چهارچوب رانکین یک چهارچوب مکانیکی است که معمولاً در نیروگاهها برای تبدیل انرژی فشار بخار به انرژی مکانیکی از طریق توربینهای بخار استفاده میشود. قطعات اصلی چهارچوب رانکین شامل یک توربین بخار چرخان، یک پمپ بویлер، یک مکنده ثابت و یک بویлер هستند.
بویلر برای گرم کردن آب به بخار با فشار و دمای مورد نیاز برای تولید برق توسط توربین استفاده میشود.
بخار خروجی توربین به مکنده شعاعی یا محوری هدایت میشود تا بخار به مایع تبدیل شده و دوباره به بویلر بازگردد.
این موضوع ممکن است بیشتر معنی پیدا کند اگر یک قدم به عقب برگردیم و درک کنیم که چهارچوب معمول یک نیروگاه چگونه است.
برای تولید انرژی الکتریکی از نیروگاههای بخاری با استفاده از زغال سنگ، لیگنیت، دیزل و روغن فرناس سنگین به عنوان سوخت، بر اساس دسترسی و هزینه استفاده میشود. جریان عملیاتی چهارچوب بخاری به شرح زیر است:
تمام نیروگاه میتواند به زیرسیستمهای زیر تقسیم شود.
زیرسیستم A: به عنوان قطعات اصلی نیروگاه (توربین، مکنده، پمپ، بویلر) برای تولید برق طبقهبندی میشود.
زیرسیستم B: به عنوان دودکش/آتشدان طبقهبندی میشود، از آنجا که گازهای زائد به جو دفع میشوند.
زیرسیستم C: به عنوان یک مولد الکتریکی برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی طبقهبندی میشود.
زیرسیستم D: به عنوان سیستم آب خنککننده برای جذب حرارت بخار رد شده در مکنده و تغییر فاز بخار به مایع (مایع مکنده) طبقهبندی میشود.
ما زیرسیستمهای داخل این چهارچوب نیروگاه را که با چهارچوب رانکین سروکار دارد، تحلیل خواهیم کرد.
بسیاری از محدودیتهای عملی مرتبط با چهارچوب کارنو میتوانند به راحتی در چهارچوب رانکین غلبه شوند.
در یک چهارچوب بخاری، اگر ماده کاری در یک چهارچوب بخاری بدون برگشتناپذیری و کاهش فشار از دلیل اصطکاک از طریق اجزای مختلف نیروگاه عبور کند، آن چهارچوب را چهارچوب ایدهآل رانکین مینامند.
چهارچوب رانکین چهارچوب اساسی برای تمام نیروگاهها است که در آن یک ماده کاری به طور مداوم فاز خود را از مایع به بخار و بالعکس تغییر میدهد.
نمودارهای (p-h) و (T-s) مفید هستند برای درک عملکرد چهارچوب رانکین همراه با توضیحات زیر:
بویلر یک مبدل حرارتی بزرگ است که در آن سوختهای مانند زغال سنگ، لیگنیت یا نفت حرارت را به صورت غیرمستقیم به آب در فشار ثابت منتقل میکند. آب از پمپ بویلر وارد بویلر میشود و در حالت 1 به دمای اشباع در حالت 3 تغییر میکند.
تعادل انرژی در بویلر یا انرژی اضافه شده در ژنراتور بخار،
qin= h3-h1
بخار از خروجی بویلر وارد توربین در حالت 3 میشود، که در آن با انبساط ایزانتروپیک از طریق پرههای ثابت و متحرک توربین کار میکند و کاری را در قالب چرخش مکانیکی محور توربین که به مولد الکتریکی متصل است، انجام میدهد.
کار تحویل داده شده توسط توربین (با نادیده گرفتن انتقال حرارت با محیط)
Wturbine out= h3-h4
در حالت 4، بخار وارد مکنده میشود. تغییر فاز اتفاق میافتد زیرا بخار در مکنده به مایع تبدیل میشود و حرارت بخار به جریان آب در لولههای مکنده منتقل میشود. تغییر فاز در مکنده اتفاق میافتد و ماده کاری که از مکنده خارج میشود در حالت مایع است و با نقطه 5 مشخص میشود.
حرارت رد شده در مکنده، qout= h4-h5
