Rankine cikel s zaprtimi vodnimi segrevalkami ima svoje prednosti in se najpogosteje uporablja v vseh sodobnih elektrarnah. Zaprti vodni segrevalnik uporablja neposredni način prenosa toplote, torej izvlečena para ali par iz turbin prenaša toplotno energijo neposredno vodnemu vodiču v ogrjevalniku z valjkastimi cevi. Ker se par in voda neposredno ne mešajo, sta oba kruga, parni in voden, pod različnimi tlaci. Zaprti vodni segrevalnik v ciklu je prikazan na T-s diagramu, kot je prikazano spodaj na Sliki 1.
Teoretično ali idealno bi prenos toplote v zaprtih vodnih segrevalnikih moral biti tako, da bi temperatura vodnega vodiča porasla do temperature nasičenosti izvlečenega para (segrevanje vodnega vodiča).
Vendar v dejanski operaciji elektrarne je najvišja temperatura, ki jo lahko doseže vodni vodič, običajno malo manjša od temperature nasičenosti para. Razlog za to je, da je potreben nekaj stopinj temperaturni gradient za učinkovit in efektiven prenos toplote.
Ta kondenzat ali kondenzirani par iz ogrjevalnika se prenese na naslednji segrevalnik (nizkotlačni) v ciklu ali občasno v kondenzator.
Odprte in zaprti vodni segrevalniki se lahko razlikujejo na naslednji način:
Odprt vodni segrevalnik |
Zaprt vodni segrevalnik |
Odpri in preprost |
Bolj kompleksen v dizajnu |
Dobra lastnosti prenosa toplote |
Manj učinkovit prenos toplote |
Neposredno mešanje izvlečenega para in vode v tlakovi posodi |
Posredni mešanje vode in para v ogrjevalniku tipa omara in cevi. |
Pompa je potrebna za prenos vode v naslednjo fazo v ciklu. |
Zaprti vodni pompe ne zahtevajo pumpe in lahko delujejo s tlakovim razliko med različnimi segrevalniki v ciklu. |
Zahteva več prostora |
Zahteva manj prostora |
Manj dragi |
Bolj dragi |
Vse sodobne elektrarne uporabljajo kombinacijo odprtih in zaprtih vodnih segrevalnikov, da bi maksimirale termalno učinkovitost cikla.
Inženirska termodinamika obravnava pretvorbo dragocene oblike energije (toplote) v delo. V elektrarnah to počnemo s prenosem toplote v delovno tekočino, imenovano voda. Cilj je, da se izogne porabljanju toplote para v kondenzatorjih parnih turbine. To je mogoče, če najdemo način uporabe nizkotlačnega para, ki gre v kondenzator.
Kogeneracija je koncept uporabe toplote para za koristno namen, namesto, da bi jo porabili (trenutno porabljena v kondenzatorjih).
Kogeneracija pomeni Spojeno Toplo in Električno Energijsko (SHE), ki generira toploto in električno energijo hkrati za industrijo, ki potrebuje procesno toploto para. V kogeneracijski elektrarni so hkrati uporabljene toplota in električna energija, tako da učinkovitost te može biti do 90 % ali več. Kogeneracija ponuja šparanje energije.
Kogeneracija omogoča zmanjšanje velike količine para, ki bi se drugače porabila, in ga lahko uporabimo v mnogih napravah kot toploto. Večina industriji, kot so papirnica, kemija, tekstil in vlakna, cement, se zanaša na kogeneracijske elektrarne za procesno toploto para. Zahteva za procesno toploto para v zgornjih industriji je redoma 4 do 5 kg/cm2 pri temperaturi okoli 150 do 180°C.
Industrije papirnice, kemikalij in tekstilja potrebujejo hkrati električno energijo in procesno toploto para, da bi dosegli svoj cilj. Ta zahteva se lahko enostavno izpolni z namestitvijo kogeneracijske elektrarne.
Temperatura znotraj kotle je redoma 800°C do 900°C in energija se prenese v vodo, da bi proizvedel par z tlakom 105 bar in temperaturo okoli 535°C za kogeneracijske elektrarne. Par s takšnimi parametri se smatra kot zelo dober vir energije in je zato prvič uporabljen v parni turbine za proizvodnjo energije, nato pa se izhod turbine (slaba kakovost energije) uporabi za zahteve procesne toplote para.
Kogeneracijska elektrarna je znana po tem, da izpolnjuje zahteve za energijo, medtem ko izpolnjuje zahteve za procesno toploto v industrijskih procesih.
Idealna kogeneracijska parna turbina je prikazana na zgornji Sliki 2. Recimo, da je zahteva za procesno toploto Qp 5,0 Kg/cm2 okoli 100 kW. Da bi izpolnila zahtevo za procesno toploto para 5,0 Kg/cm2, se par razširi v turbinu, dokler tlak para ne pada na 5,0 Kg/cm2 in s tem proizvede energijo okoli 20 kW.
Kondenzat iz procesnega segrevalnika se reciklira nazaj v kotlo za ciklično operacijo. Delo pumpe, potrebno za povečanje tlaka vodnega vodiča v ciklu, je majhen in se ne upošteva.
Vsa energija, prenesena v delovno tekočino v kotlu, se uporabi bu v parni turbini ali v procesni elektrarni, tako da je faktor uporabe kogeneracijske elektrarne:
