Co to jest cykl Rankine'a i jak jest zdefiniowany?

Evelyn Maitee Marin
Inżynier przemysłowy, magister fizyki i EdD

Idealny termodynamiczny obieg mocy, którego celem jest uzyskanie użytecznej pracy ze źródła ciepła. Jego wydajność jest ograniczona przez odpowiednik Cykl Carnota który działa w tych samych zakresach temperatur i jest zgodny z drugą zasadą termodynamiki. Jego nazwa nawiązuje do fizyka, inżyniera i pedagoga Williama Johna Macguorna Rankine'a (1820-1872), który opracował ten model w swoim miejscu urodzenia w Szkocji.

Cykl Rankinesa ma ogromne znaczenie, ponieważ model ten jest używany jako podstawa do opisu cykli termodynamicznych wielu elektrownie, zarówno ze źródeł nieodnawialnych, jak np. elektrownie węglowe, termoelektryczne, olejowe czy opałowe jądrowy; a także cykle termodynamiczne ze źródłami odnawialnymi, takimi jak elektrownie słoneczne lub elektrownie geotermalne.

Na zdjęciu elektrownia cieplna. W większości tych instalacji wbudowane są komponenty takie jak regeneratory, których celem jest zwiększenie wydajności cyklu i poprawa jego wydajności.

Podstawowe składowe cyklu Rankine'a

Chociaż cykl Rankine'a może zawierać różne ulepszenia i komponenty, których celem jest zwiększenie wydajności cyklu; Istnieją cztery podstawowe urządzenia, które są wymagane do ukończenia obwodu. To są:

• Pompa: jest elementem odpowiedzialnym za zwiększanie ciśnienia płynu niezamarzającego z ciśnienia minimalne (ciśnienie robocze skraplacza), aż do maksymalnego ciśnienia (ciśnienie robocze skraplacza). bojler). Pompy mogą pracować tylko z substancjami w stanie ciekłym, a nie z mieszaninami, i przy idealnych warunkach procesu Kompresja jest wykonywana izentropowo, chociaż w rzeczywistości podczas kompresji zawsze następuje wzrost entropii. kompresja.

• Skraplacz: jest to system odpowiedzialny za wymianę ciepła ze zbiornikiem na niskim poziomie temperatura (mogą to być rzeki, jeziora lub inne źródła), w celu uzyskania przemiany fazowej pary (lub mieszaniny) na wylocie z turbiny, aż do osiągnięcia stanu ciekłego przed wejściem do pompy. Zwykle jest to cewka lub rury, przez które płyn krąży wewnętrznie. pracować i przenosi ciepło do płynu używanego jako czynnik chłodzący bez faktycznego mieszania z tym. W idealnym przypadku skraplacz pracuje przy stałym ciśnieniu, chociaż w praktyce podczas procesu skraplania występują niewielkie spadki ciśnienia. kondensacja.

• Kocioł (lub jego odpowiednik): jest to element lub przestrzeń, w której następuje dodawanie ciepła do systemu, a to źródło ciepła może pochodzić z różnych źródeł (spalanie paliwo kopalne, spalanie biomasy, złoża geotermalne, energia ciepło słoneczne lub ciepło wytwarzane podczas rozszczepienia jądrowego). Płyn pod wysokim ciśnieniem musi dostać się do kotła i jest odpowiedzialny za dostarczenie mu ciepła niezbędnego do doprowadzenia go do stanu pary (lub pary przegrzanej) przed rozprężeniem w turbinie. Idealnie kotły pracują przy stałym ciśnieniu, chociaż w praktyce podczas procesu dodawania ciepła występują spadki ciśnienia.

• Turbina parowa: w cyklach termodynamicznych turbiny spełniają odwrotną funkcję pompy, to znaczy ich celem jest rozprężenie pary na wylocie z kotła w celu doprowadzenia jej do ciśnienia drobny. Podczas procesu rozprężania oddziaływanie cząstek pary na łopatki turbiny powoduje obracanie się wału wirnika wytwarzającego energia mechaniczna, które z kolei można przekształcić energia elektryczna w połączeniu z generatorem. W idealnych warunkach proces rozprężania w turbinie przebiega izentropowo, ale ze względu na nieodwracalność wzrosty entalpia.

Elementarny cykl Rankine'a

Cykl ten w swojej elementarnej wersji składa się z czterech procesów: dwóch izobarycznych i dwóch izentropowych, jak pokazano na rysunku. schemat. Obszar zamknięty w granicach 4 stanów reprezentuje pracę netto cyklu (w_internet), co jest bezpośrednio związane ze sprawnością cieplną cyklu.

Idealny proces, po którym następuje płyn roboczy (może to być woda lub inna substancja) jest następujący:

Substancja w stanie ciekłym dostaje się do pompy, gdzie jest sprężana do ciśnienia kotła (stan 2). W kotle ciecz jest podgrzewana i zmienia fazę, przechodząc z cieczy w mieszaninę, a następnie w parę. Jeśli ciepło jest nadal dodawane poza stanem pary nasyconej, substancja staje się parą przegrzaną, zwiększając jej temperaturę (stan 3). Następnie para wchodzi do turbiny, aby się rozprężyć, aż do osiągnięcia minimalnego ciśnienia (stan 4) i wejść do skraplacz, w którym będzie tracić ciepło, aby przejść ze stanu pary (lub mieszaniny) do stanu ciekłego (stan 4), zamykając obwód.

Efektywność cyklu Rankine'a

Sprawność cieplna jest związana z obszarem ograniczonym przez obszar ograniczony przez 4 stany cyklu, które co oznacza, że ​​przy stałym dopływie ciepła, im większa praca netto, tym większa wydajność cykl. Praca w sieci (w_internet) to różnica pracy wykonanej przez turbinę (w_Wyjście) minus praca wykonana przez pompę (w_wejście). Z drugiej strony efektywność obiegu można również zwiększyć zmniejszając ilość ciepła, które musi być dostarczone do kotła (q_wejście), a jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest włączenie do obiegu grzałek (otwartych lub zamkniętych), których główną funkcją jest wstępne podgrzanie wody z karmienie (woda, która dostaje się do kotła) poprzez ekstrakcje pary z turbiny; to uczyniłoby obwód regeneracyjnym cyklem Rankine'a.

W ostatnim równaniu zmienna h reprezentuje entalpię w każdym stanie, a wartości uzyskuje się z tabel pary płynu roboczego z warunków ciśnieniowych i/lub temperaturowych.

Ulepszenia w cyklu Rankine'a mają na celu zwiększenie powierzchni reprezentującej pracę netto cyklu lub zmniejszenie ilości ciepła dostarczanego przez kocioł.