Rankinecykeln: Vad är det? (Ideal vs. Faktisk + T-s-diagram)

Vad är Rankine-cykeln?

Rankine-cykeln är en mekanisk cykel som vanligtvis används i kraftverk för att omvandla ångans tryckenergi till mekanisk energi genom ångturbiner. De viktigaste komponenterna i Rankine-cykeln inkluderar en roterande ångturbin, en panna-pump, en stationär kondensator och en panna.

En panna används för att heta vatten till ånga vid den nödvändiga trycknivån och temperaturen enligt turbinens krav för energiproduktion.

Turbinens avgas dirigeras till den radiella eller axiella flödeskondensatorn för att kondensera ångan till kondensat, som sedan återförs till pannan genom pannapumpar för upphettning igen.

Detta kan bli tydligare om vi tar ett steg tillbaka och förstår hur en typisk kraftverkscykel ser ut.

Typisk kraftverkscykel

Elektrisk energi genereras genom att använda ångcykelkraftverk med kol, lignit, diesel, tungt fyringsolja som bränsle beroende på tillgänglighet och kostnad. Flödesschemat för ångcykeln visas nedan:

Hela kraftverket kan delas in i följande under-system.

• Under-system A: Klassificerat som de huvudsakliga komponenterna i kraftverket (turbin, kondensator, pump, panna) för energiproduktion.

• Under-system B: Klassificerat som skorstenen, där avfallsgaser utleds till atmosfären.

• Under-system C: Klassificerat som en elektrisk generator för att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi.

• Under-system D: Klassificerat som det kylvattnesystemet som absorberar värmen från den avvisade ångan i kondensatorn och ändrar ångfasen till vätska (kondensat).

Vi kommer att analysera under-systemet inom denna kraftverkscykel som behandlar Rankine-cykeln.

Många av de praktiska begränsningarna relaterade till Carnot-cykeln kan bekvämt övervinnas i Rankine-cykeln.

Ideal Rankine-cykel

I en ångcykel, om arbetssubstansen i en ångcykel passerar olika komponenter i kraftverket utan irreversibilitet och friktionsrelaterat tryckfall, kallas cykeln en ideal Rankine-cykel.

Rankine-cykeln är den grundläggande driftscykeln för alla kraftverk där en arbetssubstans kontinuerligt ändrar sin fas från vätska till gas och vice versa.

(p-h) och (T-s) diagram är användbara för att förstå fungerandet av Rankine-cykeln tillsammans med beskrivningen nedan:

1-2-3 Isobarisk värmeöverföring eller konstanttrycksvärmeöverföring i en panna

Panan är en stor värmeelement som värmeavgesande bränslen som kol, lignit eller olja överför värme indirekt till vatten vid konstant tryck. Vatten kommer in i ångpannan från pannapumpen som en komprimerad vätska i tillstånd 1 och hets upp till mättnadstemperaturen som visas i T-s-diagrammet som tillstånd 3.

Energiutjämningen i pannan är eller energi lagd till i en ånggenerator,
qin= h3-h1

3-4 Isentropisk expansion eller isentropisk expansion i en turbin

Ånga från pannans utlopp går in i turbinen i tillstånd 3, där den expanderar isentropiskt över turbinens fasta och rörliga blad för att producera arbete i form av mekanisk rotation av turbinaxeln, som är ansluten till den elektriska generatorn.
Arbete levererat av turbinen (utan hänsyn till värmeöverföring med omgivningen)
Wturbine out= h3-h4

4-5 Isobarisk värmeavvisning eller konstanttrycksvärmeavvisning i en kondensator

I tillstånd 4 går ångan in i kondensatorn. Fasändringen inträffar i kondensatorn, då ångan kondenserar till vätska vid konstant tryck genom att överföra ångans värme till cirkulerande vattenflöde genom kondensatorns rör. Arbetssubstansen lämnar kondensatorn i vätskeform och markeras som punkt 5.
Energi avvisad i kondensatorn, qout= h4-h5

5-1 Isentropisk kompression eller isentropisk kompression i en pump

Vatten lämnar kondensatorn i tillstånd 5 och går in i pumpen. Denna pump höjer vattnets tryck genom att tillföra arbete under processen. I enheter av mindre storlek och låg specifik volym kan detta lilla arbete försummas jämfört med turbinens arbetsutdata.
Utfört arbete per kg vatten, W51= h5-h1.