Що таке цикл Ренкіна і як він визначається?

Евелін Мейті Марін
Промисловий інженер, магістр фізики та освіта

Ідеальний термодинамічний енергетичний цикл, метою якого є отримання корисної роботи від джерела тепла. Його ефективність обмежена еквівалентом Цикл Карно який працює в однакових діапазонах температур і підкоряється другому закону термодинаміки. Його назва відноситься до фізика, інженера та педагога Вільяма Джона Макгуорна Ранкіна (1820-1872), який розробив цю модель на своїй батьківщині, в Шотландії.

Цикл Ренкіна має велике значення, оскільки ця модель використовується як основа для опису термодинамічних циклів багатьох електростанції, як з невідновлюваних джерел, таких як вугільні термоелектростанції, мазут або ядерний; а також термодинамічні цикли з відновлюваними джерелами, такими як сонячні теплові електростанції або геотермальні електростанції.

На зображенні теплова електростанція. У більшості цих установок вбудовані такі компоненти, як регенератори, метою яких є підвищення ефективності циклу та покращення його продуктивності.

Основні компоненти циклу Ренкіна

Хоча цикл Ренкіна може включати різні вдосконалення та компоненти, метою яких є підвищення ефективності циклу; Є чотири основні пристрої, які необхідні для завершення схеми. Це:

• Насос: це компонент, який відповідає за підвищення тиску теплоносія від тиску мінімум (робочий тиск конденсатора), до максимального тиску (робочий тиск конденсатора). котел). Насоси можуть працювати лише з речовинами в рідкому стані, а не із сумішами, і в ідеальних міркуваннях процес Стиснення здійснюється ізентропічно, хоча насправді при стисненні завжди відбувається збільшення ентропії. стиснення.

• Конденсатор: це система, яка відповідає за теплообмін із резервуаром на низькому рівні температура (вони можуть бути річками, озерами чи іншими джерелами), щоб досягти зміни фази пари (або суміші) на виході з турбіни, поки вона не досягне рідкого стану перед входом у насос. Зазвичай це змійовик або труби, по яких рідина циркулює всередині. робота, і передає тепло рідині, яка використовується як охолоджуюче середовище без фактичного змішування з цим. В ідеалі конденсатор працює при постійному тиску, хоча на практиці в процесі конденсації відбуваються незначні перепади тиску. конденсація.

• Котел (або його еквівалент): це елемент або простір, де відбувається додавання тепла до системи, і це джерело тепла може надходити з різних джерел (спалювання пальне копалини, спалювання біомаси, геотермальні родовища, енергії сонячне тепло, або тепло, що утворюється під час ядерного поділу). Рідина під високим тиском повинна надходити в котел, і вона забезпечує його необхідним теплом, щоб привести його до стану пари (або перегрітої пари) перед розширенням у турбіні. В ідеалі котли працюють при постійному тиску, хоча на практиці падіння тиску відбувається під час процесу додавання тепла.

• Парова турбіна: у термодинамічних циклах турбіни виконують зворотну функцію насоси, тобто їх завдання - розширити пару на виході з котла, щоб довести її до тиску другорядний. Під час процесу розширення вплив частинок пари на лопаті турбіни змушує вал ротора обертатися, виробляючи механічна енергія, які, у свою чергу, можуть трансформуватися в електрична енергія у поєднанні з генератором. В ідеальних умовах процес розширення в турбіні здійснюється ізентропічно, але через необоротність збільшується ентальпія.

Елементарний цикл Ренкіна

Цей цикл у своїй елементарній версії складається з чотирьох процесів: двох ізобаричних і двох ізентропічних, як показано на малюнку. схема. Площа, укладена в межах 4 станів, представляє сітку циклу (w_чистий), яка безпосередньо пов’язана з термічним ККД циклу.

Ідеальний процес, за яким слідує робоча рідина (це може бути вода або інша речовина), такий:

Речовина в рідкому стані надходить у насос, де стискається до тиску котла (стан 2). У котлі рідина нагрівається і змінює фазу, переходячи від рідини до суміші, а потім до пари. Якщо тепло продовжує додаватися поза станом насиченої пари, речовина стає перегрітою парою, що підвищує її температуру (стан 3). Далі пара надходить у турбіну для розширення, поки не досягне мінімального тиску (стан 4) і надходить у конденсатор, де він буде втрачати тепло, щоб перейти від стану пари (або суміші) до рідини (стан 4), завершуючи контур.

Ефективність циклу Ренкіна

Теплова ефективність пов’язана з площею, обмеженою областю, що розмежована 4 станами циклу, які це означає, що для постійного підведення тепла, чим більша ефективність, тим більша ефективність цикл. Мережа (ж_чистий) різниця роботи, виробленої турбіною (w_вихід) мінус робота, виконана насосом (w_вхід). З іншого боку, ефективність циклу також можна збільшити, зменшивши кількість тепла, яке необхідно подати до котла (q_вхід), і одним із способів досягти цього є включення нагрівачів (відкритих або закритих) у цикл, основною функцією яких є попередній нагрів води з годування (вода, що надходить у котел) через відбір пари з турбіни; це зробило б схему регенеративним циклом Ранкіна.

В останньому рівнянні змінна h представляє ентальпію в кожному стані, а значення отримані з таблиць пар робочої рідини від умов тиску та/або температури.

Удосконалення циклу Ренкіна спрямовані на збільшення площі, яка представляє чисту роботу циклу, або на зменшення тепла, що постачається котлом.