랭킨 사이클이란 무엇이며 어떻게 정의됩니까?

에블린 마이티 마린
산업 엔지니어, 물리학 석사 및 EdD

열원에서 유용한 작업을 얻는 것이 목적인 이상적인 열역학적 전원 주기입니다. 그것의 효율성은 동등한 것에 의해 제한됩니다 카르노 사이클 동일한 온도 범위에서 작동하고 열역학 제2법칙을 준수하는 것입니다. 그 이름은 출생지인 스코틀랜드에서 이 모델을 개발한 물리학자, 엔지니어 및 교육자 William John Macguorn Rankine(1820-1872)을 참조합니다.

랭킨 사이클은 이 모델이 많은 열역학적 사이클을 설명하는 기초로 사용되기 때문에 매우 중요합니다. 석탄 화력 발전소, 연료유 또는 핵무기; 또한 태양열 발전소 또는 지열 발전소와 같은 재생 가능한 소스를 사용한 열역학적 순환.

이미지는 화력 발전소를 보여줍니다. 이러한 플랜트의 대부분에는 주기의 효율성을 높이고 성능을 개선하는 것이 목적인 재생기와 같은 구성 요소가 통합되어 있습니다.

랭킨 사이클의 기본 구성 요소

랭킨 주기는 주기의 효율성을 높이는 것이 목적인 다양한 개선 사항과 구성 요소를 통합할 수 있지만; 회로를 완성하는 데 필요한 네 가지 기본 장치가 있습니다. 이것들은:

• 펌프: 열전달 유체의 압력을 증가시키는 역할을 하는 부품 최소(응축기 작동 압력), 최대 압력(응축기 작동 압력) 보일러). 펌프는 혼합물이 아닌 액체 상태의 물질에 대해서만 작동할 수 있으며 이상적인 고려 사항 하에서 압축은 등엔트로피적으로 수행되지만 실제로는 압축 중에 항상 엔트로피가 증가합니다. 압축.

• 응축기: 낮은 온도에서 저장소와 열교환을 담당하는 시스템입니다. 온도 (강, 호수 또는 기타 출처일 수 있음) 펌프에 들어가기 전에 액체 상태에 도달할 때까지 터빈 출구에서 증기(또는 혼합물)의 상 변화를 달성하기 위해. 일반적으로 유체가 내부적으로 순환하는 코일 또는 파이프입니다. 작동하고 실제로 혼합하지 않고 냉각 매체로 사용되는 유체에 열을 전달합니다. 이것으로. 이상적으로는 응축기가 일정한 압력에서 작동하지만 실제로는 응축 과정에서 약간의 압력 강하가 발생합니다. 응축.

• 보일러(또는 이에 상응하는 것): 이것은 시스템에 열을 추가하는 요소 또는 공간이며, 이 열원은 다양한 소스에서 올 수 있습니다. 연료 화석, 바이오매스 연소, 지열 퇴적물, 에너지 태양열 또는 핵분열 중에 발생하는 열). 고압 유체는 보일러에 들어가야 하며 이것은 터빈에서 팽창되기 전에 증기(또는 과열 증기) 상태로 만드는 데 필요한 열을 공급하는 역할을 합니다. 이상적으로 보일러는 일정한 압력에서 작동하지만 실제로는 열 추가 과정에서 압력 강하가 발생합니다.

• 증기 터빈: 열역학 사이클에서 터빈은 다음의 역기능을 수행합니다. 즉, 그 목적은 보일러 출구에서 증기를 팽창시켜 압력을 가하는 것입니다. 미성년자. 팽창 과정에서 터빈 블레이드에 대한 증기 입자의 영향으로 로터 샤프트가 회전하여 기계적 에너지로 변환될 수 있습니다. 전력 발전기와 결합할 때. 이상적인 조건에서 터빈의 팽창 과정은 등엔트로피적으로 수행되지만 비가역성으로 인해 엔탈피.

기본 랭킨 사이클

기본 버전에서 이 주기는 그림에 표시된 대로 2개의 등압 및 2개의 등엔트로피의 4가지 프로세스로 구성됩니다. 계획. 4개 상태의 경계 내에 둘러싸인 영역은 순환의 네트워크 작업을 나타냅니다(w_그물), 이는 사이클의 열효율과 직접적인 관련이 있습니다.

작동 유체(물 또는 다른 물질일 수 있음)가 따르는 이상적인 프로세스는 다음과 같습니다.

액체 상태의 물질은 보일러의 압력으로 압축되는 펌프로 들어갑니다(상태 2). 보일러에서 액체는 가열되고 액체에서 혼합물로 그리고 나서 증기로 상이 바뀝니다. 포화 증기 상태 이상으로 열이 계속 추가되면 물질은 과열 증기가 되어 온도가 상승합니다(상태 3). 다음으로 증기는 터빈으로 들어가 최소 압력(상태 4)에 도달할 때까지 팽창하고 회로를 완성하는 증기(또는 혼합물) 상태에서 액체(상태 4)로 이동하기 위해 열을 잃는 응축기.

랭킨 사이클 효율

열 효율은 사이클의 4가지 상태로 구분되는 영역으로 둘러싸인 영역과 관련이 있습니다. 이는 일정한 열 입력에 대해 순 작업이 클수록 효율성이 더 크다는 것을 의미합니다. 주기. 순 작업(w_그물)는 터빈에 의해 생성된 일의 차이(w_출구)에서 펌프가 한 일을 뺀 값(w_입구). 한편, 보일러에 공급해야 하는 열량을 줄임으로써 사이클의 효율도 높일 수 있습니다(q_입구), 이를 달성하는 방법 중 하나는 사이클에 히터(열림 또는 닫힘)를 통합하는 것입니다. 급송 (보일러로 들어가는 물) 터빈에서 증기 추출을 통해; 이것은 회로를 재생성 랭킨 사이클로 만들 것입니다.

마지막 방정식에서 변수 h는 각 상태의 엔탈피를 나타내며 값은 압력 및 / 또는 온도 조건에서 작동 유체의 증기표에서 얻습니다.

랭킨 사이클의 개선은 사이클의 순 작업을 나타내는 영역을 늘리거나 보일러에서 공급되는 열을 줄이기 위한 것입니다.