Rankine-Zyklus: Was ist das? (Ideal vs. Real + T-s-Diagramm)

Was ist der Rankine-Zyklus?

Der Rankine-Zyklus ist ein mechanischer Zyklus, der in Kraftwerken häufig verwendet wird, um den Druckenergie von Dampf in mechanische Energie über Dampfturbinen zu verwandeln. Die Hauptkomponenten des Rankine-Zyklus sind eine rotierende Dampfturbine, eine Kessel-Pumpe, ein stationärer Kondensator und ein Kessel.

Ein Kessel wird verwendet, um Wasser für Dampf auf dem erforderlichen Druck und Temperaturniveau zu erhitzen, wie es die Turbine für die Stromerzeugung benötigt.

Der Turbinenausstoß wird in den radialen oder axialen Flusskondensator geleitet, um den Dampf zu Kondensat zu kondensieren und wieder in den Kessel zurückzuführen, indem er durch Kessel-Pumpen erneut erhitzt wird.

Dies macht mehr Sinn, wenn wir einen Schritt zurückgehen und verstehen, wie ein typischer Kraftwerkszyklus aussieht.

Typischer Kraftwerkszyklus

Elektrische Energie wird in Dampfkraftwerken durch Verwendung von Kohle, Braunkohle, Diesel oder schwerem Heizöl als Brennstoff, je nach Verfügbarkeit und Kosten, erzeugt. Der Ablaufschema des Dampfkraftwerkzyklus ist unten dargestellt:

Das gesamte Kraftwerk kann in die folgenden Teilbereiche unterteilt werden.

• Teilbereich A: Als Hauptkomponenten des Kraftwerks (Turbine, Kondensator, Pumpe, Kessel) zur Stromerzeugung klassifiziert.

• Teilbereich B: Als Schornstein/Kamin klassifiziert, aus dem Abgase in die Atmosphäre abgeführt werden.

• Teilbereich C: Als elektrischer Generator klassifiziert, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

• Teilbereich D: Als Kühlwassersystem klassifiziert, um die Wärme des abgelehnten Dampfs im Kondensator zu absorbieren und den Dampf in Flüssigkeit (Kondensat) umzuwandeln.

Wir werden den Teilbereich innerhalb dieses Kraftwerkszyklus analysieren, der sich mit dem Rankine-Zyklus befasst.

Viele der praktischen Einschränkungen, die mit dem Carnot-Zyklus verbunden sind, können im Rankine-Zyklus bequem überwunden werden.

Idealer Rankine-Zyklus

In einem Dampfzyklus, wenn das Arbeitsmedium im Dampfzyklus ohne Irreversibilität und Reibungsdruckabfall durch verschiedene Komponenten des Kraftwerks fließt, dann wird der Zyklus als Idealer Rankine-Zyklus bezeichnet.

Der Rankine-Zyklus ist der grundlegende Betriebszyklus für alle Kraftwerke, in denen ein Arbeitsmedium kontinuierlich seine Phase von Flüssigkeit zu Dampf und umgekehrt ändert.

Die (p-h)- und (T-s)-Diagramme sind nützlich, um den Ablauf des Rankine-Zyklus zu verstehen, zusammen mit der unten gegebenen Beschreibung:

1-2-3 Isobarer Wärmetransfer oder konstanter Druck-Wärmezutritt im Kessel

Der Kessel ist ein großer Wärmetauscher, in dem brennbare Stoffe wie Kohle, Braunkohle oder Öl indirekt Wärme an Wasser bei konstantem Druck abgeben. Das Wasser gelangt vom Kesselpumpen zum Dampfkessel als komprimierte Flüssigkeit im Zustand-1 und wird auf die Sättigungstemperatur erhitzt, wie im T-s-Diagramm als Zustand-3 dargestellt.

Die Energiebilanz im Kessel oder die zugeführte Energie im Dampferzeuger,
qin= h3-h1

3-4 Isentrope Expansion oder isentrope Expansion in einer Turbine

Dampf vom Kessel-Ausgang tritt in der Turbine im Zustand 3 ein, wo er isentrop über die festen und beweglichen Turbinenflügel expandiert, um Arbeit in Form der mechanischen Rotation des Turbinenwellens zu erzeugen, die mit dem elektrischen Generator verbunden ist.
Arbeit, die von der Turbine abgegeben wird (Wärmeverluste mit der Umgebung vernachlässigen)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Isobarer Wärmeabgabe oder konstanter Druck-Wärmeabgabe im Kondensator

Im Zustand-4 tritt Dampf in den Kondensator ein. Die Phasenänderung erfolgt, während der Dampf in der Kondensation zu Flüssigkeit bei konstantem Druck im Kondensator durch Übertragung der Dampfwärme auf den zirkulierenden Wasserdurchfluss über die Röhren des Kondensators umgewandelt wird. Die Phasenänderung findet im Kondensator statt, und das Arbeitsmedium, das den Kondensator verlässt, ist im flüssigen Zustand und wird als Punkt 5 markiert.
Energie, die im Kondensator abgegeben wird, qout= h4-h5

5-1 Isentrope Kompression oder isentrope Kompression in einer Pumpe

Wasser verlässt den Kondensator im Zustand 5 und gelangt in die Pumpe. Diese Pumpe erhöht den Druck des Wassers, indem sie während des Prozesses Arbeit leistet. In Einheiten kleiner Größe und niedriger spezifischer Volumina kann diese kleine Arbeit im Vergleich zur Leistungsausgabe einer Dampfturbine vernachlässigt werden.
Leistung, die pro kg Wasser auf die Pumpe geleistet wird, W51= h5-h1.