Rankine Cyklus: Hvad er det? (Ideel vs. Faktisk + T-s Diagram)
Hvad er Rankine Cyklus?
Rankine cyklus er en mekanisk cyklus, der ofte anvendes i kraftværker for at konvertere dampens trykenergi til mekanisk energi gennem dampmaskiner. De vigtigste komponenter i Rankine cyklussen inkluderer en roterende dampmaskine, en boilerpumpe, en stående kondensator og en boiler.
En boiler bruges til at opvarme vandet til damp på det ønskede tryk og temperatur, ifølge dampmaskinens krav til strømproduktion.
Dampmaskinens udløb dirigeres til den radielle eller axiale strømkondensator for at kondensere dampen til kondensat, som derefter genbruges tilbage til boileren via boilerpumper for at blive opvarmet igen.
Det kan give mere mening, hvis vi træder et skridt tilbage og forstår, hvordan en typisk kraftværkscyklus ser ud.
Typisk kraftværkscyklus
Elektrisk strøm genereres ved hjælp af dampcykluskraftværker, der bruger kul, lignit, diesel eller tung ovnsolie som brændsel, afhængigt af tilgængelighed og omkostninger. Flowschematikken for dampcyklussen er angivet nedenfor:
Hele kraftværket kan deles ned i følgende under-systemer.
Under-system A: Klassificeret som de hovedkomponenter i kraftværket (dampmaskine, kondensator, pumpe, boiler) for strømproduktion.
Under-system B: Klassificeret som skorstenen, hvor affaldsgasser udskydes til atmosfæren.
Under-system C: Klassificeret som en elektrisk generator for at konvertere mekanisk energi til elektrisk energi.
Under-system D: Klassificeret som kølevandsystemet for at absorberer den afviste dampens varme i kondensatoren og ændre dampfasen til væsker (kondensat).
Vi vil analysere under-systemet inden for denne kraftværkscyklus, der handler om Rankine cyklussen.
Mange af de praktiske begrænsninger, der er relateret til Carnot cyklussen, kan bekvemt overkommes i Rankine cyklussen.
Ideal Rankine Cyklus
I en dampcyklus, hvis arbejdsmediet i en dampcyklus passerer gennem de forskellige komponenter i kraftværket uden irreversibilitet og friktionsrelateret trykfald, kaldes cyklussen en ideal Rankine cyklus.
Rankine cyklussen er den grundlæggende driftscyklus for alle kraftværker, hvor et arbejdsmedium kontinuerligt ændrer sin fase fra væske til damp og vice versa.
(p-h) og (T-s) diagrammer er nyttige til at forstå funktionen af Rankine cyklussen sammen med beskrivelsen nedenfor:
1-2-3 Isobare Varmetransfer eller Konstanttryk-varmeanbringelse i en boiler
Boileren er en stor varmeveksler, hvor varmeafløsende brændsel som kul, lignit eller olie overfører varmen indirekte til vand ved konstant tryk. Vand indgår i dampboileren fra boilerforsyningspumpen som et komprimeret flydende ved tilstand-1 og opvarmes til mætnings temperaturen, som vist i T-s diagrammet som tilstand-3.
Energi-balance i boileren er eller energi tilføjet i en dampgenerator,
qin= h3-h1
3-4 Isentropisk Ekspansion eller Isentropisk ekspansion i en turbine
Damp fra boilerudgangen indgår i turbinen ved tilstand 3, hvor den ekspanderer isentropisk over den faste og bevægelige turbineblade for at producere arbejde i form af mekanisk rotation af turbineakslen, som er forbundet med den elektriske generator.
Arbejde leveret af turbinen (udenregning af varmeoverførsel med omgivelserne)
Wturbine out= h3-h4
4-5 Isobarisk Varmeafvisning eller Konstanttryk-varmeafvisning i en kondensator
Ved tilstand-4 går dampen ind i kondensatoren. Faseændring foregår i kondensatoren, da dampen kondenseres til væske ved konstant tryk i kondensatoren ved at overføre dampens varme til det cirkulerende vandstrøm gennem kondensatorrørerne. Arbejdsmediet, der forlader kondensatoren, er i en væsketilstand og markeret som punkt 5.
Energi afvist i kondensatoren, qout= h4-h5
5-1 Isentropisk Komprimering eller Isentropisk komprimering i en pumpe
Vand forlader kondensatoren ved tilstand 5 og indgår i pumpe. Denne pumpe øger vandets tryk ved at indvirke med arbejde under processerne. I enheder af mindre størrelse og lav specifik volumen, kan dette lille arbejde ignoreres i forhold til arbejdsoverførslen fra en dampmaskine.
Udført arbejde på pumpe pr. kg vand, W51= h5-h1.
