Rankine ciklus s zatvorenim zagrijivačima hrane vode ima svoje prednosti i najčešće se koristi u svim modernim elektranama. Zatvoreni zagrijivač hrane vode koristi indirektan način prenosa toplote, odnosno ekstrahirani par ili par iz turbine prenosi toplinu indirektno vodi u zagrijivaču tipa ljuska i cev. Budući da se par i voda ne miješaju direktno, kružnice para i vode su pod različitim tlacima. Zatvoreni zagrijivač hrane vode u ciklusu prikazan je na T-s dijagramu kako je prikazano u Figuri 1.
Teoretski ili idealno, prenos toplote u zatvorenom zagrijivaču hrane vode bi trebao biti tako da se temperatura hrane vode poveća do temperature zasićenja ekstrahiranog para (zagrijavanje hrane vode).
Ali u stvarnoj operaciji postrojenja, maksimalna temperatura koju može dostići hrana voda obično je malo manja od temperature zasićenja para. Razlog može biti potreba za nekoliko stupnjeva temperaturne gradijente za efektivan i učinkovit prenos toplote.
Ovaj kondenzat ili kondenzirani par iz ljuske zagrijivača treba prenijeti na sljedeći zagrijivač (niskog tlaka) u ciklusu ili ponekad na kondenzator.
Otvoreni i zatvoreni zagrijivači hrane vode mogu se razlikovati na sljedeći način:
Otvoreni zagrijivač hrane vode |
Zatvoreni zagrijivač hrane vode |
Otvoren i jednostavan |
Složeniji dizajn |
Dobri karakteristici prenosa toplote |
Manje učinkoviti prenos toplote |
Direktno miješanje ekstrahiranog para i hrane vode u tlakom spremniku |
Indirektno miješanje hrane vode i para u zagrijivaču tipa ljuska i cev. |
Potrebna je pumpa za prenos vode u sljedeću fazu u ciklusu. |
Zatvoreni zagrijivači hrane vode ne zahtijevaju pumpu i mogu raditi s razlikom tlaka između različitih zagrijivača u ciklusu. |
Zahtijeva više prostora |
Zahtijeva manje prostora |
Manje skup |
Skuplji |
Sve moderne elektrane koriste kombinaciju otvorenih i zatvorenih zagrijivača hrane vode kako bi se maksimalizirala termalna učinkovitost ciklusa.
Inženjerska termodinamika posmatra pretvaranje vrijedne forme energije (topte) u rad. U elektranama to se radi prenoseći je na radni fluid, vodu. Stoga je cilj izbjegavati gubitak toplote para u kondenzatorima turbina. To je moguće ako se pronađe način da se iskoristi niskotlačni par koji ide u kondenzator.
Cogeneracija je koncept korištenja toplote para za korisnu namjenu, umjesto da se odbaci (trenutno se odbačuje u kondenzatorima).
Cogeneracija znači Kombinirana toplina i snaga (CHP) odnosno generiranje topline i snage istodobno za industrije koje zahtijevaju procesnu toplinsku paru. U cogeneracijskoj postrojbi, toplina i snaga su pažljivo iskorištene, pa može dosegnuti učinkovitost od 90% ili više. Cogeneracija nudi uštedu energije.
Cogeneracija nudi smanjenje gubitka velike količine para, a ta se ista može iskoristiti u mnogim uređajima u obliku toplote. Većina industrija poput papira i celuloze, kemikalija, tekstila i vlakana te cementa ovisi o cogeneracijskoj postrojbi za procesnu toplinsku paru. Zahtjevi za procesnom toplinskom parom u gore navedenim industrijama su u opsegu od 4 do 5 kg/cm2 na temperaturi oko 150 do 180°C.
Industrije papira, kemikalija i tekstila zahtijevaju i električnu snagu i procesnu paru kako bi ostvarile svoj cilj. Ovaj zahtjev lako se može ispuniti instaliranjem cogeneracijske elektrane.
Temperatura unutar kotla je reda 800°C do 900°C, a energija se prenosi vodi kako bi se proizvela para tlaka 105 bara i temperature oko 535°C za cogeneracijske elektrane. Para s ovim parametrima smatra se vrlo dobrom izvorom energije i prvo se koristi u parnoj turbine za proizvodnju snage, a ispuštanje turbine (niska kvaliteta energije) se koristi za ispunjenje zahtjeva za procesnom parom.
Cogeneracijska postrojba poznata je po ispunjavanju zahtjeva za snagom dok istodobno zadovoljava zahtjeve za procesnom parom industrijskih procesa.
Idealna parna turbina cogeneracije prikazana je na gornjoj slici 2. Recimo da je zahtjev za procesnom toplinom Qp na 5.0 kg/cm2 oko 100 kW. Da bi se ispunio zahtjev za procesnom parom na 5.0 kg/cm2, par se širi u turbinu dok ne padne tlak para na 5.0 kg/cm2 i time proizvede snagu oko 20 kW.
Kondenzat iz procesnog zagrijivača se reciklira natrag u kotao za cikličnu operaciju. Rad pompe potreban za povećanje tlaka hrane vode u ciklusu smatra se malim, pa se ne uzima u obzir.
Sva energija prenesena radnom fluksu u kotlu koristi se ili u parnoj turbine ili u procesnoj postrojbi, pa je faktor iskorištavanja cogeneracijske postrojbe:
