Čo je Rankinov cyklus a ako je definovaný?

Evelyn Maitee Marin
Priemyselný inžinier, MSc z fyziky a EdD

Ideálny termodynamický energetický cyklus, ktorého účelom je získať užitočnú prácu zo zdroja tepla. Jeho účinnosť je obmedzená ekvivalentom Carnotov cyklus ktorý funguje v rovnakých teplotných rozsahoch a ktorý sa riadi druhým zákonom termodynamiky. Jeho názov odkazuje na fyzika, inžiniera a pedagóga Williama Johna Macguorna Rankina (1820-1872), ktorý tento model vyvinul vo svojom rodisku, v Škótsku.

Rankinov cyklus je veľmi dôležitý, pretože tento model sa používa ako základ na opis termodynamických cyklov mnohých elektrárňach, jednak z neobnoviteľných zdrojov, ako sú uhoľné termoelektrárne, vykurovací olej resp jadrové; a tiež termodynamické cykly s obnoviteľnými zdrojmi, ako sú solárne tepelné elektrárne alebo geotermálne elektrárne.

Na obrázku je tepelná elektráreň. Vo väčšine týchto zariadení sú zakomponované komponenty ako regenerátory, ktorých účelom je zvýšiť efektivitu cyklu a zlepšiť jeho výkon.

Základné zložky Rankinovho cyklu

Hoci Rankinov cyklus môže obsahovať rôzne vylepšenia a komponenty, ktorých účelom je zvýšiť efektivitu cyklu; Na dokončenie okruhu sú potrebné štyri základné zariadenia. Toto sú:

• Čerpadlo: je to komponent zodpovedný za zvýšenie tlaku teplonosnej kvapaliny z tlaku minimálny (prevádzkový tlak kondenzátora), až po maximálny tlak (prevádzkový tlak kondenzátora). kotol). Čerpadlá môžu pracovať iba s látkami v kvapalnom stave a nie so zmesami a za ideálnych podmienok proces Kompresia sa vykonáva izoentropicky, aj keď v skutočnosti vždy počas kompresie dochádza k zvýšeniu entropie. kompresia.

• Kondenzátor: je to systém zodpovedný za výmenu tepla so zásobníkom pri nízkej teplote teplota (môžu to byť rieky, jazerá alebo iné zdroje), aby sa dosiahla fázová zmena pary (alebo zmesi) na výstupe z turbíny, kým nedosiahne kvapalný stav pred vstupom do čerpadla. Zvyčajne ide o cievku alebo potrubie, cez ktoré tekutina cirkuluje vo vnútri. pracuje a prenáša teplo do tekutiny používanej ako chladiace médium bez toho, aby sa skutočne miešalo s tým. V ideálnom prípade kondenzátor pracuje pri konštantnom tlaku, aj keď v praxi dochádza počas procesu kondenzácie k miernym poklesom tlaku. kondenzácii.

• Kotol (alebo jeho ekvivalent): je to prvok alebo priestor, kde dochádza k privádzaniu tepla do systému, pričom tento zdroj tepla môže pochádzať z rôznych zdrojov (spaľovanie palivo fosílie, spaľovanie biomasy, geotermálne ložiská, energie slnečná tepelná energia alebo teplo vznikajúce pri štiepení jadra). Vysokotlaková kvapalina musí vstúpiť do kotla a ten má na starosti dodať mu potrebné teplo, aby sa dostal do stavu pary (alebo prehriatej pary) pred expanziou v turbíne. V ideálnom prípade kotly pracujú pri konštantnom tlaku, hoci v praxi dochádza k poklesu tlaku počas procesu pridávania tepla.

• Parná turbína: v termodynamických cykloch plnia turbíny inverznú funkciu čerpadlá, to znamená, že ich cieľom je expandovať paru na výstupe z kotla, aby sa dostala na tlak maloletý. Počas procesu expanzie spôsobuje náraz častíc pary na lopatky turbíny rotáciu hriadeľa rotora mechanická energia, ktorý sa naopak môže premeniť na elektrická energia pri spojení s generátorom. Za ideálnych podmienok sa expanzný proces v turbíne uskutočňuje izoentropicky, ale v dôsledku nevratnosti sa zvyšuje entalpia.

Základný Rankinov cyklus

Tento cyklus sa vo svojej elementárnej verzii skladá zo štyroch procesov: dvoch izobarických a dvoch izoentropických, ako je znázornené na obrázku. schémy. Oblasť ohraničená hranicami 4 štátov predstavuje čistú prácu cyklu (w_net), čo priamo súvisí s tepelnou účinnosťou cyklu.

Ideálny proces, po ktorom nasleduje pracovná tekutina (môže to byť voda alebo iná látka), je nasledujúci:

Látka v kvapalnom stave vstupuje do čerpadla, kde je stlačená na tlak kotla (stav 2). V kotli sa kvapalina zahrieva a mení fázu, pričom prechádza z kvapaliny na zmes a potom na paru. Ak teplo pokračuje v pridávaní nad rámec stavu nasýtenej pary, látka sa stáva prehriatou parou, čím sa zvyšuje jej teplota (stav 3). Potom para vstupuje do turbíny, aby expandovala, kým nedosiahne minimálny tlak (stav 4) a vstupuje do kondenzátor, kde stratí teplo pri prechode zo stavu pary (alebo zmesi) do kvapaliny (stav 4), čím sa okruh dokončí.

Účinnosť Rankinovho cyklu

Tepelná účinnosť súvisí s oblasťou ohraničenou oblasťou vymedzenou 4 stavmi cyklu, ktoré čo znamená, že pri konštantnom príjme tepla platí, že čím väčšia je čistá práca, tým väčšia je účinnosť cyklu. Sieť (w_net) je rozdiel práce generovanej turbínou (w_VÝCHOD) mínus práca vykonaná čerpadlom (w_vchod). Na druhej strane, účinnosť cyklu možno zvýšiť aj znížením množstva tepla, ktoré je potrebné dodať do kotla (q_vchod), a jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, je začlenenie ohrievačov (otvorených alebo uzavretých) do cyklu, ktorých hlavnou funkciou je predhrievanie vody z kŕmenie (voda, ktorá vstupuje do kotla) prostredníctvom odsávania pary z turbíny; toto by urobilo z okruhu regeneračný Rankinov cyklus.

V poslednej rovnici premenná h ​​predstavuje entalpiu v každom stave a hodnoty sú získané z parných tabuliek pracovnej tekutiny z tlakových a/alebo teplotných podmienok.

Vylepšenia Rankinovho cyklu majú za cieľ zväčšiť plochu, ktorá predstavuje čistú prácu cyklu alebo znížiť teplo dodávané kotlom.