Rankine Cyclus: Wat is het? (Ideaal vs. Daadwerkelijk + T-s Diagram)

Wat is de Rankine-cyclus?

De Rankine-cyclus is een mechanische cyclus die vaak in energiecentrales wordt gebruikt om de drukenergie van stoom om te zetten in mechanische energie door middel van stoomturbines. De belangrijkste componenten van de Rankine-cyclus zijn een draaiende stoomturbine, een ketelpomp, een stationaire condensor en een ketel.

Een ketel wordt gebruikt om water te verhitten tot stoom onder de vereiste druk en temperatuur volgens de eisen van de turbine voor het opwekken van elektriciteit.

Het uitlaatgast van de turbine wordt naar de radiale of axiale stroomcondensor geleid voor het condenseren van de stoom tot condens, waarna deze via de ketelpompen teruggevoerd wordt naar de ketel om opnieuw te worden verhit.

Dit wordt duidelijker als we een stap terug doen en begrijpen hoe een typische energiecentralecyclus eruit ziet.

Typische energiecentralecyclus

Elektrische energie wordt opgewekt door gebruik te maken van dampkrachtcentrales, waarbij steenkool, bruinkool, diesel of zwaar ketelolie als brandstof wordt gebruikt, afhankelijk van de beschikbaarheid en kosten. Het stroomschema van de dampkrachtcentrale is als volgt:

De hele energiecentrale kan worden verdeeld in de volgende subsystemen.

• Subsysteem A: Geclassificeerd als de hoofdcomponenten van de energiecentrale (Turbine, Condensor, Pompen, Ketel) voor het opwekken van elektriciteit.

• Subsysteem B: Geclassificeerd als de schoorsteen, waarin de afvalgassen worden afgevoerd naar de atmosfeer.

• Subsysteem C: Geclassificeerd als een elektrische generator voor het omzetten van mechanische energie in elektrische energie.

• Subsysteem D: Geclassificeerd als het koelwater systeem voor het absorberen van de warmte van de verworpen stoom in de condensor en het veranderen van de fase van de stoom naar vloeistof (condens).

We zullen het subsysteem binnen deze energiecentralecyclus analyseren dat betrekking heeft op de Rankine-cyclus.

Veel van de praktische beperkingen die gerelateerd zijn aan de Carnot-cyclus kunnen gemakkelijk worden overwonnen in de Rankine-cyclus.

Ideale Rankine-cyclus

In een dampcyclus, als het werkingsvloeistof in de dampcyclus door de verschillende componenten van de energiecentrale gaat zonder irreversibiliteit en wrijvingsverlies, dan wordt de cyclus een Ideale Rankine-cyclus genoemd.

De Rankine-cyclus is de basisoperatiecyclus voor alle energiecentrales waarbij een werkingsvloeistof continu van fase verandert van vloeistof naar damp en vice versa.

De (p-h) en (T-s) diagrammen zijn nuttig voor het begrijpen van de werking van de Rankine-cyclus, samen met de hieronder gegeven beschrijving:

1-2-3 Isobaar hitteoverdracht of constante drukwarmte toevoeging in een ketel

De ketel is een grote warmtewisselaar waarin brandstof zoals steenkool, bruinkool of olie de warmte indirect overdraagt aan water onder constante druk. Water komt de stoomketel binnen vanuit de ketelpomp als een samengeperste vloeistof in staat-1 en wordt verhit tot de verzadigingstemperatuur zoals getoond in het T-s-diagram als staat-3.

De energiebalans in de ketel is of de toegevoegde energie in een stoomgenerator,
qin= h3-h1

3-4 Isentrope expansie of isentrope expansie in een turbine

Damp van de keteluitlaat treedt de turbine binnen in staat 3, waar hij isentroop expandeert over de vaste en bewegende bladen van de turbine om arbeid te leveren in de vorm van mechanische rotatie van de turbineschacht, die verbonden is met de elektrische generator.
Afgeleverde arbeid door de turbine (met uitsluiting van warmteoverdracht met de omgeving)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Isobaar hitteafwijzing of constante drukwarmteafwijzing in een condensor

In staat-4 treedt damp de condensor binnen. De faserolling vindt plaats terwijl de damp in de condensor bij constante druk wordt gekondenseerd tot vloeistof door de warmte van de stoom over te dragen aan de circulerende waterstroom door de buizen van de condensor. De faserolling vindt plaats in de condensor, en het werkingsmiddel dat de condensor verlaat is in een vloeibare toestand en wordt aangeduid als punt 5.
Afgewezen energie in de condensor, qout= h4-h5

5-1 Isentrope compressie of isentrope compressie in een pomp

Water verlaat de condensor in staat 5 en treedt de pomp binnen. Deze pomp verhoogt de druk van het water door tijdens de processen arbeid toe te voegen. In eenheden van kleinere grootte en lage specifieke volume kan deze kleine arbeid worden verwaarloosd ten opzichte van de arbeiduitvoer van een stoomturbine.
Uitgevoerde arbeid per kg water, W51= h5-h1.