Ce este ciclul Rankine și cum este definit?

Evelyn Maitee Marin
Inginer industrial, MSc în fizică și EdD

Ciclu de putere termodinamic ideal, al cărui scop este obținerea de muncă utilă dintr-o sursă de căldură. Eficiența sa este limitată de echivalent Ciclul Carnot care operează între aceleași intervale de temperatură și care se supune celei de-a doua legi a termodinamicii. Numele său se referă la fizicianul, inginerul și educatorul William John Macguorn Rankine (1820-1872), care a dezvoltat acest model în locul său natal, Scoția.

Ciclul Rankines este de mare importanță, deoarece acest model este folosit ca bază pentru a descrie ciclurile termodinamice ale multor centrale electrice, ambele din surse neregenerabile, cum ar fi centrale termoelectrice pe cărbune, păcură sau nuclear; și, de asemenea, cicluri termodinamice cu surse regenerabile, cum ar fi centralele solare termice sau centralele geotermale.

Imaginea prezintă o centrală termică. În majoritatea acestor instalații sunt încorporate componente precum regeneratoare, al căror scop este creșterea eficienței ciclului și îmbunătățirea performanței acestuia.

Componentele de bază ale ciclului Rankine

Deși ciclul Rankine poate încorpora diverse îmbunătățiri și componente, al căror scop este creșterea eficienței ciclului; Există patru dispozitive de bază care sunt necesare pentru a finaliza circuitul. Acestea sunt:

• Pompa: este componenta însărcinată cu creșterea presiunii fluidului calofer din presiune minimă (presiunea de funcționare a condensatorului), până la presiunea maximă (presiunea de funcționare a cazan). Pompele pot funcționa numai cu substanțe în stare lichidă și nu cu amestecuri, iar în condiții ideale, procesul de Compresia se realizează izoentropic, deși în realitate există întotdeauna o creștere a entropiei în timpul compresiei. comprimare.

• Condensatorul: este sistemul responsabil cu schimbul de căldură cu un rezervor la nivel scăzut temperatura (pot fi râuri, lacuri sau alte surse), pentru a realiza o schimbare de fază a aburului (sau amestecului) la ieșirea turbinei, până când acesta ajunge în stare lichidă înainte de intrarea în pompă. De obicei este o bobină sau țevi prin care fluidul circulă în interior. funcționează și transferă căldura fluidului folosit ca mediu de răcire fără a se amesteca efectiv cu asta. În mod ideal, condensatorul funcționează la presiune constantă, deși în practică apar scăderi ușoare de presiune în timpul procesului de condensare. condensare.

• Cazanul (sau echivalentul acestuia): acesta este elementul sau spațiul în care are loc adăugarea de căldură în sistem, iar această sursă de căldură poate proveni din diverse surse (arderea unui combustibil fosile, arderea biomasei, depozite geotermale, energie solar termic sau căldura generată în timpul fisiunii nucleare). Fluidul de înaltă presiune trebuie să intre în cazan și acesta se ocupă de a-i furniza căldura necesară pentru a-l aduce în stare de abur (sau abur supraîncălzit) înainte de a fi dilatat în turbină. În mod ideal, cazanele funcționează la presiune constantă, deși în practică apar scăderi de presiune în timpul procesului de adăugare de căldură.

• Turbina cu abur: în ciclurile termodinamice, turbinele îndeplinesc funcția inversă a pompe, adică obiectivul lor este să extindă aburul la ieșirea cazanului pentru a-l aduce la presiune minor. În timpul procesului de expansiune, impactul particulelor de abur asupra palelor turbinei face ca arborele rotorului să se rotească producând energie mecanică, care, la rândul său, se poate transforma în energie electrică atunci când este cuplat cu un generator. În condiții ideale, procesul de expansiune în turbină se desfășoară isentropic, dar din cauza ireversibilităților crește în entalpie.

Ciclul Rankine elementar

Acest ciclu, în versiunea sa elementară, este format din patru procese: două izobare și două izoentropice, așa cum se arată în figură. sistem. Zona cuprinsă în limitele celor 4 state reprezintă munca netă a ciclului (w_net), care este direct legat de randamentul termic al ciclului.

Procesul ideal urmat de fluidul de lucru (poate fi apă sau altă substanță) este următorul:

Substanța în stare lichidă intră în pompă unde este comprimată la presiunea cazanului (starea 2). În cazan, lichidul este încălzit și își schimbă faza, trecând de la lichid la amestec și apoi la vapori. Dacă căldura continuă să fie adăugată dincolo de starea de vapori saturati, substanța devine un vapor supraîncălzit, crescându-și temperatura (starea 3). Apoi, aburul intră în turbină pentru a se extinde până când atinge presiunea minimă (starea 4) și intră în condensator unde va pierde căldură pentru a trece de la starea de vapori (sau amestec) la lichid (starea 4) completând circuitul.

Eficiența ciclului Rankine

Eficiența termică este legată de aria cuprinsă de regiunea delimitată de cele 4 stări ale ciclului, care ceea ce înseamnă că, pentru aport constant de căldură, cu cât este mai mare lucrul net, cu atât este mai mare eficiența ciclu. Rețeaua (w_net) este diferența de lucru generată de turbină (w_Ieșire) minus munca efectuata de pompa (w_Intrare). Pe de altă parte, eficiența ciclului poate fi crescută și prin reducerea cantității de căldură care trebuie furnizată cazanului (q_Intrare), iar una dintre modalitățile de a realiza acest lucru este prin încorporarea încălzitoarelor (deschise sau închise) în ciclu, a căror funcție principală este de a preîncălzi apa din hrănire (apa care intră în cazan) prin extrageri de abur din turbină; acest lucru ar face din circuit un ciclu Rankine regenerativ.

În ultima ecuație, variabila h reprezintă entalpia în fiecare stare, iar valorile sunt obținute din tabelele de abur ale fluidului de lucru din condiții de presiune și/sau temperatură.

Îmbunătățirile ciclului Rankine sunt menite să mărească suprafața care reprezintă munca netă a ciclului sau să reducă căldura furnizată de centrală.