Vad är Rankine-cykeln och hur definieras den?

Evelyn Maitee Marin
Industriingenjör, MSc i fysik och EdD

Idealisk termodynamisk effektcykel, vars syfte är att få användbart arbete från en värmekälla. Dess effektivitet begränsas av motsvarande Carnot cykel som fungerar mellan samma temperaturområden och som följer termodynamikens andra lag. Dess namn syftar på fysikern, ingenjören och utbildaren William John Macguorn Rankine (1820-1872), som utvecklade denna modell i sin födelseort, Skottland.

Rankines-cykeln är av stor betydelse, eftersom denna modell används som grund för att beskriva de termodynamiska cyklerna för många kraftverk, både från icke förnybara källor, såsom koleldade termoelektriska anläggningar, eldningsolja eller kärn; och även termodynamiska cykler med förnybara källor, såsom solvärmekraftverk eller geotermiska kraftverk.

Bilden visar ett termiskt kraftverk. I de flesta av dessa anläggningar är komponenter som regeneratorer inbyggda, vars syfte är att öka effektiviteten i cykeln och förbättra dess prestanda.

Grundläggande komponenter i Rankine-cykeln

Även om Rankine-cykeln kan innehålla olika förbättringar och komponenter, vars syfte är att öka effektiviteten i cykeln; Det finns fyra grundläggande enheter som krävs för att slutföra kretsen. Dessa är:

• Pumpen: det är den komponent som ansvarar för att öka trycket på värmeöverföringsvätskan från trycket minimum (driftstrycket för kondensorn), upp till det maximala trycket (driftstrycket för den panna). Pumparna kan endast arbeta med ämnen i flytande tillstånd och inte med blandningar, och under idealiska överväganden, processen av Kompression utförs isentropiskt, även om det i verkligheten alltid sker en ökning av entropin under kompression. kompression.

• Kondensorn: det är systemet som ansvarar för att byta värme med en behållare på låg nivå temperatur (de kan vara floder, sjöar eller andra källor), för att åstadkomma en fasförändring av ångan (eller blandningen) vid turbinens utlopp, tills den når flytande tillstånd innan den går in i pumpen. Vanligtvis är det en spole eller rör genom vilka vätskan cirkulerar internt. arbete och överför värme till vätskan som används som kylmedium utan att faktiskt blandas med detta. Idealiskt arbetar kondensorn vid konstant tryck, även om i praktiken små tryckfall inträffar under kondensationsprocessen. kondensation.

• Pannan (eller dess motsvarighet): detta är elementet eller utrymmet där tillförseln av värme till systemet sker, och denna värmekälla kan komma från olika källor (förbränning av en bränsle fossil, förbränning av biomassa, geotermiska fyndigheter, energi solvärme eller värmen som genereras under kärnklyvning). Högtrycksvätskan måste komma in i pannan och denna ansvarar för att förse den med nödvändig värme för att få den till ett tillstånd av ånga (eller överhettad ånga) innan den expanderas i turbinen. Helst arbetar pannor vid konstant tryck, även om i praktiken tryckfall uppstår under värmetillförselsprocessen.

• Ångturbinen: i termodynamiska cykler uppfyller turbinerna den omvända funktionen av pumpar, det vill säga deras mål är att expandera ångan vid pannans utlopp för att få den till ett tryck mindre. Under expansionsprocessen får ångpartiklarnas påverkan på turbinbladen att rotoraxeln roterar och producerar mekanisk energi, som i sin tur kan förvandlas till elkraft när den är kopplad till en generator. Under idealiska förhållanden utförs expansionsprocessen i turbinen isentropiskt, men på grund av irreversibiliteter ökar i entalpi.

Den elementära Rankine-cykeln

Denna cykel, i sin elementära version, består av fyra processer: två isobariska och två isentropiska, som visas i figuren. schema. Området inneslutet inom gränserna för de 4 staterna representerar cykelns nätverk (w_netto), vilket är direkt relaterat till cykelns termiska effektivitet.

Den ideala processen följt av arbetsvätskan (det kan vara vatten eller annat ämne) är följande:

Ämnet i flytande tillstånd kommer in i pumpen där det komprimeras till pannans tryck (tillstånd 2). I pannan värms vätskan och ändrar fas, går från vätska till blandning och sedan till ånga. Om värme fortsätter att tillföras utöver det mättade ångtillståndet, blir ämnet en överhettad ånga, vilket ökar dess temperatur (tillstånd 3). Därefter kommer ångan in i turbinen för att expandera tills den når minimitrycket (tillstånd 4) och går in i kondensor där den kommer att förlora värme för att gå från tillståndet av ånga (eller blandningen) till vätskan (tillstånd 4) som slutför kretsen.

Rankine cykel effektivitet

Den termiska effektiviteten är relaterad till området som omges av regionen som avgränsas av cykelns 4 tillstånd, vilket vilket innebär att för konstant värmetillförsel, ju större nätverk, desto större effektivitet cykel. Nätverket (w_netto) är skillnaden mellan det arbete som genereras av turbinen (w_utgång) minus det arbete som pumpen utför (w_ingång). Å andra sidan kan cykelns effektivitet också ökas genom att minska mängden värme som måste tillföras pannan (q_ingång), och ett av sätten att uppnå detta är genom att införliva värmare (öppna eller stängda) i cykeln, vars huvudsakliga funktion är att förvärma vattnet från matning (vatten som kommer in i pannan) genom ånguttag från turbinen; detta skulle göra kretsen till en regenerativ Rankine-cykel.

I den sista ekvationen representerar variabeln h entalpin i varje tillstånd, och värdena erhålls från ångtabeller för arbetsvätskan från tryck- och/eller temperaturförhållanden.

Förbättringar i Rankine-cykeln är avsedda att öka den yta som representerar cykelns nätverk eller att minska värmen från pannan.