Rankine ciklus: Što je to? (Idealni vs. stvarni + T-s dijagram)

Što je Rankine ciklus?

Rankine ciklus je mehanički ciklus koji se često koristi u elektrani za pretvaranje tlakove energije pare u mehaničku energiju putem parnih turbine. Glavni komponenti Rankine ciklusa uključuju rotirajuću parnu turbinu, pumpu za kotao, stacionarni kondenzator i kotao.

Kotao se koristi za zagrijavanje vode do potrebnog tlaka i temperature pare prema zahtjevima turbine za proizvodnju struje.

Izlučenje iz turbine upućuje se na radijalni ili osni tok kondenzatora za kondenzaciju pare u kondenzat i ponovno vraća se u kotao kroz pumpe za kotao za ponovno zagrijavanje.

To može imati više smisla ako se malo odmaknemo i razumijemo kako izgleda tipičan ciklus elektrane.

Tipičan ciklus elektrane

Električna snaga generira se u parnim elektranama koristeći ugljene, lignit, dizel, teško pećinsko ulje kao gorivo ovisno o dostupnosti i cijeni. Shema toka parnog ciklusa dana je ispod:

Cijela elektrana može se podijeliti u sljedeće pod-sustave.

• Pod-sustav A: Klasificiran kao glavne komponente elektrane (turbina, kondenzator, pumpa, kotao) za proizvodnju struje.

• Pod-sustav B: Klasificiran kao dimnjak, s kojeg se odlagaju otapalne plinove u atmosferu.

• Pod-sustav C: Klasificiran kao električni generator za pretvaranje mehaničke energije u električnu energiju.

• Pod-sustav D: Klasificiran kao sustav hladne vode za apsorbiranje toplote odbacene pare u kondenzatoru i promjenu faze pare u tekućinu (kondenzat).

Analizirat ćemo pod-sustav unutar ovog ciklusa elektrane koji se bavi Rankine ciklusom.

Mnoge praktične ograničenja vezane uz Carnotov ciklus mogu se udobno prevazijeti u Rankine ciklusu.

Idealan Rankine ciklus

U parnom ciklusu, ako radno tlo u parnom ciklusu prolazi kroz različite komponente elektrane bez nevrstivosti i troška tlaka zbog trenja, tada se ciklus naziva Idealan Rankine ciklus.

Rankine ciklus je osnovni radni ciklus za sve elektrane gdje se radno tlo neprestano mijenja svoju fazu od tekućine u par i obrnuto.

(p-h) i (T-s) dijagrami su korisni za razumijevanje rada Rankine ciklusa uz opis dat niže:

1-2-3 Izobarne toplinske prijenos ili Konstantni tlak toplinskog dodavanja u kotao

Kotao je veliki toplotni zahvatnik gdje se gorivo poput uglja, lignita ili nafte neposredno prenosi toplinu vodi na konstantnom tlaku. Voda ulazi u kotao iz pumpe za kotao kao pritisnut tekuci u stanju-1 i zagrijava se do temperature zasićenja kao što je prikazano na T-s dijagramu u stanju-3.

Energetska ravnoteža u kotlu ili energija dodana u parnom generatoru,
qin= h3-h1

3-4 Izentropska ekspanzija ili Izentropska ekspanzija u turbini

Para iz izlaza kotla ulazi u turbinu u stanju 3, gdje se izentropski širi preko fiksnih i pokretnih lopatica turbine kako bi se proizvela radna rotacija vrtača turbine, koja je povezana s električnim generatorom.
Rad isporučen od strane turbine (Zanemarujući toplinski prijenos s okolinom)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Izobarne toplinske odbacivanje ili Konstantni tlak toplinskog odbacivanja u kondenzatoru

U stanju-4, para ulazi u kondenzator. Promjena faze događa se u kondenzatoru, gdje se para kondenzira u tekućinu na konstantnom tlaku prenosom toplote pare u cirkulirajući tok vode kroz cevi kondenzatora. Promjena faze događa se u kondenzatoru, a radno tlo koje napušta kondenzator nalazi se u tekućoj formi i označeno je kao točka 5.
Energija odbačena u kondenzatoru, qout= h4-h5

5-1 Izentropska kompresija ili Izentropska kompresija u pumpi

Voda izlazi iz kondenzatora u stanju 5 i ulazi u pumpu. Ova pumpa povećava tlak vode nanoseći rad tijekom procesa. U jedinicama manjih dimenzija i niskog specifičnog volumena, ovaj mali rad može se zanemariti usporedo sa radnim isporukom parne turbine.
Rad obavljen na pumpu po kilogramu vode, W51= h5-h1.