วัฏจักรแรงคินคืออะไร และกำหนดได้อย่างไร

เอเวลิน ไมตี มาริน
วิศวกรอุตสาหการ, ปริญญาโทสาขาฟิสิกส์ และ กศ.ด

วัฏจักรพลังงานทางอุณหพลศาสตร์ในอุดมคติ ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ได้งานที่เป็นประโยชน์จากแหล่งความร้อน ประสิทธิภาพของมันถูกจำกัดโดยเทียบเท่า วงจรการ์โนต์ ที่ทำงานระหว่างช่วงอุณหภูมิเดียวกันและเป็นไปตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ชื่อของมันหมายถึงนักฟิสิกส์ วิศวกร และนักการศึกษา William John Macguorn Rankine (1820-1872) ผู้พัฒนาแบบจำลองนี้ในสกอตแลนด์บ้านเกิดของเขา

วัฏจักรแรงคินมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากแบบจำลองนี้ใช้เป็นพื้นฐานในการอธิบายวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ของหลายๆ โรงไฟฟ้าทั้งจากแหล่งที่ไม่หมุนเวียน เช่น โรงไฟฟ้าพลังความร้อนถ่านหิน น้ำมันเตา หรือ นิวเคลียร์; และวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ด้วยแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น โรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์หรือโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ

ภาพแสดงโรงไฟฟ้าพลังความร้อน ในโรงงานส่วนใหญ่เหล่านี้ ส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวกำเนิดใหม่ถูกรวมเข้าด้วยกัน ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวงจรและปรับปรุงประสิทธิภาพ

องค์ประกอบพื้นฐานของวัฏจักรแรงคิน

แม้ว่าวัฏจักรแรงคินสามารถรวมการปรับปรุงและส่วนประกอบต่าง ๆ เข้าด้วยกัน ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวัฏจักร มีอุปกรณ์พื้นฐาน 4 อย่างที่จำเป็นในการทำให้วงจรสมบูรณ์ เหล่านี้คือ:

• ปั๊ม: เป็นส่วนประกอบที่รับผิดชอบในการเพิ่มความดันของของเหลวถ่ายเทความร้อนจากความดัน ต่ำสุด (แรงดันใช้งานของคอนเดนเซอร์) จนถึงแรงดันสูงสุด (แรงดันใช้งานของ หม้อไอน้ำ). ปั๊มสามารถทำงานได้เฉพาะกับสารในสถานะของเหลวเท่านั้น และไม่สามารถทำงานร่วมกับสารผสมได้ และภายใต้การพิจารณาที่เหมาะสมที่สุด กระบวนการของ การบีบอัดจะดำเนินการแบบกึ่งเขตร้อนแม้ว่าในความเป็นจริงจะมีเอนโทรปีเพิ่มขึ้นเสมอในระหว่างการบีบอัด การบีบอัด

• คอนเดนเซอร์: เป็นระบบที่รับผิดชอบในการแลกเปลี่ยนความร้อนกับอ่างเก็บน้ำที่ต่ำ อุณหภูมิ (อาจเป็นแม่น้ำ ทะเลสาบ หรือแหล่งอื่นๆ) เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนเฟสของไอน้ำ (หรือของผสม) ที่ทางออกของกังหัน จนกระทั่งถึงสถานะของเหลวก่อนเข้าสู่ปั๊ม โดยปกติจะเป็นขดลวดหรือท่อที่ของเหลวไหลเวียนภายใน ทำงานและถ่ายเทความร้อนไปยังของไหลที่ใช้เป็นตัวกลางทำความเย็นโดยไม่ต้องผสมกัน ด้วยสิ่งนี้. ตามหลักการแล้ว คอนเดนเซอร์จะทำงานที่แรงดันคงที่ แม้ว่าในทางปฏิบัติ แรงดันตกเล็กน้อยจะเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการควบแน่น การควบแน่น.

• หม้อต้มน้ำ (หรือเทียบเท่า): เป็นองค์ประกอบหรือพื้นที่ที่มีการเติมความร้อนให้กับระบบ และแหล่งความร้อนนี้อาจมาจากแหล่งต่างๆ (การเผาไหม้ของ เชื้อเพลิง ฟอสซิล, การเผาไหม้ชีวมวล, การสะสมความร้อนใต้พิภพ, พลังงาน ความร้อนจากแสงอาทิตย์ หรือความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์) ของไหลความดันสูงจะต้องเข้าสู่หม้อไอน้ำและมีหน้าที่จ่ายความร้อนที่จำเป็นเพื่อทำให้ไอน้ำกลายเป็นไอน้ำ (หรือไอน้ำร้อนยวดยิ่ง) ก่อนที่จะขยายตัวในกังหัน ตามหลักการแล้ว หม้อไอน้ำจะทำงานที่แรงดันคงที่ แม้ว่าในทางปฏิบัติแล้ว แรงดันตกจะเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเพิ่มความร้อน

