Rankine Döngüsü: Nedir? (İdeal vs. Gerçek + T-s Diyagramı)

Rankine Döngüsü Nedir?

Rankine Döngüsü, buhar türbinleri aracılığıyla buharın basınç enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmek için güç santrallerinde yaygın olarak kullanılan bir mekanik döngüdür. Rankine Döngüsünün ana bileşenleri, dönen bir buhar türbini, bir kazan pompası, sabit bir soğutucu ve bir kazandır.

Bir kazan, türbinin güç üretimi için gereksinimlerine göre gerekli basınç ve sıcaklıkta buhar için suyu ısıtmak için kullanılır.

Türev, buharı kondansat haline getirmek ve tekrar kazana geri göndermek için radial veya aksiyal akış soğutucusuna yönlendirilir.

Bunun daha fazla anlam ifade etmesi için, tipik bir güç santrali döngüsüne bir adım geri çekilip neye benzediğini anlamamız gerekiyor.

Tipik Güç Santrali Döngüsü

Güç, kömür, lignit, dizel, ağır yanıcı yağ gibi yakıt maddeleri kullanılarak buhar döngüsü güç santrallerinde üretilir. Buhar güç döngüsünün akış şeması aşağıda verilmiştir:

Tüm güç santrali, aşağıdaki alt sistemlere ayrılabilir.

• Alt Sistem A: (Türbin, Soğutucu, Pompa, Kazan) güç üretimindeki ana bileşenler olarak sınıflandırılır.

• Alt Sistem B: Çıkarılan atık gazların atmosfere bırakıldığı baca/külhan olarak sınıflandırılır.

• Alt Sistem C: Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için bir elektrik jeneratörü olarak sınıflandırılır.

• Alt Sistem D: Reddedilen buharın soğutucuda kalorini emmek ve buhar fazını sıvıya (kondansat) çevirmek için soğutma suyu sistemi olarak sınıflandırılır.

Bu güç santrali döngüsünde Rankine döngüsü ile ilgili olan alt sistemleri analiz edeceğiz.

Carnot döngüsüyle ilgili birçok pratik kısıtlama, Rankine döngüsünde kolayca aşılabilir.

Ideal Rankine Döngüsü

Buhar döngüsünde, çalışma sıvısı tersinmezlik ve sürtünme kaynaklı basınç düşüşü olmaksızın güç santralinin çeşitli bileşenlerinden geçerse, bu döngü İdeal Rankine Döngüsü olarak adlandırılır.

Rankine döngüsü, çalışma sıvısının sürekli olarak sıvıdan buhar ve vice versa değişimini gerçekleştirdiği tüm güç santrallerinin temel işletme döngüsüdür.

(p-h) ve (T-s) diyagramları, aşağıdaki açıklamalarla birlikte Rankine döngüsünün çalışmasını anlamak için yararlıdır:

1-2-3 İsoBarik Isı Transferi veya Sabit Basınçta Isı Eklentisi Kazanda

Kazan, kömür, lignit veya yağ gibi ısıtıcı yakıtların suya sabit basınç altında ısıyı aktardığı büyük bir ısı değiştiricidir. Su, durum-1'de sıkıştırılmış sıvı olarak kazan besleme pompasından kazana girer ve T-s diyagramında gösterildiği gibi durum-3'te doygun sıcaklığa kadar ısıtılır.

Kazandaki enerji dengesi ya da buhar jeneratöründe eklenen enerji,
qin= h3-h1

3-4 İsentropik Genleşme veya Türbinde İsentropik Genleşme

Kazan çıkışındaki buhar, durum 3'te türbine girer ve türbinin sabit ve hareketli palaslarında izentropik olarak genişler, böylece türbin şaftının mekanik dönmesi şeklinde iş yapar, bu şaft elektrik jeneratörüne bağlanmıştır.
Türbinden Üretilen İş (Çevresel ısı transferini ihmal ederek)
Wturbine out= h3-h4

4-5 İsoBarik Isı Atılması veya Soğutucuda Sabit Basınçta Isı Atılması

Durum-4'te, buhar soğutucuya girer. Faz değişimi, buhar soğutucunun tüpleri üzerinden dolaşan su akışına buharın ısısını aktarılarak sabit basınç altında soğutucuda sıvıya dönüşür. Soğutucudan çıkan çalışma sıvısı sıvı halindedir ve nokta 5 olarak işaretlenir.
Soğutucuda reddedilen enerji, qout= h4-h5

5-1 İsentropik Kompresyon veya Pompadaki İsentropik Kompresyon

Su, durum 5'te soğutucudan çıkar ve pompanın içine girer. Bu pompa, suyun basıncını artırarak işleme katılır. Küçük boyutlu ve düşük belirli hacimli birimlerde, bu küçük iş, buhar türbininin iş çıkışı ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir.
Pompadaki su kilogram başına yapılan iş, W51= h5-h1.