Rankine-kierre: Mikä se on? (Ideaalinen vs. todellinen + T-s-kaavio)
Mikä on Rankine-kierre
Rankine-kierre on mekaaninen kierre, jota yleisesti käytetään voimaloissa muuttaakseen höyryä sisältävän nesteen paineenenergian mekaaniseksi energiaksi höyryturbiinin kautta. Rankine-kierron tärkeimpiin komponentteihin kuuluu pyöriävä höyryturbiini, boileripumpu, paikallinen kondensaattori ja boiler.
Boileria käytetään vedelle lämmityksessä tarvittavaa höyryä tuotettaessa tietyllä paineella ja lämpötilalla turbiinin vaatimusten mukaisesti sähköntuotantoon.
Turbiinin päästöjä ohjataan radiaalista tai aksiaalista virtauskondensaattoriin höyryn kondensoitumiseksi ja palautettavaksi takaisin boileriin pumpujen avulla uudelleenlämmittämistä varten.
Tämä voi olla helpommin ymmärrettävää, jos otamme askeleen taaksepäin ja ymmärrämme, miten tyypillinen voimalan kierto näyttää.
Typical Power Plant Cycle
Sähköä tuotetaan höyrykierron avulla voimaloissa käyttäen hiiltä, ligniittiä, dieselöljyä tai raskaata polttoöljyä riippuen saatavuudesta ja kustannuksista. Höyrykierron virtauskaavio on seuraava:
Koko voimala voidaan jakaa seuraaviin alajärjestelmiin.
Alajärjestelmä A: Luokiteltu voimalan pääkomponentteihin (turbiini, kondensaattori, pumpu, boiler) sähköntuotantoon.
Alajärjestelmä B: Luokiteltu suorituskykyseina, joista jätteet puhaltavat ilmakehään.
Alajärjestelmä C: Luokiteltu sähkögeneratoriksi mekaanisen energian muuntamiseksi sähköenergiaksi.
Alajärjestelmä D: Luokiteltu jäähdytysvesijärjestelmäksi, joka imee hylätyn höyryn lämpöä kondensaattorissa ja muuttaa höyryn vaiheen nesteksi (kondensaatiksi).
Analysoimme tässä voimalan kierron alajärjestelmän, joka liittyy Rankine-kierron toimintaan.
Monet Carnot-kierron käytännön rajoitukset voidaan helposti kiertää Rankine-kierron avulla.
Ideal Rankine Cycle
Virtauksessa, jos työaine kulkee eri komponenttien läpi ilman epäkääntyvyyttä ja kitkapistevierailua, kyseessä on Ideaalinen Rankine-kierre.
Rankine-kierre on kaikkien voimaloiden peruskierto, joissa työaine muuttaa jatkuvasti vaiheensa nesteenä ja höyrynä.
(p-h) ja (T-s) kaaviot ovat hyödyllisiä Rankine-kierron toiminnan ymmärtämisessä seuraavan kuvauksen mukaisesti:
1-2-3 Isobarinen lämpösiirto tai Vakioitu paine lämpösyöttö boilerissä
Boileri on suuri lämpövaihtaja, jossa lämmityksellä vapautuva polttoaine, kuten hiili, ligniitti tai öljy, siirtää lämpöä vedelle vakioituna paineena. Vesi tulee boileriin boileripumpun kautta pakostettuna nesteenä tilassa 1 ja lämmitetään saturoituneeseen lämpötilaan, kuten T-s kaaviossa osoitetaan tilana 3.
Energian tasapaino boilerissä on tai energia lisättynä höyrygeneraattoriin,
qin= h3-h1
3-4 Entropianmuuttumaton laajennus tai entropianmuuttumaton laajennus turbiinissa
Höyry boilerin ulosmenoista tulee turbiiniin tilassa 3, jossa se laajenee entropianmuuttumattomasti turbiinin kiinteiden ja liikkuisten sirujen yli tuottamaan työtä muodossa mekaanista pyörimistä, joka on yhdistetty sähkögeneratoriin.
Työ, joka tuotetaan turbiinilla (sivuuttaen lämpösiirron ympäristön kanssa)
Wturbine out= h3-h4
4-5 Isobarinen lämpöpoisto tai Vakioitu paine lämpöpoisto kondensaattorissa
Tilassa 4 höyry tulee kondensaattoriin. Vaiheen muutos tapahtuu, kun höyry kondensoituu nesteksi vakioituna paineena kondensaattorissa siirtämällä höyryn lämpöä virtaavalle vesivirtaukselle kondensaattorin putkien kautta. Työaine, joka poistuu kondensaattorista, on nestemäinen ja merkitty pisteenä 5.
Energia, joka poistetaan kondensaattorissa, qout= h4-h5
5-1 Entropianmuuttumaton tiivistys tai entropianmuuttumaton tiivistys pumpussa
Vesi poistuu kondensaattorista tilassa 5 ja tulee pumpuun. Tämä pumpu nostaa veden painetta antamalla työtä prosessissa. Pienemmässä kokoluokassa ja pienellä tiheydellä tämä pieni työ voidaan sivuuttaa verrattuna höyryturbiinin työulostukseen.
Työ, joka tehdään pumpulle kilogrammaa vettä kohden, W51= h5-h1
