Kas yra Rankine ciklas ir kaip jis apibrėžiamas?

Evelyn Maitee Marin
Pramonės inžinierius, fizikos magistras ir EdD

Idealus termodinaminis galios ciklas, kurio tikslas yra gauti naudingą darbą iš šilumos šaltinio. Jo efektyvumą riboja ekvivalentas Carnot ciklas kuri veikia tarp tų pačių temperatūrų intervalų ir paklūsta antrajam termodinamikos dėsniui. Jo pavadinimas reiškia fiziką, inžinierių ir pedagogą Williamą Johną Macguorną Rankine'ą (1820–1872), kuris sukūrė šį modelį savo gimtinėje Škotijoje.

Rankines ciklas yra labai svarbus, nes šis modelis naudojamas kaip daugelio termodinaminių ciklų aprašymas elektrinės, tiek iš neatsinaujinančių šaltinių, kaip anglimi kūrenamos termoelektrinės, mazutas arba branduolinis; taip pat termodinaminiai ciklai su atsinaujinančiais šaltiniais, pavyzdžiui, saulės šiluminėmis elektrinėmis arba geoterminėmis elektrinėmis.

Nuotraukoje pavaizduota šiluminė elektrinė. Daugumoje šių įrenginių yra naudojami komponentai, tokie kaip regeneratoriai, kurių tikslas yra padidinti ciklo efektyvumą ir pagerinti jo veikimą.

Pagrindiniai Rankine ciklo komponentai

Nors Rankine ciklas gali apimti įvairius patobulinimus ir komponentus, kurių tikslas yra padidinti ciklo efektyvumą; Norint užbaigti grandinę, reikalingi keturi pagrindiniai įrenginiai. Šitie yra:

• Siurblys: tai komponentas, atsakingas už šilumos perdavimo skysčio slėgio didinimą nuo slėgio minimalus (darbinis kondensatoriaus slėgis), iki didžiausio slėgio (darbinis slėgis katilas). Siurbliai gali veikti tik su skystos būsenos medžiagomis, o ne su mišiniais, o idealiomis aplinkybėmis šis procesas Suspaudimas atliekamas izentropiškai, nors iš tikrųjų suspaudimo metu visada padidėja entropija. suspaudimas.

• Kondensatorius: tai sistema, atsakinga už šilumos mainus su rezervuaru esant žemai temperatūrai temperatūros (tai gali būti upės, ežerai ar kiti šaltiniai), kad garo (arba mišinio) fazė pasikeistų turbinos išleidimo angoje, kol jis pasieks skystą būseną prieš patekdamas į siurblį. Paprastai tai yra ritė arba vamzdeliai, kuriais skystis cirkuliuoja viduje. veikia ir perduoda šilumą skysčiui, naudojamam kaip aušinimo terpė, iš tikrųjų nesusimaišydamas su šiuo. Idealiu atveju kondensatorius veikia esant pastoviam slėgiui, nors praktiškai kondensacijos proceso metu atsiranda nedideli slėgio kritimai. kondensacija.

• Katilas (arba jo atitikmuo): tai elementas arba erdvė, kurioje į sistemą pridedama šiluma, o šis šilumos šaltinis gali būti iš įvairių šaltinių (deginant kuro fosilijos, biomasės deginimas, geoterminiai telkiniai, energijos saulės šilumos arba šilumos, susidariusios branduolio dalijimosi metu). Aukšto slėgio skystis turi patekti į katilą, o šis turi tiekti jam reikiamą šilumą, kad jis būtų garų (arba perkaitinto garo) būsenoje, prieš plečiant jį turbinoje. Idealiu atveju katilai veikia esant pastoviam slėgiui, nors praktiškai slėgio kritimai atsiranda šilumos papildymo proceso metu.

• Garo turbina: termodinaminiuose cikluose turbinos atlieka atvirkštinę funkciją siurbliai, ty jų tikslas yra išplėsti garą katilo išleidimo angoje, kad būtų pasiektas slėgis nepilnametis. Išsiplėtimo proceso metu dėl garo dalelių poveikio turbinos mentėms rotoriaus velenas sukasi mechaninė energija, kuris, savo ruožtu, gali būti transformuotas į elektros energija sujungus su generatoriumi. Idealiomis sąlygomis plėtimosi procesas turbinoje vyksta izentropiškai, tačiau dėl negrįžtamumo didėja entalpija.

Elementarus Rankine ciklas

Šis ciklas, jo elementarioji versija, susideda iš keturių procesų: dviejų izobarinių ir dviejų izobarinių, kaip parodyta paveikslėlyje. schema. Teritorija, aptverta 4 būsenų ribose, rodo grynąjį ciklo darbą (w_neto), kuris tiesiogiai susijęs su ciklo šiluminiu efektyvumu.

Idealus procesas, po kurio seka darbinis skystis (tai gali būti vanduo ar kita medžiaga), yra toks:

Skystos būsenos medžiaga patenka į siurblį, kur suspaudžiama iki katilo slėgio (2 būsena). Katile skystis kaitinamas ir keičia fazę, iš skysčio virsdamas mišiniu, o po to į garus. Jei šiluma ir toliau pridedama už sočiųjų garų būsenos, medžiaga tampa perkaitintais garais ir padidina jos temperatūrą (3 būsena). Tada garai patenka į turbiną ir plečiasi, kol pasiekia minimalų slėgį (4 būsena) ir patenka į kondensatorius, kuriame jis praras šilumą, kad iš garų (arba mišinio) būsenos pereis į skystį (4 būsena), užbaigdamas grandinę.

Rankine ciklo efektyvumas

Šiluminis naudingumo koeficientas yra susijęs su plotu, kurį apriboja 4 ciklo būsenos. o tai reiškia, kad esant pastoviam šilumos įvedimui, kuo didesnis tinklo darbas, tuo didesnis efektyvumas ciklas. Tinklo darbas (w_neto) yra turbinos sukuriamo darbo skirtumas (w_išeiti) atėmus siurblio atliktą darbą (w_įėjimas). Kita vertus, ciklo efektyvumą galima padidinti ir sumažinant šilumos kiekį, kuris turi būti tiekiamas į katilą (q_įėjimas), o vienas iš būdų tai pasiekti – į ciklą įtraukti šildytuvus (atvirus arba uždarus), kurių pagrindinė funkcija yra pašildyti vandenį iš maitinimas (vanduo, kuris patenka į katilą) per garų ištraukimą iš turbinos; dėl to grandinė taptų regeneraciniu Rankine ciklu.

Paskutinėje lygtyje kintamasis h reiškia entalpiją kiekvienoje būsenoje, o vertės gaunamos iš darbinio skysčio garų lentelių pagal slėgio ir (arba) temperatūros sąlygas.

Rankine ciklo patobulinimai skirti padidinti plotą, atspindintį grynąjį ciklo darbą, arba sumažinti katilo tiekiamą šilumą.