Ciclo di Rankine: Cos'è? (Ideale vs Reale + Diagramma T-s)
Cos'è il ciclo di Rankine?
Il ciclo di Rankine è un ciclo meccanico comunemente utilizzato nelle centrali elettriche per convertire l'energia di pressione del vapore in energia meccanica attraverso turbine a vapore. I principali componenti del ciclo di Rankine includono una turbina a vapore rotante, una pompa per caldaia, un condensatore stazionario e una caldaia.
La caldaia viene utilizzata per riscaldare l'acqua al fine di produrre vapore alla pressione e temperatura richieste dalla turbina per la generazione di energia.
L'uscita della turbina viene diretta al condensatore ad afflusso radiale o assiale per condensare il vapore in condensato, che viene poi riciclato nella caldaia tramite pompe per caldaie per essere nuovamente riscaldato.
Questo potrebbe avere più senso se facciamo un passo indietro e comprendiamo come appare un tipico ciclo di una centrale elettrica.
Tipico ciclo di una centrale elettrica
L'energia elettrica viene generata utilizzando cicli di potenza a vapore in centrali elettriche che usano carbone, lignite, gasolio o olio pesante da forno come combustibile, a seconda della disponibilità e del costo. Lo schema di flusso del ciclo di potenza a vapore è riportato di seguito:
Tutta la centrale elettrica può essere suddivisa nei seguenti sottosistemi.
Sottosistema A: Classificato come i componenti principali della centrale elettrica (turbina, condensatore, pompa, caldaia) per la generazione di energia.
Sottosistema B: Classificato come la ciminiera, da cui i gas di scarico vengono espulsi nell'atmosfera.
Sottosistema C: Classificato come un generatore elettrico per convertire l'energia meccanica in energia elettrica.
Sottosistema D: Classificato come il sistema di acqua di raffreddamento per assorbire il calore dello scarico del vapore nel condensatore e cambiare la fase del vapore in liquido (condensato).
Analizzeremo il sottosistema all'interno di questo ciclo di centrale elettrica che riguarda il ciclo di Rankine.
Molte delle limitazioni pratiche relative al ciclo di Carnot possono essere comodamente superate nel ciclo di Rankine.
Ciclo di Rankine ideale
In un ciclo a vapore, se il fluido di lavoro passa attraverso vari componenti della centrale elettrica senza irreversibilità e caduta di pressione dovuta alla frizione, allora il ciclo è chiamato Ciclo di Rankine ideale.
Il ciclo di Rankine è il ciclo operativo di base per tutte le centrali elettriche in cui un fluido di lavoro cambia continuamente la sua fase da liquido a vapore e viceversa.
I diagrammi (p-h) e (T-s) sono utili per comprendere il funzionamento del ciclo di Rankine insieme alla descrizione fornita di seguito:
1-2-3 Trasferimento di calore isobarico o aggiunta di calore a pressione costante in una caldaia
La caldaia è un grande scambiatore di calore dove un combustibile liberatore di calore come carbone, lignite o petrolio trasferisce indirettamente il calore all'acqua a pressione costante. L'acqua entra nella caldaia a vapore dalla pompa di alimentazione della caldaia come un liquido compresso nello stato-1 e viene riscaldato fino alla temperatura di saturazione come mostrato nel diagramma T-s nello stato-3.
Il bilancio energetico nella caldaia o l'energia aggiunta in un generatore a vapore, qin= h3-h1
3-4 Espansione isentropica o espansione isentropica in una turbina
Il vapore dall'uscita della caldaia entra nella turbina allo stato 3, dove si espande isentropicamente sulle pale fisse e mobili della turbina per produrre lavoro sotto forma di rotazione meccanica dell'albero della turbina, che è collegato al generatore elettrico.
Lavoro erogato dalla turbina (trascurando il trasferimento di calore con l'ambiente)
Wuscita turbina= h3-h4
4-5 Rifiuto di calore isobarico o rifiuto di calore a pressione costante in un condensatore
A stato-4, il vapore entra nel condensatore. Si verifica un cambio di fase mentre il vapore viene condensato in liquido a pressione costante nel condensatore trasferendo il calore del vapore al flusso d'acqua circolante attraverso i tubi del condensatore. Il cambio di fase avviene nel condensatore e il fluido di lavoro che esce dal condensatore è in stato liquido e contrassegnato come punto 5.
Energia rifiutata nel condensatore, qout= h4-h5
5-1 Compressione isentropica o compressione isentropica in una pompa
L'acqua esce dal condensatore allo stato 5 ed entra nella pompa. Questa pompa aumenta la pressione dell'acqua impartendo lavoro durante i processi. In unità di piccole dimensioni e a basso volume specifico, questo piccolo lavoro può essere trascurato rispetto al lavoro in uscita di una turbina a vapore.
Lavoro svolto sulla pompa per kg di acqua, W51= h5-h1.
