Obieg Clausiusa-Rankine'a - Polski Serwis Naukowy

Schemat instalacji cyklu. Ke - kocioł parowy, T - turbina, G - generator, Ko - skraplacz, Sp - pompa wody zasilającej

Cykl w układzie p-V

Cykl w układzie T-s

Obieg Rankine'a (dokładniej obieg Clausiusa-Rankine'a) jest obiegiem porównawczym dla procesów, w których zachodzi parowanie i skraplanie czynnika roboczego np. dla konwencjonalnych lub jądrowych siłowni parowych, agregatów chłodziarek.

Obieg termodynamiczny jest to szereg dowolnych przemian termodynamicznych, którym podlega czynnik termodynamiczny, a stan termodynamiczny czynnika na końcu obiegu pokrywa się ze stanem na jego początku.

Energetyka – dział nauki i techniki, a także gałąź przemysłu, które zajmują się przetwarzaniem dostępnych form energii na postać łatwą do wykorzystania przy zasilaniu wszelkich procesów przemysłowych, a także napędzaniu maszyn i urządzeń używanych w życiu codziennym.

Jest on złożony z następujących przemian:

1 - 2 - izentropowego (adiabatycznego) rozprężania pary w turbinie parowej,

2 - 3 - izobarycznego skroplenia rozprężonej pary (odprowadzenia ciepła w skraplaczu),

3 - 4 - izentropowego, pompowania kondensatu w pompie,

4 - 1 - izobarycznego podgrzewania cieczy (wody), jej odparowania oraz przegrzewania powstałej pary w kotle parowym lub wytwornicy pary.

Sprawność obiegu dla wody może wynosić 0,4-0,6, w praktyce bliższa dolnej granicy, co wynika z odchyłek przemian od założeń teoretycznych obiegu (np. nieizentropowe rozprężanie pary w turbinie, spadki ciśnienia w wymiennikach ciepła w kotle, etc.).

Pompa jest urządzeniem służącym do wytworzenia różnicy ciśnień między stroną ssawną (wlotem do pompy) a tłoczną (wylotem z pompy), umożliwiającej transport cieczy lub osadów. Działanie pompy polega na przekazaniu cieczy siły mechanicznej przez wirnik, tłok lub membranę, celem jej sprężenia.

Turbina (z łac. turbo, burza, trąba powietrzna) – silnik przepływowy wykorzystujący energię przepływającego płynu do wytwarzania energii mechanicznej. Elementem wirnika oddziałującym z płynem są specjalnie ukształtowane łopatki.

Obieg ten jest znacznie bliższy rzeczywistości dla cyklu, w którym zachodzi przemiana fazowa gaz - ciecz w porównaniu z obiegiem Carnota, który jest cyklem zachodzącym tylko dla gazu.

Czynnikiem roboczym (termodynamicznym) w cyklu Rankine'a jest w zastosowaniach technicznych (energetyce) najczęściej woda. Wynika to z wielu względów, m.in. z jej bardzo łatwej dostępności oraz obojętności dla środowiska. Niekiedy pojawiają się tzw. ORC, Organic Rankine Cycle, obiegi Rankine'a wykorzystujące jako czynnik roboczy węglowodory, co pozwala na pracę przy niższych temperaturach górnego źródła ciepła obiegu. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie np. ciepła geotermalnego do produkcji energii elektrycznej.

Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Podnoszenie sprawności obiegu Rankine'a

Przegrzew wtórny

W tym przypadku para po opuszczeniu wysokoprężnej części turbiny kierowana jest z powrotem do kotła do ponownego przegrzania. Pozwala to na zapobieganie skraplania się pary wodnej wewnątrz turbiny i zwiększa jej żywotność (jak widać na wykresach T-s i p-v, podczas rozprężania pary (przemiana 1-2) następuje przekroczenie linii nasycenia pary wodnej i wejście w obszar pary wilgotnej, a więc mieszaniny pary wodnej i wody w fazie ciekłej - przegrzew wtórny powoduje przesunięcie na wykresie T-s "w prawo" rozprężania i pozwala na uniknięcie lub opóźnienie wejścia w obszar pary wilgotnej). Jednocześnie powoduje zwiększenie średniej temperatury przekazywania ciepła do czynnika w obiegu, od której to temperatury zależy sprawność (podobnie jak od temperatury dostarczania ciepła w obiegu Carnota).

Sprawność - skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci.

