Cykl Rankine: Co to jest? (Idealny vs. rzeczywisty + diagram T-s)

Co to jest cykl Rankine'a

Cykl Rankine'a to mechaniczny cykl powszechnie stosowany w elektrowniach do konwersji ciśnieniowej energii pary na energię mechaniczną za pomocą turbin parowych. Głównymi elementami cyklu Rankine'a są obracająca się turbina parowa, pompa kotłowa, stacjonarny kondensator i kotłownia.

Kotłownia służy do nagrzewania wody do pary pod wymaganym ciśnieniem i temperaturą zgodnie z wymogami turbiny do generowania energii.

Wylotowe spaliny z turbiny są kierowane do radialnego lub osiowego kondensatora, gdzie para zostaje skondensowana do ciekłej formy i ponownie przekierowana do kotła przez pompy kotłowe, aby ponownie ją ogrzać.

To może mieć więcej sensu, jeśli cofniemy się o krok i zrozumiemy, jak wygląda typowy cykl elektrowni.

Typowy cykl elektrowni

Energia elektryczna jest generowana w elektrowniach parowych za pomocą węgla, lignitu, oleju napędowego lub ciężkiego oleju opałowego, w zależności od dostępności i kosztów. Poniżej przedstawiono schemat przepływu cyklu parowego:

Cała elektrownia może być podzielona na następujące podsystemy.

• Podsystem A: sklasyfikowany jako główne komponenty elektrowni (turbina, kondensator, pompa, kotłownia) do generowania energii.

• Podsystem B: sklasyfikowany jako komin, z którego odprowadzane są spaliny do atmosfery.

• Podsystem C: sklasyfikowany jako generator elektryczny do konwersji energii mechanicznej na energię elektryczną.

• Podsystem D: sklasyfikowany jako system chłodzenia wody do absorpcji ciepła odrzuconej pary w kondensatorze i zmiany fazy pary na ciekłą (skondensowaną).

Analizować będziemy podsystem w tym cyklu elektrowni, który dotyczy cyklu Rankine'a.

Wiele praktycznych ograniczeń związanych z cyklem Carnota można wygodnie pokonać w cyklu Rankine'a.

Idealny cykl Rankine'a

W cyklu parowym, jeśli płyn roboczy przechodzi przez różne komponenty elektrowni bez nieodwracalności i spadku ciśnienia spowodowanego tarcją, cykl ten nazywany jest idealnym cyklem Rankine'a.

Cykl Rankine'a to podstawowy cykl operacyjny wszystkich elektrowni, w których płyn roboczy ciągle zmienia swoją fazę z ciekłej na gazową i odwrotnie.

Wykresy (p-h) i (T-s) są przydatne do zrozumienia działania cyklu Rankine'a wraz z opisem podanym poniżej:

1-2-3 Izobaryczna wymiana ciepła lub stałe dodawanie ciepła w kotłowni

Kotłownia to duży wymiennik ciepła, w którym ciepło wydzielane przez paliwo, takie jak węgiel, lignit lub olej, przekazuje ciepło pośrednio do wody pod stałym ciśnieniem. Woda wchodzi do kotła parowego z pompą kotłową jako skompresowany płyn w stanie-1 i jest grzana do temperatury nasycenia, jak pokazano na wykresie T-s jako stan-3.

Bilans energetyczny w kotłowni lub dodana energia w generatorze pary,
qin= h3-h1

3-4 Izentropowe rozszerzenie lub izentropowe rozszerzenie w turbinie

Para z wyjścia kotła wchodzi do turbiny w stanie 3, gdzie rozszerza się izentropowo na stałych i poruszających się łopatkach turbiny, produkując pracę w postaci obrotu mechanicznego wału turbiny, który jest połączony z generatorem elektrycznym.
Praca dostarczona przez turbinę (pomijając wymianę ciepła z otoczeniem)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Izobaryczne odrzucenie ciepła lub stałe odrzucenie ciepła w kondensatorze

W stanie-4 para wchodzi do kondensatora. Zmiana fazy zachodzi, gdy para jest skondensowana do ciekłej formy pod stałym ciśnieniem w kondensatorze, przekazując ciepło pary do krążącej wody w rurach kondensatora. Zmiana fazy zachodzi w kondensatorze, a płyn roboczy opuszczający kondensator znajduje się w stanie ciekłym i jest oznaczony jako punkt 5.
Energia odrzucona w kondensatorze, qout= h4-h5

5-1 Izentropowe sprężanie lub izentropowe sprężanie w pompie

Woda opuszcza kondensator w stanie 5 i wchodzi do pompy. Ta pompa podnosi ciśnienie wody, nadając jej pracę w trakcie procesów. W jednostkach mniejszych rozmiarów i niskiego objętościowego współczynnika, ta mała praca może być zaniedbane w porównaniu z pracą wyjściową turbiny parowej.
Praca wykonana na pompie na kg wody, W51= h5-h1.

Efektywność termiczna cyklu Rankine'a dana jest wzorem: