Hva er Rankine-syklusen, og hvordan defineres den?

Evelyn Maitee Marin
Industriingeniør, MSc i fysikk og EdD

Ideell termodynamisk kraftsyklus, hvis formål er å oppnå nyttig arbeid fra en varmekilde. Dens effektivitet er begrenset av tilsvarende Carnot syklus som opererer mellom de samme temperaturområdene og som følger termodynamikkens andre lov. Navnet refererer til fysikeren, ingeniøren og læreren William John Macguorn Rankine (1820-1872), som utviklet denne modellen i sitt fødested, Skottland.

Rankines-syklusen er av stor betydning, siden denne modellen brukes som grunnlag for å beskrive de termodynamiske syklusene til mange kraftverk, både fra ikke-fornybare kilder, som kullfyrte termoelektriske anlegg, fyringsolje eller kjernefysiske; og også termodynamiske sykluser med fornybare kilder, for eksempel solvarmekraftverk eller geotermiske kraftverk.

Bildet viser en termisk kraftstasjon. I de fleste av disse anleggene er komponenter som regeneratorer inkorporert, hvis formål er å øke effektiviteten til syklusen og forbedre ytelsen.

Grunnleggende komponenter i Rankine-syklusen

Selv om Rankine-syklusen kan inkludere ulike forbedringer og komponenter, hvis formål er å øke effektiviteten til syklusen; Det er fire grunnleggende enheter som kreves for å fullføre kretsen. Disse er:

• Pumpen: det er komponenten som har ansvaret for å øke trykket på varmeoverføringsvæsken fra trykket minimum (driftstrykket til kondensatoren), opp til det maksimale trykket (driftstrykket til kjele). Pumpene kan kun arbeide med stoffer i flytende tilstand og ikke med blandinger, og under ideelle hensyn, prosessen med Kompresjon utføres isentropisk, selv om det i realiteten alltid er en økning i entropi under kompresjon. kompresjon.

• Kondensatoren: det er systemet som har ansvaret for å utveksle varme med et reservoar på lavt nivå temperatur (de kan være elver, innsjøer eller andre kilder), for å oppnå en faseendring av dampen (eller blandingen) ved turbinutløpet, til den når flytende tilstand før den kommer inn i pumpen. Vanligvis er det en spole eller rør som væsken sirkulerer gjennom internt. arbeid, og overfører varme til væsken som brukes som kjølemedium uten faktisk å blande seg med dette. Ideelt sett opererer kondensatoren ved konstant trykk, selv om det i praksis oppstår små trykkfall under kondenseringsprosessen. kondensasjon.

• Kjelen (eller tilsvarende): dette er elementet eller rommet hvor tilførselen av varme til systemet finner sted, og denne varmekilden kan komme fra ulike kilder (brenning av en brensel fossil, biomassebrenning, geotermiske forekomster, energi solvarme, eller varmen som genereres under kjernefysisk fisjon). Høytrykksvæsken må inn i kjelen og denne har ansvaret for å forsyne den med nødvendig varme for å bringe den til en tilstand av damp (eller overopphetet damp) før den utvides i turbinen. Ideelt sett opererer kjeler ved konstant trykk, selv om det i praksis oppstår trykkfall under varmetilsetningsprosessen.

• Dampturbinen: i termodynamiske sykluser oppfyller turbinene den omvendte funksjonen til pumper, det vil si at deres mål er å utvide dampen ved kjelens utløp for å bringe den til et trykk liten. Under ekspansjonsprosessen får damppartiklenes påvirkning på turbinbladene til at rotorakselen roterer og produserer mekanisk energi, som igjen kan forvandles til elektrisk energi når den er koblet til en generator. Under ideelle forhold utføres ekspansjonsprosessen i turbinen isentropisk, men på grunn av irreversibiliteter øker entalpi.

Den elementære Rankine-syklusen

Denne syklusen, i sin elementære versjon, består av fire prosesser: to isobariske og to isentropiske, som vist på figuren. ordningen. Området innelukket innenfor grensene til de 4 statene representerer syklusens nettverk (w_nett), som er direkte relatert til den termiske effektiviteten til syklusen.

Den ideelle prosessen etterfulgt av arbeidsvæsken (det kan være vann eller et annet stoff) er følgende:

Stoffet i flytende tilstand kommer inn i pumpen hvor det komprimeres til trykket i kjelen (tilstand 2). I kjelen varmes væsken opp og skifter fase, går fra en væske til en blanding og deretter til en damp. Hvis varme fortsetter å tilføres utover den mettede damptilstanden, blir stoffet en overopphetet damp som øker temperaturen (tilstand 3). Deretter går dampen inn i turbinen for å utvide seg til den når minimumstrykket (tilstand 4) og går inn i kondensator hvor den vil miste varme for å gå fra tilstanden av damp (eller blanding) til væske (tilstand 4) som fullfører kretsen.

Rankine syklus effektivitet

Den termiske effektiviteten er relatert til området som er omsluttet av regionen avgrenset av de 4 tilstandene i syklusen, som som betyr at for konstant varmetilførsel, jo større nettoarbeid, jo større er effektiviteten til syklus. Nettverket (w_nett) er forskjellen på arbeidet som genereres av turbinen (w_exit) minus arbeidet utført av pumpen (w_inngang). På den annen side kan syklusens effektivitet også økes ved å redusere mengden varme som må tilføres kjelen (q_inngang), og en av måtene å oppnå dette på er ved å inkludere varmeovner (åpne eller lukkede) i syklusen, hvis hovedfunksjon er å forvarme vannet fra fôring (vann som kommer inn i kjelen) gjennom damputtak fra turbinen; dette ville gjøre kretsen til en regenerativ Rankine-syklus.

I den siste ligningen representerer variabelen h entalpien i hver tilstand, og verdiene er hentet fra damptabeller for arbeidsfluidet fra trykk- og/eller temperaturforhold.

Forbedringer i Rankine-syklusen er ment å øke arealet som representerer syklusens nettverk eller å redusere varmen som leveres av kjelen.