Siłownia parowa – zespół maszyn i urządzeń mających na celu wytwarzanie mocy mechanicznej z wykorzystaniem turbiny parowej lub tłokową maszyną parową. Proces konwersji energii odbywa się z wykorzystaniem wody i pary wodnej. Para wodna wytwarzana jest pod odpowiednio wysokim ciśnieniem w kotle parowym, a rozprężana w turbinie bądź maszynie tłokowej. Po rozprężeniu podlega ona skropleniu w skraplaczu (układ zamkniety) lub jest wyrzucana do otoczenia (układ otwarty). W układzie zamkniętym skropliny są przetłaczane z powrotem do kotła przy pomocy pompy. Woda jest zachowana w układzie.

Regeneracja ciepła

Regeneracja ciepła w obiegach termodynamicznych polega na zachowaniu pewnej ilości ciepła wewnątrz obiegu, które bez regeneracji byłoby wyrzucone do otoczenia.

W siłowni parowej (a więc i w obiegu Rankine'a) ciepłem tym jest ciepło skraplania pary wodnej. Część strumienia pary, po rozprężeniu w pewnej ilości stopni turbiny, odprowadzana jest do wymiennika regeneracyjnego. Całe ciepło (a dokładniej entalpia) tej części strumienia pary wykorzystane zostaje do podgrzania kondensatu, dzięki czemu w kotle spalana jest mniejsza ilość paliwa.

Skraplacz, kondensator – urządzenie, którego zadaniem jest zamiana gazów w ciecze, czyli skraplanie. Jest zwykle elementem składowym większych instalacji technologicznych lub energetycznych.

Przemiana izobaryczna to proces termodynamiczny, podczas którego ciśnienie układu nie ulega zmianie, natomiast pozostałe parametry termodynamiczne czynnika mogą się zmieniać. Procesy izobaryczne mogą zachodzić zarówno w sposób odwracalny, jak i nieodwracalny. Odwracalny proces izobaryczny przedstawia na wykresie krzywa zwana izobarą. Praca wykonana przez układ (lub nad układem) w odwracalnym procesie izobarycznym jest równa ubytkowi (lub przyrostowi) entalpii układu. W szczególności, gdy jedyny wkład do pracy stanowi praca objętościowa (polegająca na zmianie objętości układu), jest ona wyrażona wzorem

Regeneracyjny podgrzew wody zasilającej kocioł realizowany jest zwykle w kilku wymiennikach, dzięki czemu minimalizowane są straty egzergii. Ilość wymienników zależna jest od wielkości bloku energetycznego, i wynosi zwykle od kilku do kilkunastu. Część wymienników umieszczona jest przed pompą zasilającą (wymienniki niskoprężne), a część za (wymienniki wysokoprężne). Nazwa pochodzi oczywiście od ciśnienia panującego po stronie kondensatu.

Przemiana izentropowa lub izoentropowa – proces termodynamiczny zachodzący przy stałej entropii właściwej. Odgrywa ona w technice stosunkowo dużą rolę, ponieważ może być jednocześnie adiabatą odwracalną (beztarciową, idealną). Izentropa może być także przemianą rzeczywistą, w której od czynnika odbierane jest ciepło równe ciepłu wewnętrznemu przemiany (ciepłu powstającemu wewnątrz czynnika w wyniku tarcia wewnętrznego). W rzeczywistości przemiana izentropowa jest praktycznie niespotykana, jednak w teorii maszyn cieplnych odgrywa istotną rolę. Jako adiabata odwracalna przewija się szczególnie w teorii sprężarek przepływowych i turbin cieplnych.

Entalpia (H) (zawartość ciepła) — w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez H, h,I lub χ, którą definiuje zależność:

Regeneracja ciepła obiegu Rankine'a prowadzi do wzrostu sprawności termicznej obiegu o kilka do kilkunastu procent, w zależności od ilości wymienników i wielkości ciepła wykorzystanego do regeneracji. Zastosowanie w układach rzeczywistych siłowni regeneracji ciepła prowadzi do komplikacji układu i wzrostu kosztów inwestycyjnych. Jednak korzyści wynikające ze wzrostu sprawności netto elektrowni powodują, że regeneracja ciepła była, jest i będzie stosowana, a jej znaczenie stale wzrasta.

Węglowodory to organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu węglowego (powiązanych z sobą atomów węgla) i przyłączonych do tego szkieletu atomów wodoru.

Turbina parowa – turbina, w której czynnikiem obiegowym jest para wodna. Pierwowzorem turbiny parowej była bania Herona. Jest to silnik (maszyna cieplna) wykorzystujący energię cieplną pary wodnej, wytworzonej zwykle w kotle parowym lub wytwornicy pary, do wytworzenia energii mechanicznej, odprowadzanej wałem do innej maszyny, np. generatora elektrycznego.

Zapoznaj się również z: przegrzew wtórny.