღალი წნევის სითხე უნდა შევიდეს ქვაბში და მას ევალება უზრუნველყოს იგი საჭირო სითბოთი, რათა მიიყვანოს ორთქლის მდგომარეობაში (ან ზედმეტად გახურებულ ორთქლამდე) ტურბინაში გაფართოებამდე. იდეალურ შემთხვევაში, ქვაბები მუშაობენ მუდმივი წნევით, თუმცა პრაქტიკაში წნევის ვარდნა ხდება სითბოს დამატების პროცესში.

• ორთქლის ტურბინა: თერმოდინამიკურ ციკლებში ტურბინები ასრულებენ შებრუნებულ ფუნქციას. ტუმბოები, ანუ მათი მიზანია გააფართოვონ ორთქლი ქვაბის გამოსასვლელში, რათა ის წნევამდე მიიყვანოს მცირეწლოვანი. გაფართოების პროცესის დროს, ორთქლის ნაწილაკების ზემოქმედება ტურბინის პირებზე იწვევს როტორის ლილვის ბრუნვას. მექანიკური ენერგია, რომელიც, თავის მხრივ, შეიძლება გარდაიქმნას ელექტროენერგიის გენერატორთან შეერთებისას. იდეალურ პირობებში, ტურბინაში გაფართოების პროცესი იზენტროპიულად მიმდინარეობს, მაგრამ შეუქცევადობის გამო, იზრდება ენთალპია.

რანკინის ელემენტარული ციკლი

ეს ციკლი, თავის ელემენტარულ ვერსიაში, შედგება ოთხი პროცესისგან: ორი იზობარული და ორი იზენტროპული, როგორც ნაჩვენებია სურათზე. სქემა. 4 სახელმწიფოს საზღვრებში ჩასმული ფართობი წარმოადგენს ციკლის ქსელს (w_ბადე), რაც პირდაპირ კავშირშია ციკლის თერმოეფექტურობასთან.

იდეალური პროცესი, რომელსაც მოჰყვება სამუშაო სითხე (ეს შეიძლება იყოს წყალი ან სხვა ნივთიერება) არის შემდეგი:

თხევად მდგომარეობაში მყოფი ნივთიერება შედის ტუმბოში, სადაც ის შეკუმშულია ქვაბის წნევამდე (მდგომარეობა 2). ქვაბში სითხე თბება და იცვლის ფაზას, სითხიდან გადადის ნარევში და შემდეგ ორთქლში. თუ სითბოს დამატება გრძელდება გაჯერებული ორთქლის მდგომარეობის მიღმა, ნივთიერება გადაიქცევა ზედმეტად გახურებულ ორთქლად, იზრდება მისი ტემპერატურა (მდგომარეობა 3). შემდეგ, ორთქლი შედის ტურბინაში, რათა გაფართოვდეს მანამ, სანამ არ მიაღწევს მინიმალურ წნევას (მდგომარეობა 4) და შედის კონდენსატორი, სადაც ის დაკარგავს სითბოს ორთქლის (ან ნარევის) მდგომარეობიდან თხევადში (მდგომარეობა 4) გადასვლისთვის, რომელიც დაასრულებს წრედს.

რანკინის ციკლის ეფექტურობა

თერმული ეფექტურობა დაკავშირებულია ციკლის 4 მდგომარეობით შემოსაზღვრული რეგიონით შემოსაზღვრულ ფართობთან, რომელიც რაც ნიშნავს, რომ მუდმივი სითბოს შეყვანისთვის, რაც უფრო დიდია ქსელის მუშაობა, მით მეტია ეფექტურობა ციკლი. ქსელის მუშაობა (ვ_ბადე) არის ტურბინის მიერ წარმოქმნილი სამუშაოს სხვაობა (w_{გასასვლელი}) გამოკლებული ტუმბოს მიერ შესრულებული სამუშაო (ვ_{შესასვლელი}). მეორეს მხრივ, ციკლის ეფექტურობა ასევე შეიძლება გაიზარდოს სითბოს რაოდენობის შემცირებით, რომელიც უნდა მიეწოდოს ქვაბს (q_{შესასვლელი}) და ამის მიღწევის ერთ-ერთი გზაა გამათბობლების (ღია ან დახურული) ციკლში ჩართვა, რომლის მთავარი ფუნქციაა წყლის წინასწარ გაცხელება. კვება (წყალი, რომელიც შედის ქვაბში) ტურბინიდან ორთქლის ამოღების გზით; ეს გახდის წრეს რეგენერაციულ რანკინის ციკლად.

ბოლო განტოლებაში ცვლადი h წარმოადგენს ენთალპიას თითოეულ მდგომარეობაში, ხოლო მნიშვნელობები მიიღება სამუშაო სითხის ორთქლის ცხრილებიდან წნევის და/ან ტემპერატურის პირობებიდან.

რანკინის ციკლის გაუმჯობესება მიზნად ისახავს გაზარდოს ფართობი, რომელიც წარმოადგენს ციკლის ქსელის მუშაობას ან შეამციროს ქვაბის მიერ მიწოდებული სითბო.