• กังหันไอน้ำ: ในวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ กังหันทำหน้าที่ผกผันของ ปั๊ม กล่าวคือ วัตถุประสงค์ของปั๊มคือขยายไอน้ำที่ทางออกของหม้อต้มเพื่อให้มีแรงดัน ส่วนน้อย. ในระหว่างกระบวนการขยายตัว ผลกระทบของอนุภาคไอน้ำบนใบพัดเทอร์ไบน์ทำให้เพลาโรเตอร์หมุนเพื่อผลิต พลังงานกลซึ่งในที่สุดก็สามารถเปลี่ยนเป็น พลังงานไฟฟ้า เมื่อประกอบเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม กระบวนการขยายตัวในกังหันจะดำเนินการแบบกึ่งเขตร้อน แต่เนื่องจากไม่สามารถย้อนกลับได้ การเพิ่มขึ้นของ เอนทัลปี.

รอบ Rankine ระดับประถมศึกษา

วัฏจักรนี้ในเวอร์ชันพื้นฐานประกอบด้วยสี่กระบวนการ: สองกระบวนการ isobaric และสอง isentropic ดังแสดงในรูป โครงการ. พื้นที่ที่ล้อมรอบภายในขอบเขตของ 4 รัฐแสดงถึงการทำงานสุทธิของวัฏจักร (ว_{สุทธิ}) ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักร

กระบวนการในอุดมคติตามด้วยของไหลในการทำงาน (อาจเป็นน้ำหรือสารอื่นก็ได้) มีดังต่อไปนี้:

สารในสถานะของเหลวจะเข้าสู่ปั๊มซึ่งจะถูกบีบอัดด้วยแรงดันของหม้อไอน้ำ (สถานะ 2) ในหม้อไอน้ำ ของเหลวจะถูกทำให้ร้อนและเปลี่ยนเฟส จากของเหลวไปเป็นของผสมแล้วกลายเป็นไอ หากเพิ่มความร้อนต่อไปจนเกินสถานะไออิ่มตัว สารจะกลายเป็นไอร้อนยิ่งยวด ทำให้อุณหภูมิของสารเพิ่มขึ้น (สถานะ 3) ถัดไป ไอน้ำจะเข้าสู่กังหันเพื่อขยายตัวจนถึงความดันต่ำสุด (สถานะ 4) และเข้าสู่ คอนเดนเซอร์ซึ่งจะสูญเสียความร้อนไปจากสถานะของไอ (หรือของผสม) เป็นของเหลว (สถานะ 4) ทำให้วงจรสมบูรณ์

ประสิทธิภาพของวงจรแรนคิน

ประสิทธิภาพเชิงความร้อนเกี่ยวข้องกับพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยภูมิภาคที่คั่นด้วย 4 สถานะของวัฏจักร ซึ่ง ซึ่งหมายความว่าสำหรับการป้อนความร้อนคงที่ ยิ่งเน็ตเวิร์คมาก ประสิทธิภาพของก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น รอบ งานสุทธิ(ว_{สุทธิ}) คือผลต่างของงานที่เกิดจากกังหัน (ว_{ทางออก}) ลบงานที่ปั๊มทำได้ (ว_{ทางเข้า}). ในทางกลับกัน ประสิทธิภาพของวงจรยังสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการลดปริมาณความร้อนที่ต้องป้อนให้กับหม้อไอน้ำ (q_{ทางเข้า}) และหนึ่งในวิธีที่จะทำให้บรรลุผลสำเร็จคือการใช้เครื่องทำความร้อน (แบบเปิดหรือแบบปิด) เข้ากับวงจร ซึ่งมีหน้าที่หลักในการอุ่นน้ำจาก การให้อาหาร (น้ำที่เข้าสู่หม้อไอน้ำ) ผ่านการสกัดด้วยไอน้ำจากกังหัน สิ่งนี้จะทำให้วงจรเป็นวงจร Rankine ที่เกิดใหม่

ในสมการสุดท้าย ตัวแปร h แทนค่าเอนทาลปีในแต่ละสถานะ และค่าต่างๆ จะได้มาจากตารางไอน้ำของของไหลทำงานจากสภาวะความดันและ/หรืออุณหภูมิ

การปรับปรุงในรอบ Rankine มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มพื้นที่ที่แสดงถึงการทำงานสุทธิของวงจร หรือเพื่อลดความร้อนที่จ่ายโดยหม้อไอน้ำ