Kaj je Rankinov cikel in kako je definiran?

Evelyn Maitee Marin
Industrijski inženir, magister fizike in EdD

Idealen termodinamični cikel moči, katerega namen je pridobivanje koristnega dela iz vira toplote. Njegova učinkovitost je omejena z ekvivalentom Carnotov cikel ki deluje med istimi temperaturnimi območji in upošteva drugi zakon termodinamike. Njegovo ime se nanaša na fizika, inženirja in pedagoga Williama Johna Macguorna Rankinea (1820-1872), ki je ta model razvil v svojem rojstnem kraju, na Škotskem.

Rankinov cikel je zelo pomemben, saj se ta model uporablja kot osnova za opis termodinamičnih ciklov številnih elektrarne, tako iz neobnovljivih virov, kot so termoelektrarne na premog, kurilno olje oz. jedrska; ter tudi termodinamične cikle z obnovljivimi viri, kot so sončne termoelektrarne ali geotermalne elektrarne.

Slika prikazuje termoelektrarno. V večini teh naprav so vgrajene komponente, kot so regeneratorji, katerih namen je povečati učinkovitost cikla in izboljšati njegovo delovanje.

Osnovne komponente Rankinovega cikla

Čeprav Rankinov cikel lahko vključuje različne izboljšave in komponente, katerih namen je povečati učinkovitost cikla; Obstajajo štiri osnovne naprave, ki so potrebne za dokončanje vezja. To so:

• Črpalka: je komponenta, ki je odgovorna za povečanje tlaka tekočine za prenos toplote od tlaka minimalni (delovni tlak kondenzatorja), do maksimalni tlak (delovni tlak kondenzatorja). kotel). Črpalke lahko delujejo samo s snovmi v tekočem stanju in ne z mešanicami, pri čemer je v idealnih okoliščinah proces Stiskanje poteka izentropsko, čeprav v resnici med stiskanjem vedno pride do povečanja entropije. stiskanje.

• Kondenzator: je sistem, ki je zadolžen za izmenjavo toplote z rezervoarjem pri nizki temperaturi temperaturo (lahko so reke, jezera ali drugi viri), da dosežemo fazno spremembo pare (ali zmesi) na izhodu iz turbine, dokler ne doseže tekočega stanja pred vstopom v črpalko. Običajno gre za tuljavo ali cevi, skozi katere tekočina kroži znotraj. delo in prenaša toploto na tekočino, ki se uporablja kot hladilni medij, ne da bi se dejansko mešala s tem. V idealnem primeru kondenzator deluje pri konstantnem tlaku, čeprav v praksi med procesom kondenzacije prihaja do rahlih padcev tlaka. kondenzacija.

• Kotel (ali njegov ekvivalent): to je element ali prostor, kjer se dodaja toplota sistemu, ta vir toplote pa lahko prihaja iz različnih virov (kurjenje goriva fosil, kurjenje biomase, geotermalna nahajališča, energija sončna toplota ali toplota, ki nastane med jedrsko fisijo). Visokotlačna tekočina mora priti v kotel in ta je zadolžen, da mu dovaja potrebno toploto, da ga pripelje v stanje pare (ali pregrete pare), preden se razširi v turbini. Idealno je, če kotli delujejo pri konstantnem tlaku, čeprav v praksi pride do padcev tlaka med procesom dodajanja toplote.

• Parna turbina: v termodinamičnih ciklih turbine izpolnjujejo obratno funkcijo črpalke, to pomeni, da je njihov cilj razširiti paro na izhodu iz kotla, da se doseže tlak manjše. Med postopkom raztezanja udarec delcev pare na lopatice turbine povzroči vrtenje gredi rotorja, ki proizvaja mehanska energija, ki se posledično lahko spremeni v električna energija ko je povezan z generatorjem. V idealnih pogojih se ekspanzijski proces v turbini izvaja izentropsko, vendar se zaradi ireverzibilnosti poveča entalpija.

Elementarni Rankinov cikel

Ta cikel je v svoji osnovni različici sestavljen iz štirih procesov: dveh izobaričnih in dveh izentropskih, kot je prikazano na sliki. shema. Območje, omejeno z mejami 4 držav, predstavlja mrežo cikla (w_mreža), kar je neposredno povezano s toplotno učinkovitostjo cikla.

Idealen proces, ki mu sledi delovna tekočina (lahko je voda ali druga snov) je naslednji:

Snov v tekočem stanju pride v črpalko, kjer se stisne na tlak kotla (stanje 2). V kotlu se tekočina segreva in spreminja fazo, prehaja iz tekočine v zmes in nato v paro. Če se toplota še naprej dodaja preko stanja nasičene pare, snov postane pregreta para, s čimer se poveča njena temperatura (stanje 3). Nato para vstopi v turbino, da se razširi, dokler ne doseže minimalnega tlaka (stanje 4) in vstopi v kondenzator, kjer bo izgubil toploto, da preide iz stanja pare (ali zmesi) v tekočino (stanje 4), s čimer se zaključi krogotok.

Učinkovitost Rankinovega cikla

Toplotna učinkovitost je povezana z območjem, ki ga obdaja območje, razmejeno s 4 stanji cikla, ki kar pomeni, da pri stalnem vnosu toplote večja kot je neto delo, večja je učinkovitost cikel. Mrežno delo (w_mreža) je razlika dela, ki ga ustvari turbina (w_izhod) minus delo, ki ga opravi črpalka (w_vhod). Po drugi strani pa se lahko učinkovitost cikla poveča tudi z zmanjšanjem količine toplote, ki jo je treba dovajati kotlu (q_vhod), eden od načinov za dosego tega pa je vgradnja grelnikov (odprtih ali zaprtih) v cikel, katerih glavna funkcija je predgretje vode iz hranjenje (voda, ki vstopa v kotel) preko odvzema pare iz turbine; to bi vezje naredilo regenerativni Rankinov cikel.

V zadnji enačbi spremenljivka h predstavlja entalpijo v vsakem stanju, vrednosti pa so pridobljene iz tabel pare delovne tekočine iz pogojev tlaka in/ali temperature.

Izboljšave Rankinovega cikla so namenjene povečanju površine, ki predstavlja neto delo cikla, ali zmanjšanju toplote, ki jo dovaja kotel.