Шта је Ранкинов циклус и како се дефинише?

Евелин Маитее Марин
Индустријски инжењер, магистар физике, и ЕдД

Идеалан термодинамички циклус снаге, чија је сврха да добије користан рад из извора топлоте. Његова ефикасност је ограничена еквивалентом Карноов циклус који ради између истих температурних опсега и који поштује други закон термодинамике. Његово име се односи на физичара, инжењера и педагога Вилијама Џона Макгуорна Ренкина (1820-1872), који је развио овај модел у свом родном месту, Шкотској.

Ренкинсов циклус је од великог значаја, јер се овај модел користи као основа за описивање термодинамичких циклуса многих електране, како из необновљивих извора, као што су термоелектране на угаљ, мазут или нуклеарна; а такође и термодинамички циклуси са обновљивим изворима, као што су соларне термоелектране или геотермалне електране.

На слици је термоелектрана. У већини ових постројења уграђене су компоненте као што су регенератори, чија је сврха повећање ефикасности циклуса и побољшање његових перформанси.

Основне компоненте Ренкиновог циклуса

Иако Ренкин циклус може да укључи различита побољшања и компоненте, чија је сврха повећање ефикасности циклуса; Постоје четири основна уређаја која су потребна за завршетак кола. Су:

• Пумпа: то је компонента задужена за повећање притиска флуида за пренос топлоте од притиска минимални (радни притисак кондензатора), до максималног притиска (радни притисак кондензатора). котао). Пумпе могу да раде само са супстанцама у течном стању, а не са смешама, а под идеалним разматрањима, процес Компресија се врши изентропски, иако у стварности увек долази до повећања ентропије током компресије. компресија.

• Кондензатор: то је систем задужен за размену топлоте са резервоаром на ниском нивоу температура (могу бити реке, језера или други извори), како би се постигла фазна промена паре (или смеше) на излазу турбине, све док не дође у течно стање пре уласка у пумпу. Обично је то завојница или цеви кроз које течност циркулише унутра. ради, и преноси топлоту на флуид који се користи као расхладни медијум без стварног мешања са овим. У идеалном случају, кондензатор ради на константном притиску, иако се у пракси јављају благи падови притиска током процеса кондензације. кондензација.

• Котао (или његов еквивалент): ово је елемент или простор у коме се врши додавање топлоте систему, а овај извор топлоте може доћи из различитих извора (сагоревање гориво фосили, сагоревање биомасе, геотермалне наслаге, енергије соларна топлота или топлота настала током нуклеарне фисије). Течност под високим притиском мора да уђе у котао и он је задужен да га снабдева топлотом потребном да би се довео у стање паре (или прегрејане паре) пре него што се прошири у турбини. У идеалном случају, котлови раде на константном притиску, иако у пракси долази до пада притиска током процеса додавања топлоте.

• Парна турбина: у термодинамичким циклусима, турбине испуњавају инверзну функцију пумпе, односно њихов циљ је да прошире пару на излазу из котла како би је довели до притиска минор. Током процеса експанзије, утицај честица паре на лопатице турбине доводи до ротације осовине ротора. механичка енергија, који се, пак, може трансформисати у електрична енергија када је спојен са генератором. У идеалним условима, процес експанзије у турбини се одвија изентропски, али се због неповратности повећава у енталпија.

Елементарни Ренкин циклус

Овај циклус, у својој основној верзији, састоји се од четири процеса: два изобарична и два изентропска, као што је приказано на слици. шема. Подручје затворено унутар граница 4 државе представља мрежу циклуса (в_нет), што је директно повезано са топлотном ефикасношћу циклуса.

Идеалан процес који следи радни флуид (може бити вода или друга супстанца) је следећи:

Супстанца у течном стању улази у пумпу где се компресује на притисак котла (стање 2). У котлу се течност загрева и мења фазу, прелазећи из течности у смешу, а затим у пару. Ако се топлота настави да се додаје изнад стања засићене паре, супстанца постаје прегрејана пара, повећавајући своју температуру (стање 3). Затим пара улази у турбину да се шири док не достигне минимални притисак (стање 4) и улази у кондензатор где ће изгубити топлоту да би прешао из стања паре (или смеше) у течност (стање 4) довршавајући коло.

Ефикасност Ранкиновог циклуса

Топлотна ефикасност је повезана са подручјем окруженим регионом који је ограничен са 4 стања циклуса, која што значи да за константан унос топлоте, што је већи нето рад, то је већа ефикасност циклус. Мрежни рад (в_нет) је разлика рада који генерише турбина (в_излаз) минус рад пумпе (в_улаз). С друге стране, ефикасност циклуса се такође може повећати смањењем количине топлоте која мора да се доведе у котао (к_улаз), а један од начина да се то постигне је уграђивање грејача (отворених или затворених) у циклус, чија је главна функција да претходно загревају воду из храњење (вода која улази у котао) извлачењем паре из турбине; ово би коло учинило регенеративним Ренкиновим циклусом.

У последњој једначини, променљива х представља енталпију у сваком стању, а вредности се добијају из табела паре радног флуида из услова притиска и/или температуре.

Побољшања у Ранкинеовом циклусу имају за циљ да повећају површину која представља нето рад циклуса или да смање топлоту коју испоручује котао.