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، پمپ دیگ، یک م.Condenser ثابت و دیگ است.
دیگ برای گرم کردن آب به بخار با فشار و دمای مورد نیاز برای تولید انرژی توسط توربین استفاده میشود.
بخار خروجی توربین به Condenser شعاعی یا محوری هدایت میشود تا بخار به مایع تبدیل شده و مجدداً به دیگ بازگردانده شود.
این موضوع ممکن است بیشتر معنا پیدا کند اگر یک قدم به عقب برگردیم و فهمیدیم که چهارچوب معمولی یک نیروگاه چه شکلی دارد.
توان الکتریکی با استفاده از نیروگاههای چرخه بخار با استفاده از زغال سنگ، لیگنیت، دیزل، نفت سنگین فرنس به عنوان سوخت بر اساس دسترسی و هزینه تولید میشود. شماتیک جریان چرخه بخار به صورت زیر ارائه شده است:
کل نیروگاه میتواند به زیرسیستمهای زیر تقسیم شود.
زیرسیستم A: به عنوان قطعات اصلی نیروگاه (توربین، Condenser، پمپ، دیگ) برای تولید انرژی طبقهبندی شده است.
زیرسیستم B: به عنوان دودکش/سمک، از جایی که گازهای زائد به اتمسفر دفع میشوند طبقهبندی شده است.
زیرسیستم C: به عنوان یک مولد الکتریکی برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی طبقهبندی شده است.
زیرسیستم D: به عنوان سیستم آب خنککننده برای جذب حرارت بخار رد شده در Condenser و تغییر فاز بخار به مایع (مایع کنده) طبقهبندی شده است.
ما زیرسیستمهای موجود در این چهارچوب چرخه نیروگاه که با چهارچوب رانکین سروکار دارد را تحلیل خواهیم کرد.
بسیاری از محدودیتهای عملی مرتبط با چهارچوب کارنو میتوانند به راحتی در چهارچوب رانکین غلبه شوند.
در یک چرخه بخار، اگر ماده کاربردی در یک چرخه بخار بدون ناپایداری و کاهش فشار از دلیل اصطکاک از طریق اجزای مختلف نیروگاه عبور کند، آن چرخه را چهارچوب رانکین ایدهآل مینامند.
چهارچوب رانکین چهارچوب اساسی برای تمام نیروگاههایی است که ماده کاربردی به طور مداوم فاز خود را از مایع به بخار و بالعکس تغییر میدهد.
نمودارهای (p-h) و (T-s) مفید هستند برای درک کار چهارچوب رانکین همراه با توضیحات زیر:
دیگ یک گرمکن بزرگ است که در آن سوختهای مانند زغال سنگ، لیگنیت یا نفت که حرارت را آزاد میکنند، به طور غیرمستقیم حرارت را به آب در فشار ثابت منتقل میکنند. آب از پمپ تغذیه دیگ وارد دیگ میشود و در حالت ۱ به عنوان مایع فشرده و در حالت ۳ به دمای اشباع گرم میشود.
تعادل انرژی در دیگ یا انرژی اضافه شده در یک ژنراتور بخار،
qin= h3-h1
بخار از خروجی دیگ در حالت ۳ وارد توربین میشود، جایی که به طور ایزنتروپیک روی پرهای ثابت و متحرک توربین انبساط مییابد تا کاری را در قالب چرخش مکانیکی محور توربین تولید کند که به ژنراتور الکتریکی متصل است.
کار تحویل داده شده توسط توربین (با نادیده گرفتن انتقال حرارت با محیط اطراف)
Wturbine out= h3-h4
در حالت ۴، بخار وارد Condenser میشود. تغییر فاز رخ میدهد زیرا بخار در Condenser به مایع تبدیل میشود و حرارت بخار به جریان آب مداری از طریق لولههای Condenser منتقل میشود. تغییر فاز در Condenser رخ میدهد و ماده کاربردی که Condenser را ترک میکند در حالت مایع است و به عنوان نقطه ۵ مشخص میشود.
انرژی رد شده در Condenser، qout= h4-h5
