Kas ir Rankine cikls un kā tas tiek definēts?

Evelīna Maitī Marina
Rūpniecības inženieris, fizikas maģistrs un EdD

Ideāls termodinamiskais jaudas cikls, kura mērķis ir iegūt noderīgu darbu no siltuma avota. Tās efektivitāti ierobežo ekvivalents Carnot cikls kas darbojas starp tiem pašiem temperatūras diapazoniem un atbilst otrajam termodinamikas likumam. Tās nosaukums attiecas uz fiziķi, inženieri un pedagogu Viljamu Džonu Makgurnu Rankinu ​​(1820-1872), kurš izstrādāja šo modeli savā dzimšanas vietā Skotijā.

Rankinesa ciklam ir liela nozīme, jo šis modelis tiek izmantots kā pamats, lai aprakstītu daudzu termodinamiskos ciklus spēkstacijas, gan no neatjaunojamiem avotiem, piemēram, ar oglēm kurināmas termoelektrostacijas, mazuta vai kodolenerģijas; un arī termodinamiskie cikli ar atjaunojamiem avotiem, piemēram, saules termoelektrostacijām vai ģeotermālajām elektrostacijām.

Attēlā redzama termoelektrostacija. Lielākajā daļā šo iekārtu ir iestrādāti tādi komponenti kā reģeneratori, kuru mērķis ir palielināt cikla efektivitāti un uzlabot tā veiktspēju.

Rankine cikla pamatkomponenti

Lai gan Rankine ciklā var iestrādāt dažādus uzlabojumus un sastāvdaļas, kuru mērķis ir palielināt cikla efektivitāti; Lai pabeigtu ķēdi, ir nepieciešamas četras pamata ierīces. Šie ir:

• Sūknis: tā ir sastāvdaļa, kas ir atbildīga par siltuma pārneses šķidruma spiediena palielināšanu no spiediena minimālais (kondensatora darba spiediens), līdz maksimālajam spiedienam (darba spiediens katls). Sūkņi var darboties tikai ar vielām šķidrā stāvoklī, nevis ar maisījumiem, un ideālos apsvērumos šis process Saspiešana tiek veikta izentropiski, lai gan patiesībā kompresijas laikā vienmēr palielinās entropija. saspiešana.

• Kondensators: tā ir sistēma, kas ir atbildīga par siltuma apmaiņu ar rezervuāru zemā temperatūrā temperatūra (tie var būt upes, ezeri vai citi avoti), lai panāktu tvaika (vai maisījuma) fāzes maiņu turbīnas izejā, līdz tas sasniedz šķidru stāvokli pirms ievadīšanas sūknī. Parasti tā ir spole vai caurules, caur kurām šķidrums cirkulē iekšēji. strādā un nodod siltumu šķidrumam, ko izmanto kā dzesēšanas līdzekli, faktiski nesajaucoties ar šo. Ideālā gadījumā kondensators darbojas ar nemainīgu spiedienu, lai gan praksē kondensācijas procesā notiek nelieli spiediena kritumi. kondensāts.

• Katls (vai tā ekvivalents): tas ir elements vai telpa, kurā sistēmai tiek pievienots siltums, un šis siltuma avots var nākt no dažādiem avotiem ( degviela fosilās, biomasas dedzināšana, ģeotermālās atradnes, enerģiju saules siltumenerģija jeb siltums, kas rodas kodola skaldīšanas laikā). Augstspiediena šķidrumam jāievada katlā, un tas ir atbildīgs par tā apgādi ar nepieciešamo siltumu, lai tas nonāktu tvaika (vai pārkarsēta tvaika) stāvoklī pirms izplešanās turbīnā. Ideālā gadījumā katli darbojas ar pastāvīgu spiedienu, lai gan praksē siltuma pievienošanas procesā rodas spiediena kritumi.

• Tvaika turbīna: termodinamiskajos ciklos turbīnas pilda apgriezto funkciju sūkņi, tas ir, to mērķis ir paplašināt tvaiku pie katla izejas, lai panāktu spiedienu nepilngadīgais. Izplešanās procesa laikā tvaika daļiņu ietekme uz turbīnas lāpstiņām liek rotora vārpstai griezties, radot mehāniskā enerģija, ko, savukārt, var pārveidot par Elektroenerģija kad tas ir savienots ar ģeneratoru. Ideālos apstākļos izplešanās process turbīnā notiek izentropiski, bet neatgriezeniskuma dēļ palielinās entalpija.

Elementārais Rankine cikls

Šis cikls tā elementārajā versijā sastāv no četriem procesiem: diviem izobāriskiem un diviem izobariskiem, kā parādīts attēlā. shēma. Apgabals, kas atrodas 4 stāvokļu robežās, atspoguļo cikla neto darbu (w_tīkls), kas ir tieši saistīts ar cikla termisko efektivitāti.

Ideāls process, kam seko darba šķidrums (tas var būt ūdens vai cita viela), ir šāds:

Viela šķidrā stāvoklī nonāk sūknī, kur tā tiek saspiesta līdz katla spiedienam (2. stāvoklis). Katlā šķidrums tiek uzkarsēts un mainās fāze, no šķidruma pārejot uz maisījumu un pēc tam uz tvaiku. Ja siltums turpina pievienoties, pārsniedzot piesātināto tvaiku stāvokli, viela kļūst par pārkarsētu tvaiku, palielinot tās temperatūru (3. stāvoklis). Pēc tam tvaiks nonāk turbīnā, lai izplestos, līdz sasniedz minimālo spiedienu (stāvoklis 4), un nonāk turbīnā. kondensators, kur tas zaudēs siltumu, pārejot no tvaika (vai maisījuma) stāvokļa uz šķidrumu (stāvoklis 4), pabeidzot ķēdi.

Rankine cikla efektivitāte

Siltuma efektivitāte ir saistīta ar apgabalu, ko ieskauj reģions, ko norobežo 4 cikla stāvokļi, kas kas nozīmē, ka pastāvīgai siltuma padevei, jo lielāks ir neto darbs, jo lielāka ir iekārtas efektivitāte cikls. Tīkla darbs (w_tīkls) ir turbīnas radītā darba starpība (w_Izeja) atskaitot sūkņa paveikto darbu (w_ieeja). No otras puses, cikla efektivitāti var palielināt arī samazinot siltuma daudzumu, kas jāpavada katlā (q_ieeja), un viens no veidiem, kā to panākt, ir sildītāju (atvērtu vai slēgtu) iekļaušana ciklā, kuru galvenā funkcija ir iepriekš uzsildīt ūdeni no barošana (ūdens, kas nonāk katlā) caur tvaika nosūkšanu no turbīnas; tas padarītu ķēdi par reģeneratīvu Rankine ciklu.

Pēdējā vienādojumā mainīgais h apzīmē entalpiju katrā stāvoklī, un vērtības tiek iegūtas no darba šķidruma tvaika tabulām no spiediena un/vai temperatūras apstākļiem.

Rankine cikla uzlabojumi ir paredzēti, lai palielinātu apgabalu, kas atspoguļo cikla neto darbu, vai samazinātu apkures katla piegādāto siltumu.