Rankine döngüsü nedir ve nasıl tanımlanır?

Evelyn Maite Marin
Endüstri Mühendisi, Fizik Yüksek Lisansı ve EdD

Amacı bir ısı kaynağından faydalı iş elde etmek olan ideal termodinamik güç çevrimi. Verimliliği eşdeğer ile sınırlıdır Carnot döngüsü Aynı sıcaklık aralıklarında çalışan ve termodinamiğin ikinci yasasına uyan. Adı, bu modeli doğum yeri olan İskoçya'da geliştiren fizikçi, mühendis ve eğitimci William John Macguorn Rankine'den (1820-1872) gelmektedir.

Rankines çevrimi büyük önem taşımaktadır, çünkü bu model birçok termodinamik çevrimi tanımlamak için temel olarak kullanılmaktadır. her ikisi de kömürle çalışan termoelektrik santraller, akaryakıt veya nükleer; ve ayrıca termik güneş enerjisi santralleri veya jeotermal enerji santralleri gibi yenilenebilir kaynaklarla termodinamik çevrimler.

Resimde bir termik santral gösterilmektedir. Bu tesislerin çoğunda, amacı döngünün verimliliğini artırmak ve performansını iyileştirmek olan rejeneratörler gibi bileşenler dahil edilir.

Rankine döngüsünün temel bileşenleri

Rankine döngüsü, amacı döngünün verimliliğini artırmak olan çeşitli iyileştirmeler ve bileşenler içerebilse de; Devreyi tamamlamak için gerekli olan dört temel cihaz vardır. Bunlar:

• Pompa: Isı transfer akışkanının basıncını basınçtan yükseltmekle görevli bileşendir. minimum (kondansatörün çalışma basıncı), maksimum basınca (kondenserin çalışma basıncı) kadar Kazan). Pompalar, karışımlarla değil, yalnızca sıvı haldeki maddelerle çalışabilir ve ideal koşullar altında, proses Sıkıştırma izantropik olarak gerçekleştirilir, ancak gerçekte sıkıştırma sırasında entropide her zaman bir artış vardır. sıkıştırma.

• Kondenser: Düşük sıcaklıkta bir rezervuar ile ısı alışverişinden sorumlu sistemdir. sıcaklık (nehirler, göller veya diğer kaynaklar olabilir), türbin çıkışındaki buharın (veya karışımın) pompaya girmeden önce sıvı hale gelene kadar faz değişimini sağlamak için. Genellikle sıvının dahili olarak dolaştığı bir bobin veya borulardır. çalışır ve ısıyı soğutma ortamı olarak kullanılan sıvıya fiilen karışmadan aktarır Bununla. İdeal olarak, kondansatör sabit basınçta çalışır, ancak pratikte yoğuşma işlemi sırasında hafif basınç düşüşleri meydana gelir. yoğunlaşma.

• Kazan (veya eşdeğeri): sisteme ısı eklenmesinin gerçekleştiği eleman veya boşluktur ve bu ısı kaynağı çeşitli kaynaklardan gelebilir (bir kazanın yanması). yakıt fosil, biyokütle yakma, jeotermal yataklar, enerji güneş ısısı veya nükleer fisyon sırasında üretilen ısı). Yüksek basınçlı sıvı kazana girmelidir ve bu, türbinde genleşmeden önce onu buhar (veya aşırı ısıtılmış buhar) durumuna getirmek için gerekli ısıyı sağlamakla görevlidir. İdeal olarak, kazanlar sabit basınçta çalışır, ancak pratikte ısı ekleme işlemi sırasında basınç düşüşleri meydana gelir.

• Buhar türbini: termodinamik çevrimlerde türbinler, pompalar, yani amaçları kazan çıkışındaki buharı genişleterek bir basınca getirmektir. küçük. Genleşme işlemi sırasında, buhar partiküllerinin türbin kanatları üzerindeki etkisi rotor milinin dönmesine neden olur. mekanik enerji, sırayla dönüştürülebilir elektrik gücü bir jeneratör ile birleştiğinde. İdeal koşullar altında, türbindeki genleşme işlemi izantropik olarak gerçekleştirilir, ancak tersinmezlikler nedeniyle genleşme artar. entalpi.

Temel Rankine döngüsü

Bu döngü, temel versiyonunda, şekilde gösterildiği gibi iki izobarik ve iki izentropik olmak üzere dört süreçten oluşur. düzen. 4 durumun sınırları içindeki alan, döngünün net işini temsil eder (w_açık), çevrimin termal verimliliği ile doğrudan ilişkilidir.

Çalışma sıvısının (su veya başka bir madde olabilir) takip ettiği ideal süreç aşağıdaki gibidir:

Sıvı haldeki madde, kazanın basıncına kadar sıkıştırıldığı pompaya girer (durum 2). Kazanda, sıvı ısıtılır ve bir sıvıdan bir karışıma ve daha sonra bir buhara geçerek faz değiştirir. Doymuş buhar halinin ötesinde ısı eklenmeye devam edilirse, madde aşırı ısıtılmış bir buhar haline gelir ve sıcaklığı artar (durum 3). Daha sonra buhar, minimum basınca (durum 4) ulaşana kadar genleşmek üzere türbine girer ve devreyi tamamlayan buhar (veya karışım) durumundan sıvıya (durum 4) geçmek için ısı kaybedeceği kondansatör.

Rankine döngüsü verimliliği

Termal verim, döngünün 4 durumu tarafından sınırlanan bölge tarafından çevrelenen alanla ilgilidir. bu, sabit ısı girdisi için net iş ne kadar büyükse, verimliliğin o kadar yüksek olduğu anlamına gelir. döngü. net iş (w_açık) türbin tarafından üretilen işin farkıdır (w_çıkış) eksi pompa tarafından yapılan iş (w_giriş). Öte yandan, kazana verilmesi gereken ısı miktarı azaltılarak da çevrimin verimliliği artırılabilir (q_giriş) ve bunu başarmanın yollarından biri, ana işlevi suyu ön ısıtmak olan ısıtıcıları (açık veya kapalı) döngüye dahil etmektir. besleme (kazana giren su) türbinden buhar çıkışı yoluyla; bu, devreyi rejeneratif bir Rankine döngüsü yapar.

Son denklemde h değişkeni her durumdaki entalpiyi temsil eder ve değerler çalışma akışkanının basınç ve/veya sıcaklık koşullarından buhar tablolarından elde edilir.

Rankine çevrimindeki iyileştirmelerin amacı, çevrimin net işini temsil eden alanı artırmak veya kazan tarafından sağlanan ısıyı azaltmaktır.