دورة رانكين: ما هي؟ (المثالية مقابل الحقيقية + مخطط T-s)

ما هي دورة رانكين؟

تعتبر دورة رانكين دورة ميكانيكية شائعة الاستخدام في محطات توليد الكهرباء لتحويل طاقة ضغط البخار إلى طاقة ميكانيكية من خلال التوربينات البخارية. تتضمن المكونات الرئيسية لدورة رانكين توربين بخاري دوراني، مضخة غلاية، مكثف ثابت، وغلاية.

تستخدم الغلاية لتوليد البخار عن طريق تسخين الماء تحت الضغط والدرجة الحرارة المطلوبة للتوربين لإنتاج الطاقة.

يتم توجيه العادم من التوربين إلى المكثف ذو التدفق الشعاعي أو المحوري لتكثيف البخار إلى مكثف وإعادة تدويره مرة أخرى إلى الغلاية عبر مضخات الغلاية لتسخينه مرة أخرى.

قد يكون هذا أكثر وضوحاً إذا انتقلنا خطوة إلى الخلف وفهمنا كيف يبدو دورة محطة كهرباء نموذجية.

دورة محطة كهرباء نموذجية

يتم إنتاج الطاقة الكهربائية باستخدام محطات توليد الكهرباء بالبخار باستخدام الفحم، الليغنيت، الديزل، والزيت الثقيل كوقود حسب توافره وتكلفة. يتم تقديم مخطط تدفق دورة البخار أدناه:

يمكن تقسيم محطة الطاقة بأكملها إلى الأنظمة الفرعية التالية.

• النظام الفرعي أ: يصنف كالمكونات الرئيسية لمحطة الطاقة (التوربين، المكثف، المضخة، الغلاية) لإنتاج الطاقة.

• النظام الفرعي ب: يصنف كالمدخنة، حيث يتم تصريف الغازات النفاية إلى الغلاف الجوي.

• النظام الفرعي ج: يصنف كـ IEE-Business لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

• النظام الفرعي د: يصنف كنظام مياه التبريد لامتصاص حرارة البخار المرفوض في المكثف وتغيير المرحلة من البخار إلى السائل (المكثف).

سنقوم بتحليل النظام الفرعي داخل هذه الدورة التي تتعامل مع دورة رانكين.

يمكن التغلب على العديد من القيود العملية المتعلقة بدورة كارنو بشكل مريح في دورة رانكين.

دورة رانكين المثالية

في دورة البخار، إذا مر السائل العامل في دورة البخار عبر مكونات محطة الطاقة المختلفة دون عكسية وانخفاض ضغط بسبب الاحتكاك، فتُسمى هذه الدورة دورة رانكين المثالية.

تعتبر دورة رانكين الدورة الأساسية لجميع محطات الطاقة حيث يتغير السائل العامل باستمرار من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية والعكس صحيح.

يعد مخطط (p-h) ومخطط (T-s) مفيدًا في فهم عمل دورة رانكين مع الوصف التالي:

1-2-3 نقل حراري ثابت الضغط في الغلاية

تعتبر الغلاية مبادل حراري كبير حيث يتم نقل الحرارة من الوقود مثل الفحم، الليغنيت، أو النفط إلى الماء بشكل غير مباشر تحت ضغط ثابت. يدخل الماء إلى الغلاية من مضخة الغلاية كسائل مضغوط في حالة 1 ويتم تسخينه إلى درجة الحرارة المشبعة كما هو موضح في مخطط T-s في حالة 3.

توازن الطاقة في الغلاية أو الطاقة المضافة في مولد البخار،
qin= h3-h1

3-4 التمدد الأنتروبي أو التمدد الأنتروبي في التوربين

يدخل البخار من مخرج الغلاية إلى التوربين في حالة 3، حيث يتوسع بشكل أنتروبي فوق شفرات التوربين الثابتة والمتحركة لإنتاج العمل في شكل دوران ميكانيكي للمحور، والذي يرتبط بمولد كهربائي.
العمل الذي قدمه التوربين (مع عدم اعتبار نقل الحرارة مع البيئة المحيطة)
Wturbine out= h3-h4

4-5 رفض الحرارة الثابتة الضغط أو رفض الحرارة الثابتة الضغط في المكثف

في حالة 4، يدخل البخار إلى المكثف. يحدث تغير في المرحلة حيث يتم تكثيف البخار إلى سائل تحت ضغط ثابت في المكثف عن طريق نقل حرارة البخار إلى تدفق المياه الدائر عبر أنابيب المكثف. يحدث تغير في المرحلة في المكثف، والسائل العامل الخارج من المكثف يكون في حالة سائلة ويتم تمييزه بنقطة 5.
الطاقة المرفوضة في المكثف، qout= h4-h5

5-1 الضغط الأنتروبي أو الضغط الأنتروبي في المضخة

يخرج الماء من المكثف في حالة 5 ويدخل المضخة. تقوم هذه المضخة برفع ضغط الماء عن طريق إضفاء العمل خلال العمليات. في الوحدات الصغيرة ذات الحجم المحدد والحجم النوعي المنخفض، يمكن تجاهل هذا العمل الصغير مقارنة بعمل الإخراج للتوربين البخاري.
العمل الذي تم إنجازه على المضخة لكل كيلوغرام من الماء، W51= h5-h1.