Rankine cikel: Kaj je to? (Idealen vs. dejanski + T-s diagram)

Kaj je Rankinov cikel?

Rankinov cikel je mehanični cikel, ki se pogosto uporablja v elektrarnah za pretvorbo tlakove energije pare v mehansko energijo preko parnih turbine. Glavne komponente Rankinovega cikla so vrteča parna turbina, črpalka za kotlo, stacionarna kondenzator in kotel.

Kotel se uporablja za segrevanje vode za par pri potrebnem tlaku in temperaturi glede na zahteve turbine za proizvodnjo energije.

Izpad iz turbine je usmerjen v radijalni ali osni tok kondenzatorja za kondenziranje para v kondenzat, ki se nato z vračanjem preko črpalke za kotel ponovno segreva.

To bi morda bolj smiselno, če bi se malo odmaknili in razumeli, kako izgleda tipičen cikel elektrarne.

Tipičen cikel elektrarne

Električna energija se generira z uporabo parnih ciklov elektrarn, ki uporabljajo premog, lignit, dizel, težko pečivo olje kot gorivo, glede na dostopnost in strošek. Shema toka parnega cikla je podana spodaj:

Celotna elektrarna se lahko razdeli na naslednje podsisteme.

• Podsistem A: Klasificiran kot glavne komponente elektrarne (turbina, kondenzator, črpalka, kotel) za proizvodnjo energije.

• Podsistem B: Klasificiran kot dimnik, skozi katerega se odpadni plini izpuščajo v atmosfero.

• Podsistem C: Klasificiran kot električni generator za pretvorbo mehanske energije v električno energijo.

• Podsistem D: Klasificiran kot sistem hladiščne vode za absorpcijo toplote odbijenega para v kondenzatorju in spremembo faze para v tekoče stanje (kondenzat).

Analizirali bomo podsistem znotraj tega cikla elektrarne, ki se nanaša na Rankinov cikel.

Veliko praktičnih omejitev, povezanih s Carnotovim ciklom, se lahko v Rankinovem ciklu zlahka premosti.

Idealni Rankinov cikel

V parnem ciklu, če delovno tekočino v parnem ciklu preide skozi različne komponente elektrarne brez neobratnosti in padca tlaka zaradi trenja, se ta cikel imenuje idealni Rankinov cikel.

Rankinov cikel je osnovni operativni cikel za vse elektrarne, kjer delovna tekočina neprestano spreminja svojo fazo od tekočine v par in obratno.

Diagrami (p-h) in (T-s) so koristni za razumevanje delovanja Rankinovega cikla skupaj z opisom, podanim spodaj:

1-2-3 Izobarne prenosi toplote ali Konstantni tlak prenosa toplote v kotlu

Kotel je velik toplotni menjalnik, kjer toplota, ki jo oddaja gorivo, kot je premog, lignit ali olje, neposredno prenese toplotno energijo vodo pri konstantnem tlaku. Voda vstopa v parni kotel skozi črpalke za kotel kot stisnjena tekočina v stanju-1 in se segreva do saturacijske temperature, kot je prikazano na T-s diagramu v stanju-3.

Energijski bilanci v kotlu ali dodana energija v parnem generatorju, qin= h3-h1

3-4 Izentropska širitev ali izentropska širitev v turbinu

Par iz izhoda kotla vstopi v turbino v stanju 3, kjer se izentropsko širi preko fiksne in gibljive lepe turbine, da ustvari delo v obliki mehanske vrtenje trubine, ki je povezana z električnim generatorjem.
Dela, ki ga prinese turbina (Zanemarimo prenos toplote z okolico)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Izobarne odpovedi toplote ali Konstantni tlak odpovedi toplote v kondenzatorju

V stanju-4 vstopi par v kondenzator. Sprememba faze se zgodi, ko se par kondenzira v tekočino pri konstantnem tlaku v kondenzatorju s prenosem toplote para v cirkulirajoči vodni tok skozi cevi kondenzatorja. Sprememba faze se zgodi v kondenzatorju, in delovna tekočina, ki zapusti kondenzator, je v tekočem stanju in označena kot točka 5.
Energija, ki se odpove v kondenzatorju, qout= h4-h5

5-1 Izentropska stiskanje ali izentropska stiskanje v črpalniku

Voda zapusti kondenzator v stanju 5 in vstopi v črpalnik. Ta črpalnik dvigne tlak vode z ustreznim delom med procesi. V enotah manjše velikosti in nizega specifičnega volumena se ta majhen del lahko zanemari v primerjavi z delom, ki ga prinese parna turbina.
Delo, opravljeno na črpalniku na kg vode, W51= h5-h1.