Rankine Cyklus: Co to je? (Ideální vs. skutečný + T-s diagram)

Co je Rankinův cyklus

Rankinův cyklus je mechanický cyklus běžně používaný v elektrárnách k převodu tlakové energie páry na mechanickou energii prostřednictvím parních turbín. Hlavní komponenty Rankinova cyklu zahrnují rotující parní turbínu, čerpadlo pro kotli, stacionární kondenzátor a kotelnou.

Kotelnou se používá k ohřevu vody na páru podle požadovaného tlaku a teploty, jak vyžaduje turbína pro výrobu energie.

Výfuk z turbíny je směrován do radiálního nebo axiálního toku kondenzátoru, kde se pára kondenzuje na kondenzát a je následně recyklována zpět do kotelného čerpadla, kde se opět ohřeje.

Toto může dávat více smysl, pokud se vrátíme a porozumíme, jak vypadá typický cyklus elektrárny.

Typický cyklus elektrárny

Elektrická energie je generována pomocí parních elektráren, které používají uhlí, lignit, naftu, těžké topné oleje jako palivo v závislosti na dostupnosti a ceně. Schéma toku parního energetického cyklu je následující:

Celá elektrárna lze rozdělit na následující subsystémy.

• Subsystém A: Tvořen hlavními komponentami elektrárny (turbína, kondenzátor, čerpadlo, kotelná) pro výrobu energie.

• Subsystém B: Tvořen komínem, ze kterého jsou odpadní plyny vypouštěny do atmosféry.

• Subsystém C: Tvořen elektrickým generátorem pro převod mechanické energie na elektrickou energii.

• Subsystém D: Tvořen chladicím vodním systémem pro pohlcení tepla odmítnuté páry v kondenzátoru a změnu fáze páry na kapalinu (kondenzát).

Budeme analyzovat subsystém v tomto cyklu elektrárny, který se zabývá Rankinovým cyklem.

Mnoho praktických omezení souvisejících s Carnotovým cyklem lze v Rankinově cyklu snadno překonat.

Ideální Rankinův cyklus

V parním cyklu, pokud pracovní médium v parním cyklu prochází různými komponentami elektrárny bez ireverzibility a třecího klesání tlaku, pak se cyklus nazývá ideální Rankinův cyklus.

Rankinův cyklus je základní provozní cyklus pro všechny elektrárny, kde pracovní médium neustále mění svou fázi z kapaliny na páru a naopak.

Diagramy (p-h) a (T-s) jsou užitečné pro pochopení fungování Rankinova cyklu spolu s popisem uvedeným níže:

1-2-3 Isobarický přenos tepla nebo přidání tepla za konstantního tlaku v kotelně

Kotelnou je velký tepelný exchanger, kde se teplo uvolňující palivo, jako je uhlí, lignit nebo nafta, přenáší nepřímo vodě za konstantního tlaku. Voda vstupuje do kotelného čerpadla jako stlačená kapalina ve stavu-1 a je ohřata na nasycenou teplotu, jak je znázorněno v diagramu T-s ve stavu-3.

Energetická bilance v kotelně nebo energie přidaná v parním generátoru, qin= h3-h1

3-4 Izentropní expanze nebo izentropní expanze v turbíně

Pára z výstupu kotelného čerpadla vstupuje do turbíny ve stavu 3, kde se izentropně expanduje přes pevné a pohyblivé lopatky turbíny, aby vytvořila práci ve formě mechanické rotace hřídele turbíny, která je spojena s elektrickým generátorem.
Práce dodaná turbínou (bez zohlednění tepelného přenosu se okolím)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Isobarické odmítnutí tepla nebo odmítnutí tepla za konstantního tlaku v kondenzátoru

Ve stavu-4 vstupuje pára do kondenzátoru. Změna fáze nastane, když se pára v kondenzátoru kondenzuje na kapalinu za konstantního tlaku přenosem tepla páry na prouděcí vodu v trubkách kondenzátoru. Změna fáze nastane v kondenzátoru a pracovní médium opouští kondenzátor v kapalném stavu a je označeno jako bod 5.
Energie odmítnutá v kondenzátoru, qout= h4-h5

5-1 Izentropní komprese nebo izentropní komprese v čerpadle

Voda opouští kondenzátor ve stavu 5 a vstupuje do čerpadla. To čerpadlo zvyšuje tlak vody poskytnutím práce během procesu. V jednotkách menších rozměrů a nízké specifické objemové hmotnosti lze toto malé množství práce zanedbat v porovnání s výkonem parní turbíny.
Práce provedená na čerpadlo na kilogram vody, W51= h